基于LabVIEW的模糊PID溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

胡榮頤 簡貞釗

這次實(shí)訓(xùn)我們主要的工作是使用LabVIEW 建立一個溫度控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)溫度的實(shí)時控制。主要使用到的裝置為一個溫度控制模塊，USB6008數(shù)據(jù)采集卡，PWM波輸出模塊和一個上位機(jī)。主要的控制過程為通過USB6008數(shù)據(jù)采集卡采集溫控箱的電壓，將采集到的電壓轉(zhuǎn)換為溫度后，分別通過傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制這兩種控制算法的計算，得出合適的直流控制電壓，并通過直流電壓與三角波相互比較的方法得出適合PWM波，實(shí)現(xiàn)溫控箱溫度的控制。使用LabVIEW 將采集到的溫度以及輸出的控制電壓儲存到數(shù)據(jù)庫中，同時還能使用LabVIEW讀取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。

實(shí)訓(xùn)依托的實(shí)驗(yàn)設(shè)備與軟件

硬件：溫度控制模塊、USB6008數(shù)據(jù)采集卡、PWM發(fā)生電路

軟件：LabVIEW 2013、微軟Access 2010

一、引言

1.1本文的主要工作

這次實(shí)訓(xùn)我們主要的工作是建立一個溫度控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)溫度的實(shí)時控制。主要使用到的裝置為一個溫度控制模塊，USB6008數(shù)據(jù)采集卡，PWM波輸出模塊和一個上位機(jī)。主要的控制過程為通過USB6008數(shù)據(jù)采集卡采集溫控箱的電壓，將采集到的電壓轉(zhuǎn)換為溫度后，分別通過傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制這兩種控制算法的計算，得出合適的直流控制電壓，并通過直流電壓與三角波相互比較的方法得出適合PWM波，實(shí)現(xiàn)溫控箱溫度的控制。使用LabVIEW 將采集到的溫度以及輸出的控制電壓儲存到數(shù)據(jù)庫中，同時還能使用LabVIEW讀取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。

1.2控制器發(fā)展現(xiàn)狀

1.2.1 PID控制器

自 PID 算法誕生以來，以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)應(yīng)用中的首 選控制策略之一，其在模型確定、線性系統(tǒng)中具有良好的控制效果，但在非線性、強(qiáng)耦合、大滯后、模型不確定的情況下則顯得力不從心。在工業(yè)技術(shù)快速發(fā)展的今天，許多的工業(yè)過程仍具有不同程度的非線性、參數(shù)時變、模糊不確定等特性。

1.2.2模糊PID控制器

近些年，LabVIEW模糊控制得到了很快的發(fā)展，這主要是由于模糊控制器可以應(yīng)用專家的控制經(jīng)驗(yàn)，對難以建立精確數(shù)學(xué)模型的被控過程實(shí)現(xiàn)自動控制。在日本，模糊控制得到了廣泛的應(yīng)用。許多公司成立了模糊系統(tǒng)研究機(jī)構(gòu)專門從事于模糊系統(tǒng)的研究，并取得很好的發(fā)展，表現(xiàn)在模糊控制洗衣機(jī)、吸塵器、冶金、制造等自動控制行業(yè)中的應(yīng)用。除此之外，模糊邏輯芯片和模糊計算機(jī)的研制也取得了進(jìn)展。但模糊控制器本身消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能比較差，難以達(dá)到較高的控制精度。而PID控制正好可以彌補(bǔ)其不足，近年來已有不少將模糊技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)結(jié)合起來設(shè)計模糊邏輯控制的先例。

二、溫度控制系統(tǒng)設(shè)計方案及原理

2.1溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計方案

虛擬儀器可以通過軟件開發(fā)平臺將計算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)地結(jié)合在一起。USB6008數(shù)據(jù)采集卡對溫控箱溫度進(jìn)行實(shí)時采集，在上位機(jī)中對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且將數(shù)據(jù)儲存到數(shù)據(jù)庫中，然后進(jìn)行PID運(yùn)算或模糊PID運(yùn)算，實(shí)時控制顯示，最后將運(yùn)算結(jié)果輸出PWM波去控制溫度箱。設(shè)計的系統(tǒng)框圖如圖2-1所示：

2.2 溫度控制系統(tǒng)的工作原理

該溫度控制系統(tǒng)以亞克力管和PCB板構(gòu)成一個相對密閉溫控箱，兩盞20W的白熾燈充當(dāng)熱源，三個高線性度的熱敏電阻充當(dāng)溫度傳感器，放置在溫控箱中三個不同的位置，操作者可以任意選著其中一個作為溫度探測器，反饋給控制器。通過溫度探測器反饋的實(shí)際溫度與設(shè)定溫度作比較，經(jīng)過一定的PID算法或模糊PID算法計算出控制量，輸出控制信號，調(diào)節(jié)白熾燈的發(fā)熱量，達(dá)到調(diào)節(jié)溫控箱溫度的目的。

溫控箱的硬件驅(qū)動由兩片大功率MOS管、驅(qū)動光耦TLP250以及5V穩(wěn)壓模塊組成，控制器發(fā)出的PWM波則是MOS管導(dǎo)通斷開的控制信號，經(jīng)過光耦放大的PWM波信號直接用于驅(qū)動MOS管，高電平導(dǎo)通，低電平斷開，不同占空比的PWM波對應(yīng)著白熾燈不同的發(fā)光亮度，間接控制其發(fā)熱量，達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。溫控箱實(shí)物圖如圖2-2所示：

2.3 PWM波發(fā)生原理

PWM波的發(fā)生原理是利用電壓比較器的特性，如果同相輸入大于反相，則輸出高電平，否則輸出低電平。本文使用三角波與一個直流電壓進(jìn)行比較產(chǎn)生PWM波，而三角波又由方波積分后產(chǎn)生。因此，本文的硬件PWM波發(fā)生電路分為三級：第一級方波發(fā)生電路；第二級積分電路；第三級比較器電路。波形的變化順序是方波輸入積分電路轉(zhuǎn)變?yōu)槿遣?，三角波在?jīng)過電壓比較器與USB6008數(shù)據(jù)采集卡控制產(chǎn)生的直流電壓作比較后輸出PWM波。一般三角波輸入比較器的正輸入端，直流電壓輸入電壓比較器的反向輸入端，則直流電壓值越小占空比越大，反之越小。PWM波的硬件發(fā)生電路實(shí)物圖如圖2-3所示：

三、控制算法的介紹

3.1傳統(tǒng)PID控制與模糊PID控制的比較

3.1.1傳統(tǒng)PID控制的特點(diǎn)

在實(shí)際中，應(yīng)用最為普遍的是 PID控制。其調(diào)節(jié)器控制規(guī)律表現(xiàn)為微分控制、比例控制、積分控制。線性定常系統(tǒng)是PID控制的主要研究對象。因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)較簡單、穩(wěn)定性較好、調(diào)整方便，所以被普遍應(yīng)用于工業(yè)過程控制。當(dāng)出現(xiàn)以下情況時，傳統(tǒng)的PID控制器無法實(shí)現(xiàn)精確控制。

（1）未能全面掌握被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。

（2）無法得到精確的數(shù)學(xué)模型。

但模糊PID控制能解決上述的這些問題。

要想比較好的了解模糊PID控制的特點(diǎn)，必須要了解模糊控制的特點(diǎn)。

3.1.2模糊控制的特點(diǎn)

隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)場被控對象和控制條件變得復(fù)雜，考慮因素增多，而對于控制性能的要求卻逐漸提高。通常復(fù)雜的系統(tǒng)很難對控制量設(shè)計精確的算法，想要絕對精確變得不可能，需要在精確和復(fù)雜間找到平衡。模糊控制就是一種平衡的控制手段，在非線性復(fù)雜系統(tǒng)中發(fā)展很快。模糊控制有如下特點(diǎn)：

（1）適用于不易獲得精確數(shù)學(xué)模型的被控對象。

（2）是一種語言變量控制器。

（3）從屬于智能控制的范疇，尤其適用于非線性、時變、滯后系統(tǒng)的控制。

3.1.3模糊PID控制的特點(diǎn)

模糊PID控制結(jié)合PID控制和模糊控制的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域中被應(yīng)用得特別普遍。模糊PID控制是根據(jù)PID控制器的3個參數(shù)與偏差和偏差的變化之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行時不斷檢測偏差和偏差的變化，通過事先確定的關(guān)系，利用模糊推理的方法，在線修改PID控制器的3個參數(shù)，讓PID參數(shù)可自整定。

四、總結(jié)

用虛擬儀器對溫度進(jìn)行自動調(diào)節(jié)具備一定的實(shí)用性。微機(jī)的計算能力強(qiáng)，可以很輕易地快速進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算。采用虛擬儀器調(diào)節(jié)溫度不僅可以實(shí)現(xiàn)很高的控制精度，還可以實(shí)現(xiàn)可視化界面操作。采用模糊控制原理的模糊PID算法，相比于傳統(tǒng)的PID算法，可以更快的達(dá)到穩(wěn)定溫度值，減少加熱時間，節(jié)約電能，且控制方法靈活，效果穩(wěn)定。對非線性、大滯后、被控對象模型不精確等特點(diǎn)的溫度控制具有較好的控制效果，因此在生產(chǎn)過程的溫度控制具有廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 馮瑩瑩等.模糊 PID 控制器對熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)溫度控制的優(yōu)化， 2008，32（2）：21～24.

作者簡介：

胡榮頤，出生年月：1997、11、19，性別：男，民族：壯族，籍貫（精確到市）：廣西欽州，當(dāng)前職務(wù)：學(xué)生，當(dāng)前職稱：學(xué)生，學(xué)歷：本科，研究方向：過程控制.