基于新型模糊PID算法的恒溫控制系統(tǒng)研究

胡冬雪, 張宗達(dá), 王 睿, 楊 罕

(吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院, 長(zhǎng)春 130012)

0 引 言

隨著科技的發(fā)展及產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化的日趨加強(qiáng), 在現(xiàn)代化的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中, 恒溫控制被廣泛應(yīng)用于食品加工、 電力工程、 機(jī)械制造和化工生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域[1-3]。及時(shí)、 準(zhǔn)確地獲取溫度信息和實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制, 在工業(yè)生產(chǎn)的很多方面都具有重要意義[4,5]。傳統(tǒng)恒溫控制方法一般通過(guò)工業(yè)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn), 其中較為成熟的方法是使用PID(Proportion Integration Differentiation)算法進(jìn)行自動(dòng)控制, 但這種方法響應(yīng)速度慢、 準(zhǔn)確度低, 經(jīng)常造成資源浪費(fèi), 由此而帶來(lái)產(chǎn)品質(zhì)量差、 效率低等嚴(yán)重問(wèn)題。因此, 筆者針對(duì)上述問(wèn)題研究出一種基于新型模糊PID算法的恒溫控制系統(tǒng), 使該系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度并達(dá)到恒溫控制。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體由4個(gè)模塊組成, 分別是矩陣鍵盤輸入、 溫度檢測(cè)、 恒溫控制和液晶顯示模塊(見圖1)。輸入模塊輸入預(yù)期達(dá)到恒定的溫度, 溫度檢測(cè)模塊進(jìn)行溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè), 液晶顯示模塊顯示預(yù)期溫度和當(dāng)前溫度便于使用者進(jìn)行觀察, 當(dāng)監(jiān)測(cè)溫度低于預(yù)期恒定溫度時(shí), 主控制器控制新型模糊PID算法對(duì)加熱模塊進(jìn)行加熱, 使系統(tǒng)溫度升高并穩(wěn)定在預(yù)期溫度。

溫控部分。筆者選用新型模糊PID算法設(shè)計(jì)一種新型模糊自整定PID控制器。該控制器是一種非線性調(diào)節(jié)器, 在設(shè)置一組初始比例、 積分和微分參數(shù)值后, 根據(jù)其與其終值之間的誤差進(jìn)行按步疊加, 最終得到整定參數(shù), 根據(jù)該整定參數(shù)給出控制量, 再將得到的控制量輸入到執(zhí)行部件。通過(guò)該控制量對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合理控制, 當(dāng)輸入與預(yù)期存在差值時(shí), 系統(tǒng)進(jìn)行模糊PID控制, 使系統(tǒng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡并穩(wěn)定到預(yù)期溫度值。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

系統(tǒng)控制器選用ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F407芯片進(jìn)行總體控制, 該芯片具有高性能、 低成本、 低功耗的優(yōu)點(diǎn)[6]?？刂破鲌?zhí)行讀取溫度傳感器的輸入、 人機(jī)交互、 算法解算與模糊PID輸出量的PWM(Pulse Width Modulation)控制。

溫度檢測(cè)模塊中溫度傳感器選用DS18B20(TO-92), 該傳感器使用單總線通信, 由64位ROM、 靈敏的溫度傳感器、 穩(wěn)定的高速緩存器和即時(shí)的溫度報(bào)警觸發(fā)器等組成。每塊芯片有其獨(dú)特的64位序列號(hào), 存于其ROM地址的ROM中。主機(jī)在進(jìn)入相應(yīng)的操作程序之前, 用讀ROM的命令才能讀出該DS18B20的序列號(hào), 此種讀取方式保證了數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性[7,8]。DS18B20可以程序設(shè)定9～12位分辨率, 該項(xiàng)目中設(shè)置12位分辨率, 在-10 ℃～85 ℃范圍內(nèi), 該溫度傳感器精度為±0.5℃。

恒溫控制模塊中加熱模塊選用半導(dǎo)體制冷片, 該片通過(guò)改變電流方向?qū)崿F(xiàn)制冷與加熱的切換, 其溫度控制范圍為-130 ℃～90 ℃。在加熱控制部分, 當(dāng)由N型和P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成的熱電偶對(duì)中有電流通過(guò)時(shí), 兩端間就會(huì)產(chǎn)生熱量轉(zhuǎn)移, 從而產(chǎn)生溫差形成冷熱端, 當(dāng)冷熱端達(dá)到一定溫差, 這兩種熱傳遞的量相等時(shí), 就會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn), 正逆向熱傳遞相互抵消。該系統(tǒng)通過(guò)新型模糊PID參數(shù)整定后得到加熱量, 對(duì)制冷片進(jìn)行PWM電流量的輸入, 按PWM占空比進(jìn)行實(shí)時(shí)加熱[9]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 新型模糊PID控制器原理

常規(guī)PID控制使用比例(P)、 積分(I)、 微分(D)等固定參數(shù)進(jìn)行控制[8], 因?qū)嶋H系統(tǒng)均處于動(dòng)態(tài)變化, 而這組參數(shù)不能隨系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的改變而實(shí)時(shí)修正[10,11]。為此, 該系統(tǒng)引入一種新型模糊控制, 不斷對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正, 使系統(tǒng)能更好地應(yīng)對(duì)其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能[12], 圖2為新型模糊自整定PID框圖。

傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器的微分方程、 傳輸函數(shù)及其離散化如下

(1)

(2)

(3)

圖2 新型模糊自整定PID框圖Fig.2 Novel fuzzy-PID control block diagram

其中e(t)=r(t)-c(t), 即偏差值,Kp為比例增益(放大系數(shù)),Ti為積分時(shí)間常數(shù),Td為微分時(shí)間常數(shù),u0是模擬控制器的初始輸入量,u(t)是在t時(shí)刻的輸出[13,14]。

本文中的新型模糊控制在常規(guī)PID控制器基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。先設(shè)定PID控制器的初值, 然后根據(jù)模糊規(guī)則得到相應(yīng)調(diào)節(jié)值, 再將二值迭代累積即得到PID參數(shù)。

模糊規(guī)則使用誤差累積迭代的方法對(duì)出現(xiàn)的誤差進(jìn)行不斷疊加, 隨迭代次數(shù)的增多, 誤差越來(lái)越小。其模糊控制器參數(shù)迭代整定表達(dá)式如下

(4)

其中βp、βi和βd為迭代參數(shù),K(t-1)為前次參數(shù)值,K(t)為當(dāng)次參數(shù)值, ΔKp、ΔKi和ΔKd為前次和當(dāng)次參數(shù)差值。隨累積次數(shù)增多,K(t-1)逐漸趨近于K(t), 即誤差逐漸趨近于零, 系統(tǒng)達(dá)到理想控制。

(5)

由此, 得到離散系統(tǒng)的模糊PID控制器的參數(shù)和控制量方程。

3.2 新型模糊PID控制器設(shè)計(jì)

模糊控制器的輸入接口必須通過(guò)模糊化處理才可用于計(jì)算得出控制輸出。其作用是將真實(shí)的確定輸入量轉(zhuǎn)換為模糊矢量。對(duì)于一個(gè)模糊的輸入變量e, 其模糊控制的子集通?？蓜澐譃?) {負(fù)大, 負(fù)小, 零, 正小, 正大}={NB,NS,ZO,PS,PB}; 2) {負(fù)大, 負(fù)中, 負(fù)小, 零, 正小, 正中, 正大}={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}; 3) {負(fù)大, 負(fù)中, 負(fù)小, 零負(fù), 零正, 正小, 正中, 正大}={NB,NM,NS,NZ,PZ,PS,PM,PB}。

模糊規(guī)則通常由一系列關(guān)系詞組成, 如if-then、 else、 also、 end、 or等。模糊關(guān)系詞需經(jīng)過(guò)“翻譯”處理, 而后將模糊規(guī)則數(shù)值化, 常用的關(guān)系詞有if-then、 also。本系統(tǒng)的模糊控制算法的輸入變量為誤差和誤差變化, 其對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言變量定義為誤差E和誤差變化CEC, 其基本結(jié)構(gòu)歸納為If A and B then C[15]。Kp的控制規(guī)則如表1所示,Ki控制規(guī)則如表2所示。

表1 Kp控制規(guī)律表

表2 Ki控制規(guī)律表

3.3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

圖3 系統(tǒng)流程圖Fig.3 Software flow chart

系統(tǒng)上電復(fù)位后, 各模塊首先進(jìn)行初始化。而后, 測(cè)溫模塊開啟執(zhí)行溫度監(jiān)測(cè), 人機(jī)交互模塊跟隨執(zhí)行并將結(jié)果顯示在液晶屏上。當(dāng)出現(xiàn)預(yù)期恒溫溫度與實(shí)際溫度不符, 進(jìn)入模糊控制模塊, 執(zhí)行本系統(tǒng)新型模糊PID控制函數(shù), 該函數(shù)基于模糊PID控制, 引入迭代方法, 確定最終參數(shù)值。系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)本控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試, 對(duì)水循環(huán)系統(tǒng)儲(chǔ)水1 000 mL, 進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn), 以12 ℃為起始水溫, 設(shè)置預(yù)期恒定溫度70 ℃, 對(duì)系統(tǒng)溫度變化情況進(jìn)行觀測(cè)。通過(guò)本系統(tǒng)中新型模糊PID算法進(jìn)行實(shí)時(shí)溫控處理, 得到的水溫變化情況如表4所示。

表4 新型模糊PID控制系統(tǒng)的溫度響應(yīng)情況

對(duì)該組測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 與常規(guī)PID控制量進(jìn)行對(duì)比, 繪制溫度響應(yīng)圖, 得到系統(tǒng)溫度隨時(shí)間變化關(guān)系見圖4a。由圖4a可見, 新型模糊PID控制的溫度響應(yīng)與PID有明顯差別： 響應(yīng)速度方面, 新型模糊PID控制的溫度響應(yīng)速度較快, 能較快達(dá)到預(yù)期溫度并快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)； 精度方面, 新型模糊PID控制的溫度響應(yīng)超調(diào)較小, 穩(wěn)定誤差較小。

將新型模糊PID控制系統(tǒng)建模, 進(jìn)行仿真, 記錄溫度響應(yīng)變化情況, 對(duì)該組數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖處理, 得到系統(tǒng)仿真響應(yīng)見圖4b。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)得到系統(tǒng)的溫度誤差為0.1 ℃, 而系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行誤差由于受傳感器精度影響, 實(shí)際測(cè)量誤差為0.5 ℃。由此可見, 該系統(tǒng)溫度響應(yīng)誤差較小, 很好地實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)控制。

a 兩種PID實(shí)測(cè)溫度響應(yīng)對(duì)比 b 新型PID控制系統(tǒng)仿真圖圖4 系統(tǒng)測(cè)試分析圖Fig.4 Analysis chart of the system

5 結(jié) 語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)的恒溫控制控制系統(tǒng), 是一種基于新型模糊PID算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面, 選用低功耗、 低成本的STM32F407芯片完成了對(duì)系統(tǒng)總體的控制, 同時(shí)給出了該設(shè)計(jì)中新型模糊PID控制算法在恒溫自動(dòng)控制的軟件實(shí)現(xiàn)流程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)檢測(cè)、 加熱與整體控制, 系統(tǒng)的理論絕對(duì)誤差為0.1 ℃, 實(shí)際測(cè)量誤差為0.5 ℃, 達(dá)到所選溫度傳感器的最高水平, 實(shí)現(xiàn)了低功耗控制, 同時(shí)達(dá)到了該系統(tǒng)的恒溫自動(dòng)、 精準(zhǔn)控制的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉凱, 初光勇, 黃海松. 基于LabVIEW的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究 [J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2017, 40(18)： 164-167.

LIU Kai, CHU Guangyong, HUANG Haisong. Design of Temperature Control System Based on LabVIEW [J]. Modern Electronics Technique, 2017, 40(18): 164-167.

[2]唐志國(guó), 文昊, 蘇中南, 等. 基于單片機(jī)和組態(tài)王的智能溫室大棚集散控制 [J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)： 信息科學(xué)版, 2017, 35(5)： 513-518.

TANG Zhiguo, WEN Hao, SU Zhongnan, et al. Intelligent Greenhouse Distributed Control System Based on Micro Control System and Kingview [J]. Journal of Jilin University： Information Science Edition, 2017, 35(5)： 513-518.

[3]徐俊芳, 趙耀華, 王皆騰, 等. 新型空氣-水雙熱源復(fù)合熱泵系統(tǒng)性能和除霜實(shí)驗(yàn) [J]. 化工學(xué)報(bào), 2017, 68(11)： 4301-4308.

XU Junfang, ZHAO Yaohua, WANG Jieteng, et al. New Air-Water Dual Heat Source Complex Heat Pump System Performance and Defrost Experiment [J]. CIESC Journal, 2017, 68(11): 4301-4308.

[4]張鵬, 馮顯英, 霍睿. 基于STM32的多功能空氣凈化器控制系統(tǒng)開發(fā) [J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2017, 43(3)： 80-83.

ZHANG Peng, FENG Xianying, HUO Rui. Study of the Control System of Multi-Functional Air Purifier Based on STM32 [J]. Application of Electronic Technique, 2017, 43(3)： 80-83.

[5]袁鑫, 薛霖霖, 鄭都民, 等. 基于雙PID控制的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J]. 電子器件, 2016, 39(5)： 1135-1139.

YUAN Xin, XUE Linlin, ZHEN Dumin, et al. Design and Implementation of Temperature Control System Based on Double PID Control [J]. Chinese Journal of Electron Devices, 2016, 39(5): 1135-1139.

[6]原群盛, 錢松榮. 基于STM32動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J]. 液晶與顯示, 2016, 31(7)： 680-685.

YUAN Qunsheng, QIAN Songrong. Design of Dynamic Monitoring System Based on STM32 [J]. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays, 2016, 31(7): 680-685.

[7]湯鍇杰, 栗燦, 王迪, 等. 基于DS18B20的數(shù)字式溫度采集報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2014, 33(3)： 99-102.

TANG Kaijie, LI Can, WANG Di, et al. Design of Digital Temperature Collection and Alarm System Based on DS18B20 [J]. Transducer and Microsystem Technologies, 2014, 33(3): 99-102.

[8]汪銘東, 梅廣輝. 基于單片機(jī)與DS18B20的機(jī)柜溫度控制器設(shè)計(jì) [J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2014, 37(12)： 8-10.

WANG Mingdong, MEI Guanghui. Design of Machine Cabinet Temperature Controller Based on MCU and DS18B20 [J]. Modern Electronics Technique, 2014, 37(12): 8-10.

[9]張新寶, 王海璇, 周勝利, 等. 基于串口提高 MCU-51矩形單脈沖脈寬精度的方法 [J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào): 信息科學(xué)版, 2016, 34(4)： 496-500.

ZHANG Xinbao, WANG Haixuan, ZHOU Shengli, et al. Method Based on Serialport to Improve Pulse Width Precision of Rectangle Single Pulse in by MCU-51 Produced [J]. Journal of Jilin University： Information Science Edition, 2016, 34(4): 496-500.

[10]邱春玲, 白宇鑫, 王開, 等. 基于模糊控制的自動(dòng)泊船系統(tǒng)模型研究 [J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)： 信息科學(xué)版, 2016, 34(1)： 134-139.

QIU Chunling, BAI Yuxin, WANG Kai, et al. Study on Automatic Berthing Model Based on Fuzzy Control [J]. Journal of Jilin University： Information Science Edition, 2016, 34(1)： 134-139.

[11]陳斌, 裴忠才, 唐志勇. 液壓四足機(jī)器人的自適應(yīng)模糊PID控制 [J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 48(9)： 140-144.

CHEN Bin, PEI Zhongcai, TANG Zhiyong. Self-Tuning Fuzzy-PID Control for Hydraulic Quadruped Robot [J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2016, 48(9): 140-144.

[12]張克非, 蔣濤, 邵龍, 等. 基于新型模糊PID控制單元的LD精密溫控研究 [J]. 光學(xué)精密工程, 2017, 25(3)： 648-655.

ZHANG Kefei, JIANG Tao, SHAO Long, et al. Research on Precision Temperature Control of Laser Diode Based on The Novel Fuzzy-Pid Control Unit [J]. Optics and Precision Engineering, 2017, 25(3): 648-655.

[13]呂紅麗, 段培永, 崔玉珍, 等. 新型模糊PID 控制及在HVAC系統(tǒng)的應(yīng)用 [J]. 控制理論與應(yīng)用, 2009, 26(11)： 1277-1281.

LU Hongli, DUAN Peiyong, CUI Yuzhen, et al. Novel Fuzzy PID Control and Application to HVAC Systems [J]. Control Theory and Application, 2009, 26(11): 1277-1281.

[14]江虹, 李連峰, 王奉宇. 模糊自整定PI控制的EPS研究與設(shè)計(jì) [J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào): 信息科學(xué)版, 2017, 35(5): 519-524.

JIANG Hong, LI Lianfeng, WANG Fengyu. Research and Design of EPS Controlled by Self-Tuning Fuzzy-PI [J]. Journal of Jilin University: Information Science Edition, 2017, 35(5): 519-524.

[15]楊航, 劉凌, 閻治安, 等. 雙閉環(huán)Buck變換器系統(tǒng)模糊PID控制 [J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 50(4)： 35-40.

YANG Hang, LIU Ling, YAN Zhi’an, et al. A Fuzzy PID Control Strategy for Buck Converter System of Double Closed Loop Circuits [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2016, 50(4): 35-40.