基于模糊PID的電烘箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李旻

(閩北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 南平 353011)

0 引言

溫度是工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中經(jīng)常涉及到的重要參數(shù)之一，實(shí)現(xiàn)對溫度的精確控制，對于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究具有重要的意義[1]。針對電烘箱的溫度具有非線性、大慣性、大滯后等特點(diǎn)，工業(yè)生產(chǎn)中采用的傳統(tǒng)PID控制方式精度不高，難以取得較好的控制效果。模糊PID是將模糊控制理論與PID算法相結(jié)合的一種控制理論，它具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，其構(gòu)成的PID控制器結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾性強(qiáng)，能較好地控制具有非線性、大遲滯特征的控制對象。

1 傳統(tǒng)PID控制技術(shù)

PID(proportional-integral-derivative)是一種在工業(yè)控制系統(tǒng)中常用的控制回路反饋機(jī)制(控制器)，PID控制系統(tǒng)如圖1所示。在控制過程中，PID控制器連續(xù)計(jì)算誤差值，并將其作為測量的過程變量和期望的設(shè)定值之間的差異。PID控制主要由3個(gè)部分組成[2]。

1) 比例控制(proportion controller)

比例控制能夠依據(jù)比例系數(shù)Kp影響受控系統(tǒng)的偏差信號(hào)，進(jìn)而對受控系統(tǒng)產(chǎn)生作用，使該系統(tǒng)以盡可能快的速率消除偏差，可表示為：

P=Kperror(t)

2) 積分控制(integral controller)

積分控制能夠保證在穩(wěn)態(tài)時(shí)，控制系統(tǒng)被控對象的被控量與預(yù)期值之間沒有靜態(tài)跟蹤誤差，可表示為：

3) 微分控制(derivative controller)

微分控制能夠優(yōu)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，表示為：

圖1 PID控制系統(tǒng)

PID控制技術(shù)原理簡潔，魯棒性強(qiáng)，自20世紀(jì)40年代在工業(yè)過程控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用開始，系統(tǒng)控制工程師已經(jīng)積累了大量的PID應(yīng)用相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。但是，隨著工業(yè)生產(chǎn)控制需求的不斷精益，在越來越多元復(fù)雜的控制對象面前，特別是大延時(shí)、大滯后、非線性的控制對象，常規(guī)PID控制技術(shù)越發(fā)顯得力不從心，因此，世界各國學(xué)者針對PID控制技術(shù)的改進(jìn)顯得尤為必要。

2 模糊控制技術(shù)

20世紀(jì)60年代，美國工程科學(xué)院院士L.A.Zaded教授[3]發(fā)表了一篇關(guān)于模糊集理論的論文，論文中創(chuàng)新性地引入了模糊集的概念，并給出了一種全新的針對冗雜系統(tǒng)的分析方法，該分析方法的重點(diǎn)即是為冗雜的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，同時(shí)在語言分析的基礎(chǔ)上，將其翻譯成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的算法語言，這種將語言變量代替數(shù)值變量的描述方式，成為了一種針對不確定問題的處理方法。

模糊控制技術(shù)是通過將模糊集合理論、模糊語言變量以及模糊邏輯推理進(jìn)行整合為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)智能控制[4]，模糊控制的基本原理如圖2所示，模糊控制器是整個(gè)原理圖的核心部件(虛線框表示)。

圖2 模糊控制系統(tǒng)

模糊控制作為一種語言控制，具有易控制、不依賴高精度數(shù)學(xué)模型、抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，然而也存在著模糊規(guī)則不易確定，存在穩(wěn)態(tài)誤差等弊端。

3 模糊自適應(yīng)PID控制技術(shù)

將誤差以及誤差變化率作為系統(tǒng)輸入時(shí)，模糊控制器可認(rèn)為是1個(gè)PID控制器，這一類模糊控制器雖然有著優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能，但存在一定的靜態(tài)誤差[5]。所以，本文采用將PID控制技術(shù)與模糊控制技術(shù)相結(jié)合的方式，取長補(bǔ)短，探討一種基于模糊控制和PID控制相結(jié)合的參數(shù)模糊自適應(yīng)PID控制算法，并將該理論應(yīng)用于實(shí)際，開發(fā)基于模糊PID電烘箱溫度控制系統(tǒng)。

模糊自適應(yīng)PID控制技術(shù)的核心原理是：在基于模糊推理算法的基礎(chǔ)上，通過將控制對象在控制過程中產(chǎn)生的未知條件、參數(shù)波動(dòng)、控制延時(shí)以及環(huán)境干擾等負(fù)要素進(jìn)行整合處理，從而實(shí)現(xiàn)PID控制三參數(shù)(Kp、Ki和Kd)的實(shí)時(shí)自適應(yīng)調(diào)節(jié)。從模糊自適應(yīng)PID控制技術(shù)的核心原理可以看出，該技術(shù)不僅保留了傳統(tǒng)PID控制技術(shù)控制原理簡明、易于調(diào)參、魯棒性優(yōu)良的特征，并在此基礎(chǔ)上加入了模糊推理機(jī)制，優(yōu)化了控制過程，使得系統(tǒng)控制過程更加精確靈活。

針對電烘箱溫度控制的相關(guān)特性，可采用溫度誤差和溫度誤差變化率作為系統(tǒng)輸入量，此時(shí)模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)原理示意圖如圖3所示，該原理示意圖由1個(gè)傳統(tǒng)的PID控制器和1個(gè)基于模糊推理技術(shù)的參數(shù)自調(diào)節(jié)器組成。其中，基于模糊推理技術(shù)的參數(shù)自調(diào)節(jié)器以PID控制器的3個(gè)輸出量(Kp、Ki和Kd)作為其輸入量，通過定制的系統(tǒng)模糊推理控制算法，做出控制參數(shù)的自調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)模糊自適應(yīng)PID控制技術(shù)。

圖3 模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)原理示意圖

4 基于模糊PID電烘箱溫度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體架構(gòu)

基于模糊PID電烘箱溫度控制系統(tǒng)采用集散控制系統(tǒng)，由可以直接發(fā)出操控命令的計(jì)算機(jī)(上位機(jī))和直接控制設(shè)備獲取設(shè)備狀況的計(jì)算機(jī)(下位機(jī))兩部分組成。

其中，控制系統(tǒng)的上位機(jī)遠(yuǎn)離待控制的電烘箱，通過串口通信技術(shù)與作為下位機(jī)的單片機(jī)進(jìn)行通信，從而可以實(shí)現(xiàn)對采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理以及數(shù)據(jù)分析；作為下位機(jī)的單片機(jī)則直接放置在控制現(xiàn)場，實(shí)現(xiàn)對電烘箱的有效控制，并同時(shí)完成與上位機(jī)的通訊。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)圖

4.2 系統(tǒng)下位機(jī)模糊PID控制算法

模糊PID控制算法流程圖如圖5所示。

圖5 在線模糊自適應(yīng)PID工作流程圖

系統(tǒng)下位機(jī)模糊PID控制算法的實(shí)現(xiàn)方式有很多，本文采用處理速度較為快捷且擅于處理輸入輸出為離散有限論域的查表法來實(shí)現(xiàn)。查表法的實(shí)施過程是將理論推理過程預(yù)先進(jìn)行脫線計(jì)算，從而制成參數(shù)查詢表，當(dāng)模糊推理器進(jìn)行在線運(yùn)行時(shí)，可直接通過參數(shù)查詢表獲得需要的參數(shù)數(shù)值從而提升了模糊PID控制器的運(yùn)算速率。

4.3 系統(tǒng)上位機(jī)功能模塊

模糊PID電烘箱溫度控制系統(tǒng)上位機(jī)功能模塊：

a)溫度采集及控制

1)設(shè)置溫度采集頻率和控制周期；

2)設(shè)置溫控曲線：在監(jiān)控開啟前能夠預(yù)覽、添加、刪除、編輯所需的溫控曲線，也可以在歷史數(shù)據(jù)庫中點(diǎn)選一條符合控制要求的溫控曲線；

3)實(shí)現(xiàn)電烘箱溫度自動(dòng)控制，使其跟隨設(shè)定的溫控曲線；

4)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制溫度，可在控溫過程中對溫度進(jìn)行調(diào)整。

b) 數(shù)據(jù)處理

1) 實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、記錄；

2) 實(shí)現(xiàn)對采樣數(shù)據(jù)庫信息的瀏覽、查詢和刪除；

3) 實(shí)現(xiàn)對采樣結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)處理，便于用戶分析數(shù)據(jù)。

5 系統(tǒng)調(diào)試

5.1 系統(tǒng)調(diào)試方法

本文采用實(shí)例調(diào)試方法，通過輸入一條指定的控溫曲線(該曲線起始溫度為80 ℃，經(jīng)43 min左右慢慢上升到150 ℃，保持恒溫150 ℃，35 min左右，然后慢慢下降到常溫狀態(tài))，利用基于模糊PID的電烘箱溫度控制系統(tǒng)對電烘箱進(jìn)行溫度控制，并采集溫度輸出曲線。通過對比輸入溫控曲線和溫度輸出曲線，分析基于模糊PID的電烘箱溫度控制系統(tǒng)的溫控性能。

5.2 系統(tǒng)調(diào)試分析

從圖6中可以看出，圖中綠色曲線(SV)為理想控溫曲線，藍(lán)色曲線(PV)為系統(tǒng)輸出曲線(本刊為黑白印刷，如有疑問可向作者咨詢)，系統(tǒng)最大超調(diào)量約為3%，誤差較小具有較好的跟隨性，升溫階段輸出溫度與預(yù)設(shè)溫度相差不大，恒溫階段系統(tǒng)性能良好，符合預(yù)期目標(biāo)。

圖6 控溫曲線圖

6 結(jié)語

溫度是工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中經(jīng)常涉及到的重要參數(shù)之一, 針對電烘箱的溫度具有非線性、大慣性、大滯后等特點(diǎn)，工業(yè)生產(chǎn)中采用的傳統(tǒng)PID控制方式精度不高，難以取得較好的控制效果。本文研究了模糊自適應(yīng)PID控制技術(shù)，開發(fā)基于模糊PID的電烘箱溫度控制系統(tǒng),提高電烘箱溫度的控制效率和控制精度，