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基于自整定PID的温度控制器设计
时间:2017-06-18
0 前言
对模糊控制进行分析可知，其通过对人类的模糊性行为进行模仿，并在操作人员自然语言式经验总结的基础上，从而实现对输出输出变量的控制，将其与常规PID控制进行有积结合，并利用模糊推理判断的相关思维，对PID参数展开在线自整定处理，对于实现工业过程的精确控制具有重要意义。
1 系统控制原理
对基于自整定PID的温控系统原理进行如下分析：在一般PID算法的支持下，计算出既有系统的偏差与偏差变化率，分别以e和ec予以表示，根据模糊个则，展开e和ec的模糊推理，同时，实现对各类参数（主要包括KP、KI和KD，均为输出语言变量）的在线自整定。相关步骤为：将语言变量选定为e和ec，并定义以下几种模糊状态，分别为负强、负中、负弱、零、正弱、正中、正强，并分别以NB、NM、NS、Z、PS、PM和PB予以表示，并设定各模糊状态下组成的论域以{-1，-2，-3，0，1，2，3}表示，以正弱、正中、正强表示KP、KI和KD三个模糊状态，相应地，其所对应的论域则表示为{1，2，3}[1]。
自整定PID参数的控制规则如下：（1）系统温升过慢或温差变化较小，则增加KP；（2）若系统温升较快且难以达到稳定值，则增加KI；（3）若当温度值相对稳定时，系统温度输出存在波动，则应增加KD；（4）若控制器输出对干扰信号的反应具有较强的敏感性，则应适当减小KD。根据这一规则进行相应的操作，具体操作方法为，在不同e、ec情况下，归纳论域为{1，2，3}的三个输出变量的自整定要求，并以一具体采样时刻对应的偏差及其变化率计算三个输出变量，具体计算形式分别如式1、式2和式3所示。
2 模糊自整定PID控制器硬件设计
硬件结构以AT89C52作为主要控制器件，對AT89C52单片机进行分析可知，其主要是由256B的RAM与一支持反复擦写的8kb只读存储器构成，其实质是一个8K字节闪烁且可编程和可擦出的只读存储器向外延伸的具有较低电压和较高电能的CMOS8位处理器，对于单片机本身而言，其通过应用ATMEL的高密度非易失现代存储器生产技术，在兼容MC-51这一通用工业标准的同时，也能够对相关指令集予以兼容[2]。笔者所设计的温度控制器扩展8kb数据存储器使其随机存取器的容量达到264B，在并行接口电路8155A芯片的支持下将显示电路、AD数模转换器和键盘予以扩展，在进行数模转换后，实现R-232C标准接口通信电路的工作。在控制器方面，其具体工作过程为：单片机对由温度传感器传出的电压信号进行采集，通过对数据处理程序进行调用进行A/D转换，将当前温度值予以显示，并将这一数值传至上位机，对于采样值而言，其则在单片机模糊推理获得具体控制值后，由单片机将具体的温度控制信号发送至执行机构。
3 基于自整定PID的温度控制器软件设计
首先，给出系统主程序的设计方法，其主要由三种中断组成，即串行通信中断、温度传感器采样温度信号中断和初始温度终端服务程序，每次在计算机完成温度采集后，则会发出相应的穿串行通信信号的请求，并将所采集的温度信号传送到和系统相连的上位机中予以显示。
其次，是对定时器中断服务子程序进行设计，设置定时器的采样周期，在此过程中，考虑到电阻炉自身是纯滞后的延时系统，因此，为进一步提升系统稳定性，经考虑后，以8s作为单片机采样的具体时间间隔，而在抵达预先设定的时间后，则会由定时器将中断请求信号传至单片机中，单片机在接收到这一信号后，便会进入执行采样的终端程序。最后，是对模糊推理子程序的设计。控制器以双输入、单输出控制器为主，温度控制计算的具体步骤为：首先，对误差及其变化率的论域以及相关控制量的论域予以控制，并划分具体论域的实际变化范围，对于具有较高控制精度要求的PID温度控制器，可将相应的变化范围划分为7档，并确保各档同其所在论域中的某一元素相对应，至此，PID温控系统当中的实际测量参数则可被量化成论域所包含的元素[3]。其次，系统以离线计算的方式生成模糊控制表，在系统运行过程中，单片机主程序中断，而相应的查表子程序则被执行，进而获得最终控制量。
4 结论
本文通过基于模糊自整定PID控制器的控制原理进行阐述和分析，进而对以AT89C52单片机为主的模糊自整定PID控制器的硬件部分进行设计，在此基础上，对基于自整定PID温度控制器的软件部分展开了详细地设计和分析。研究结果表明，模糊自整定PID温度控制器通过将模糊控制规则与PID控制进行结合，能够有效提高温度控制器的控制精度。未来，还需进一步加强对自整定PID温度控制器的设计与研究，为提高工业生产过程中温度控制的稳定性和精度奠定良好基础。
参考文献：
[1]李岩，唐重和，刘克平.基于ARM9Linux系统的模糊自整定PID温度控制器的设计[J].长春工业大学学报（自然科学版），2013，03（14）：252-257.
[2]王伟.热处理炉模糊自整定PID温度控制器的设计及其仿真[J].常熟高专学报，2013，06（08）：47-49.
[3]牟贇，侯力，王炳炎等.基于Matlab的2种Fuzzy-PID控制器的设计与仿真[J].机械与电子，2013，01（19）：70-72.
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