摘 要：小型溫控系統(tǒng)在高科技產(chǎn)品中有著廣泛的應用，PID控制算法是避免溫度控制系統(tǒng)超調(diào)的一種行之有效的算法；然而對于小型溫度系統(tǒng)，往往要求控制時間迅速，在90 s以內(nèi)要求溫度即可回歸制定區(qū)域，PID控制算法不能勝任。本文對PID控制算法進行優(yōu)化，使之能夠達到快速控制的目的。

關鍵詞：PID控制 小型溫控系統(tǒng) 模糊控制

中圖分類號：TN919 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（a）-0011-01

1 小型溫控系統(tǒng)的構(gòu)成

采用TEC制冷器作為溫度控制元件，鉑電阻作為溫度傳感器進行溫控系統(tǒng)的設計，系統(tǒng)具備體積小（58 mm×48 mm×18 mm）、質(zhì)量輕（300 g）、效率高（75%以上）的特點。系統(tǒng)組成原理框圖如圖1所示。

其中：x（t）是設定的系統(tǒng)溫度控制區(qū)間，y（t）是輸出電壓信號，e（t）是輸出產(chǎn)生的誤差信號。對于該系統(tǒng)，其PID控制方程可表示為一般形式：

y（t）=kp[e（t）+1/ti（∫e（t）dt）+tdde（t）/d（t）]

其中：

kp是調(diào)節(jié)的比例系數(shù)；

ti是調(diào)節(jié)器的積分時間；

td是調(diào)節(jié)的微分時間。

2 PID算法的優(yōu)化

小型溫控系統(tǒng)中，由于動態(tài)調(diào)節(jié)的積分時間與微分時間較長，系統(tǒng)設計要求的動態(tài)響應速度又十分迅速，所以無法實現(xiàn)真正意義上的PID控制。在PID的三個參數(shù)：比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)生成之前，引入模糊邏輯理論，對PID參數(shù)進行優(yōu)化，優(yōu)化后的PID三個參數(shù)會應外界環(huán)境變化自動調(diào)節(jié)，以保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

優(yōu)化算法中，不僅考慮偏差e（t），并且考慮偏差的變化率v（t）。將e（t）與v（t）作為輸入量，經(jīng)過多次試驗，形成kP，ki，kd的控制規(guī)則矩陣，在程序計算中的每個采樣周期采用查表法輸出kp，ki，kd的值。其數(shù)學模型如圖2所示。

系統(tǒng)應用中控制算法由軟件實現(xiàn)，首先對y（t）、e（t）、v（t）等PID參數(shù)進行數(shù)字離散化，得到y(tǒng)（n）、e（n）、v（n）等。利用迭代法將前一時刻的參數(shù)值存進數(shù)組，下一時刻的參數(shù)值與前一時刻進行比較，從而得到誤差變化率。

3 試驗結(jié)果及分析

經(jīng)過實際檢驗，利用優(yōu)化后的PID算法對系統(tǒng)進行溫度控制，當被控對象表面溫度在-55 ℃～+70 ℃之間變化時，系統(tǒng)可于100 s之內(nèi)將被控對象溫度調(diào)節(jié)至0～20 ℃區(qū)域。滿足系統(tǒng)的設計要求。

利用matlab對系統(tǒng)進行階躍響應仿真，如圖3所示。

由仿真結(jié)果可明顯看出相對于傳統(tǒng)意義上的PID調(diào)節(jié)，引入模糊控制理論優(yōu)化后的系統(tǒng)，系統(tǒng)響應迅速，不存在溫度超調(diào)現(xiàn)象。

4 結(jié)語

采用模糊控制理論對傳統(tǒng)PID控制理論進行優(yōu)化，有些列幾個優(yōu)點：（1）系統(tǒng)響應迅速，優(yōu)化后的算法超調(diào)量和調(diào)整時間均小于常規(guī)PID算法。（2）算法中的比例系數(shù)、微分系數(shù)、積分系數(shù)均動態(tài)變化，具有自適應的特性。（3）由于查表法在程序上簡單、易行，該方法可降低系統(tǒng)設計的硬件成本。

參考文獻

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