徐文晴 秦嶺
【摘要】針對溫度控制系統(tǒng)的特點(diǎn)以及傳統(tǒng)PID控制器的局限性,本文設(shè)計(jì)了一種基于模糊PID自適應(yīng)控制算法的新型高精度恒溫控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ARM9微處理器為核心處理器,可以實(shí)時(shí)采集、顯示和記錄溫度值,同時(shí)通過模糊自整定PID控制策略完成對溫度的實(shí)時(shí)控制和處理,最后應(yīng)用JLINK接口電路以方便數(shù)據(jù)的下載與調(diào)試。在此基礎(chǔ)上完成了實(shí)物測試,結(jié)果表明,該系統(tǒng)控制精度較高,實(shí)時(shí)性較好,具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
【關(guān)鍵詞】恒溫控制;模糊PID;嵌入式系統(tǒng)
1.引言
溫度的測量與控制是很多生產(chǎn)過程與科學(xué)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。目前,溫度的測量技術(shù)已經(jīng)日趨成熟,但是由于溫度具有慣性、滯后、非線性等特點(diǎn),溫度控制技術(shù)還存在著比較多的問題與困難。如何提高溫度控制技術(shù)的精度和實(shí)時(shí)性,滿足不同場合的控制要求,已成為目前溫度控制研究領(lǐng)域中比較重要的課題。對測控技術(shù)的發(fā)展具有實(shí)際意義。
本文以恒溫箱為研究對象,基于模糊自整定PID控制策略。同時(shí)以ARM9為核心控制處理器,提出了一種嵌入式恒溫控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案,最后通過實(shí)物測試證明該方案是行之有效的。
2.系統(tǒng)組成及基本功能
如圖1所示,系統(tǒng)主要由控制器模塊、溫度檢測模塊、溫度控制模塊、參數(shù)輸入按鍵模塊、LCD顯示模塊以及處理器外圍電路等部分組成。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
該系統(tǒng)采用STM32F103RBT6處理器為核心處理芯片,通過溫度傳感器(DS18B20)檢測恒溫箱的實(shí)時(shí)溫度,并傳送給處理器。處理器將實(shí)時(shí)溫度值與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較,將差值經(jīng)模糊PID自適應(yīng)控制算法處理來得到控制信號及其占空比,通過PWM脈寬調(diào)制器控制晶閘管工作,從而實(shí)現(xiàn)對溫度的連續(xù)調(diào)節(jié),最終實(shí)現(xiàn)智能控制。同時(shí),還實(shí)現(xiàn)了溫度報(bào)警功能,如果超出了規(guī)定的監(jiān)控溫度范圍,則通過蜂鳴器發(fā)出警告聲。
圖2是溫度加熱控制模塊的電路圖,采用晶閘管觸發(fā)電路,主要包括驅(qū)動可控硅電路模塊(光電耦合電路)、過0檢測模塊(基于光耦實(shí)現(xiàn))、繼電器開關(guān)模塊等部分。加熱部分主要通過晶閘管T435(4A,400-800V)來控制與調(diào)節(jié)加熱膜的溫度。晶閘管的驅(qū)動電路用專用驅(qū)動芯片MOC3022,具有光耦和電氣隔離功能。
3.參數(shù)自整定模糊-PID控制器設(shè)計(jì)
PID控制器的結(jié)構(gòu)已知,通過調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)來滿足控制要求,實(shí)現(xiàn)簡單,精度較高,易于設(shè)計(jì),目前廣泛應(yīng)用于化工、機(jī)械、冶金和輕工等工業(yè)過程控制系統(tǒng)中。但是傳統(tǒng)的PID控制的參數(shù)整定多是依賴人工經(jīng)驗(yàn)和被控對象的數(shù)學(xué)模型,當(dāng)控制對象的參數(shù)發(fā)生變化后,系統(tǒng)的控制效果將會受到很大影響,需要重新對系統(tǒng)的PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,非常繁瑣。而模糊控制不依賴于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型,自適應(yīng)強(qiáng),但是模糊控制精度不高,控制效果粗糙,不能滿足恒溫控制系統(tǒng)高精度的要求。所以,將PID控制與模糊控制結(jié)合在一起,設(shè)計(jì)參數(shù)自整定模糊-PID控制器,既有了PID控制的高精度的優(yōu)點(diǎn),又有了模糊控制的自適應(yīng)強(qiáng)及控制靈活的優(yōu)點(diǎn)。
圖3 PID參數(shù)模糊自整定結(jié)構(gòu)圖
參數(shù)自整定模糊PID控制系統(tǒng)由一個(gè)常規(guī)的PID控制器和一個(gè)模糊控制器組成(如圖3所示)。其中偏差和偏差的變化率作為模糊系統(tǒng)的輸入,三個(gè)PID參數(shù)的變化值作為輸出。在控制過程中對不確定的條件、參數(shù)、延遲和干擾等因素進(jìn)行檢測分析,然后根據(jù)模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理,從而在線實(shí)現(xiàn)PID控制器參數(shù)的自整定。
根據(jù)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度、響應(yīng)速度、超調(diào)量等要求制定模糊規(guī)則表,如表1~.3所示,分別為三個(gè)參數(shù)的模糊規(guī)則表,其中字母NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB分別表示模糊輸入變量的模糊子集,即負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。
表1 的規(guī)則表
表2 的規(guī)則表
表3 的規(guī)則表
圖4 模糊PID控制程序流程圖
表4 溫控系統(tǒng)的測試結(jié)果
測試次數(shù) 設(shè)定溫度(℃) 實(shí)測溫度(℃) 誤差(℃)
1 25 25.2 0.2
2 30 30.4 0.4
3 37 37.4 0.4
4 40 40.5 0.5
5 43 43.7 0.7
6 45 45.2 0.2
7 50 50.3 0.3
8 58 58.6 0.6
9 60 60.4 0.4
10 65 65.6 0.6
根據(jù)各參數(shù)模糊控制模型和各模糊子集的隸屬度賦值表,應(yīng)用模糊推理設(shè)計(jì)PID修正參數(shù)并帶入下列式中:
(1)
(2)
(3)
其中是初始參數(shù),是經(jīng)模糊控制器運(yùn)算得到的修正參數(shù)。在整個(gè)控制過程中,測量系統(tǒng)不斷檢測系統(tǒng)的響應(yīng)輸出值,并隨時(shí)計(jì)算出偏差及偏差變化率,然后模糊化后得到,再通過查詢模糊規(guī)則表即可得到三個(gè)參數(shù)的調(diào)整量,進(jìn)而完成控制器參數(shù)的調(diào)整,具體程序流程如圖4所示。
4.實(shí)物測試結(jié)果及其分析
分別完成系統(tǒng)的硬件軟件設(shè)計(jì)后,對實(shí)物進(jìn)行測試,結(jié)果如表4所示。
由測試結(jié)果可以看出,本文設(shè)計(jì)的基于模糊PID的嵌入式恒溫控制系統(tǒng)溫度控制效果較好,實(shí)時(shí)性較優(yōu),基本能滿足控制要求。
5.結(jié)束語
本文基于ARM9微處理器設(shè)計(jì)了一種恒溫控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對溫度信號的測量、顯示、控制以及報(bào)警等。它能對溫度信號進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,控制精度較高。經(jīng)過實(shí)物仿真測試,證明該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,成本低,運(yùn)行可靠,具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
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