楊振元+關(guān)艷翠+趙碩偉

摘 要：為進(jìn)一步提高工業(yè)生產(chǎn)過程中的溫度控制精度，本文以工業(yè)電阻爐的溫度控制器設(shè)計(jì)作為主要月那就內(nèi)容，通過對(duì)系統(tǒng)的模糊化原理進(jìn)行闡述和分析，進(jìn)而對(duì)基于AT89C52單片機(jī)的溫度電阻爐的模糊控制規(guī)則與模糊PID參數(shù)自整定方法展開了深入研究。

關(guān)鍵詞：AT89C52單片機(jī)；溫度控制器；模糊自整定PID

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.002

0 前言

對(duì)模糊控制進(jìn)行分析可知，其通過對(duì)人類的模糊性行為進(jìn)行模仿，并在操作人員自然語言式經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的基礎(chǔ)上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出輸出變量的控制，將其與常規(guī)PID控制進(jìn)行有積結(jié)合，并利用模糊推理判斷的相關(guān)思維，對(duì)PID參數(shù)展開在線自整定處理，對(duì)于實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程的精確控制具有重要意義。

1 系統(tǒng)控制原理

對(duì)基于自整定PID的溫控系統(tǒng)原理進(jìn)行如下分析：在一般PID算法的支持下，計(jì)算出既有系統(tǒng)的偏差與偏差變化率，分別以e和ec予以表示，根據(jù)模糊個(gè)則，展開e和ec的模糊推理，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類參數(shù)（主要包括KP、KI和KD，均為輸出語言變量）的在線自整定。相關(guān)步驟為：將語言變量選定為e和ec，并定義以下幾種模糊狀態(tài)，分別為負(fù)強(qiáng)、負(fù)中、負(fù)弱、零、正弱、正中、正強(qiáng)，并分別以NB、NM、NS、Z、PS、PM和PB予以表示，并設(shè)定各模糊狀態(tài)下組成的論域以{-1，-2，-3，0，1，2，3}表示，以正弱、正中、正強(qiáng)表示KP、KI和KD三個(gè)模糊狀態(tài)，相應(yīng)地，其所對(duì)應(yīng)的論域則表示為{1，2，3}[1]。

自整定PID參數(shù)的控制規(guī)則如下：（1）系統(tǒng)溫升過慢或溫差變化較小，則增加KP；（2）若系統(tǒng)溫升較快且難以達(dá)到穩(wěn)定值，則增加KI；（3）若當(dāng)溫度值相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，系統(tǒng)溫度輸出存在波動(dòng)，則應(yīng)增加KD；（4）若控制器輸出對(duì)干擾信號(hào)的反應(yīng)具有較強(qiáng)的敏感性，則應(yīng)適當(dāng)減小KD。根據(jù)這一規(guī)則進(jìn)行相應(yīng)的操作，具體操作方法為，在不同e、ec情況下，歸納論域?yàn)閧1，2，3}的三個(gè)輸出變量的自整定要求，并以一具體采樣時(shí)刻對(duì)應(yīng)的偏差及其變化率計(jì)算三個(gè)輸出變量，具體計(jì)算形式分別如式1、式2和式3所示。

2 模糊自整定PID控制器硬件設(shè)計(jì)

硬件結(jié)構(gòu)以AT89C52作為主要控制器件，對(duì)AT89C52單片機(jī)進(jìn)行分析可知，其主要是由256B的RAM與一支持反復(fù)擦寫的8kb只讀存儲(chǔ)器構(gòu)成，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)8K字節(jié)閃爍且可編程和可擦出的只讀存儲(chǔ)器向外延伸的具有較低電壓和較高電能的CMOS8位處理器，對(duì)于單片機(jī)本身而言，其通過應(yīng)用ATMEL的高密度非易失現(xiàn)代存儲(chǔ)器生產(chǎn)技術(shù)，在兼容MC-51這一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，也能夠?qū)ο嚓P(guān)指令集予以兼容[2]。筆者所設(shè)計(jì)的溫度控制器擴(kuò)展8kb數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使其隨機(jī)存取器的容量達(dá)到264B，在并行接口電路8155A芯片的支持下將顯示電路、AD數(shù)模轉(zhuǎn)換器和鍵盤予以擴(kuò)展，在進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后，實(shí)現(xiàn)R-232C標(biāo)準(zhǔn)接口通信電路的工作。在控制器方面，其具體工作過程為：?jiǎn)纹瑱C(jī)對(duì)由溫度傳感器傳出的電壓信號(hào)進(jìn)行采集，通過對(duì)數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)行調(diào)用進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將當(dāng)前溫度值予以顯示，并將這一數(shù)值傳至上位機(jī)，對(duì)于采樣值而言，其則在單片機(jī)模糊推理獲得具體控制值后，由單片機(jī)將具體的溫度控制信號(hào)發(fā)送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

3 基于自整定PID的溫度控制器軟件設(shè)計(jì)

首先，給出系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)方法，其主要由三種中斷組成，即串行通信中斷、溫度傳感器采樣溫度信號(hào)中斷和初始溫度終端服務(wù)程序，每次在計(jì)算機(jī)完成溫度采集后，則會(huì)發(fā)出相應(yīng)的穿串行通信信號(hào)的請(qǐng)求，并將所采集的溫度信號(hào)傳送到和系統(tǒng)相連的上位機(jī)中予以顯示。

其次，是對(duì)定時(shí)器中斷服務(wù)子程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)置定時(shí)器的采樣周期，在此過程中，考慮到電阻爐自身是純滯后的延時(shí)系統(tǒng)，因此，為進(jìn)一步提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，經(jīng)考慮后，以8s作為單片機(jī)采樣的具體時(shí)間間隔，而在抵達(dá)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間后，則會(huì)由定時(shí)器將中斷請(qǐng)求信號(hào)傳至單片機(jī)中，單片機(jī)在接收到這一信號(hào)后，便會(huì)進(jìn)入執(zhí)行采樣的終端程序。最后，是對(duì)模糊推理子程序的設(shè)計(jì)?？刂破饕噪p輸入、單輸出控制器為主，溫度控制計(jì)算的具體步驟為：首先，對(duì)誤差及其變化率的論域以及相關(guān)控制量的論域予以控制，并劃分具體論域的實(shí)際變化范圍，對(duì)于具有較高控制精度要求的PID溫度控制器，可將相應(yīng)的變化范圍劃分為7檔，并確保各檔同其所在論域中的某一元素相對(duì)應(yīng)，至此，PID溫控系統(tǒng)當(dāng)中的實(shí)際測(cè)量參數(shù)則可被量化成論域所包含的元素[3]。其次，系統(tǒng)以離線計(jì)算的方式生成模糊控制表，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，單片機(jī)主程序中斷，而相應(yīng)的查表子程序則被執(zhí)行，進(jìn)而獲得最終控制量。

4 結(jié)論

本文通過基于模糊自整定PID控制器的控制原理進(jìn)行闡述和分析，進(jìn)而對(duì)以AT89C52單片機(jī)為主的模糊自整定PID控制器的硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)基于自整定PID溫度控制器的軟件部分展開了詳細(xì)地設(shè)計(jì)和分析。研究結(jié)果表明，模糊自整定PID溫度控制器通過將模糊控制規(guī)則與PID控制進(jìn)行結(jié)合，能夠有效提高溫度控制器的控制精度。未來，還需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)自整定PID溫度控制器的設(shè)計(jì)與研究，為提高工業(yè)生產(chǎn)過程中溫度控制的穩(wěn)定性和精度奠定良好基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李巖，唐重和，劉克平.基于ARM9Linux系統(tǒng)的模糊自整定PID溫度控制器的設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，03（14）：252-257.

[2]王偉.熱處理爐模糊自整定PID溫度控制器的設(shè)計(jì)及其仿真[J].常熟高專學(xué)報(bào)，2013，06（08）：47-49.

[3]牟贇，侯力，王炳炎等.基于Matlab的2種Fuzzy-PID控制器的設(shè)計(jì)與仿真[J].機(jī)械與電子，2013，01（19）：70-72.