第8卷第15期2008年8月
167121819(2008)1524353204
科学技术与工程
ScienceTechnologyandEngineering
Vol18No115Aug12008
Z2008Sci1Tech1Engng1
基于模糊自整定PID的单片
机温度控制系统设计
李晨明1,2谌玉红1张百海2
(总后军需装备研究所1,北京100082北京理工大学2,北京100081)
摘要介绍了温度控制系统的硬件组成、软件设计及控制算法。针对控制对象的不确定性,采用了模糊自整定PID控制算
法,实现了PID参数的在线自整定。该系统具有实时性好、控制速度快、稳定性强等优点。
关键词温度控制模糊自整定PID控制单片机
中图法分类号TP27312;文献标志码A
2008年4月23日收到国家科技支撑计划课题
(2006BAK04A09-05-03-04)资助
第一作者简介:李晨明(1982—),河北人,北京理工大学研究生,
研究方向:系统工程。E2mail:lichenming82@1631com。
在钢铁、机械、石油化工、电力、工业炉窑等工
业生产中,温度是极为普遍又极为重要的热工参数
之一。温度控制一般指对某一特定空间的温度进
行控制调节,使其达到并满足工艺过程的要求。在
本文中,主要研究对特定空间(电阻炉)的温度进行
高精度控制。
电阻炉温度控制系统,无论是启动或设定值升
降,还是各种扰动影响,我们既希望温度在上升时
间上的快速性,也希望较平稳的动态过程和精确的
稳态值,由于电阻炉的升温保温是靠电阻丝加热,
降温则是靠环境自然冷却,所以当温度一旦超调就
无法用控制手段来使其降温。这类电阻炉控制系
统具有非线性,时滞以及不确定性。单纯的依靠传
统的控制方式或现代控制方式都很难达到高质量
的控制效果。本设计引入模糊自整定PID控制方
法,研究设计了电阻炉温度测控系统。
1系统硬件结构
本温度控制系统硬件部分主要由单片机主控
模块、前向通道模块、后向通道模块、人机接口模块
等组成。其硬件总体结构框图如图1所示。
图1硬件结构图
本温度控制系统以89C52单片机为核心,外接
键盘输入、LED显示等外围电路。电阻炉的温度由
K型热电偶检测并转换成微弱的电压信号,信号放
大电路将此微弱信号进行放大并传送出去,接收端
的ICL7135将放大后的电压信号进行处理,经A/D
转换后变成数字量输入进控制器,控制器一方面将
测量的温度在LED数码管上显示出来;另一方面将
该温度值与被控制值(由键盘输入的设定温度值)
进行比较,根据其偏差值的大小采用相应的控制算
法进行运算,最后通过D/A转换电路,控制固态继
电器在控制周期内的通断占空比(即控制电阻炉平
均功率的大小),进而达到对电阻炉温度进行控制
的目的。当温度超过规定温度范围时,系统会发出
报警信号,自动报警。
2模糊自整定PID控制
常规PID控制的特点是当模型准确时系统的稳
态精度较高,甚至可以完全消除静差,但动态特性
不是很好,并且如果参数选取不当则容易造成系统
的不稳定;模糊控制的特点是系统动态特性较好,
但由于不具有积分调节作用而存在静差。针对电
阻炉模型复杂,很难获得准确数学模型的实际情
况,而模糊控制又无法满足系统精度的要求,故在
本系统中考虑采用基于模糊推理的PID参数自整定
方法进行系统控制器的设计[1—3]。
211模糊自整定PID控制器
模糊自整定PID控制器以误差信号e和误差变
化信号ec作为输入(利用模糊控制规则在线对PID
参数进行修改),以满足不同时刻的e和ec对PID
参数自整定的要求。模糊自整定PID控制器结构如
图2所示。
图2模糊自整定PID控制器结构图
模糊自整定PID控制是找出PID3个参数
Kp、Ki、Kd与e、ec之间的模糊关系,在运算中通过不
断检测e和ec,根据模糊控制原理来对3个参数进
行在线修改,以满足不同e和ec对控制参数的要
求,从而使被控对象具有良好的动、静态性能。
212输入模糊化
首先根据模糊控制控制器的输入输出变量选
取相应的语言变量。与基本论域相对应,取语言变
量E代表误差、EC代表误差变化率;ZKp、ZKi、ZKd
分别代表PID3个参数的调整量。
其次,确定模糊语言变量的论域。其中,取e的
论域为[-5,+5];ec的论域为[-5,+5];ΔKp,
ΔKi,ΔKd的论域均取为[-3,+3]。
第三,确定各语言变量在论域内的模糊集。即
确定语言变量在论域内的取值。这里,模糊变量E,
Ec,ZKp、ZKi、ZKd在论域内的模糊集均取为7个,即
PB(正大)、PM(正中)、PS(正小)、Z(零)、NS(负
小)、NM(负中)、ND(负大)。
第四,确定论域中语言变量各值所对应模糊子
集的隶属函数。输入输出隶属度函数如图3、图4
所示。
213建立模糊控制规则表
由于模糊控制器是以E和EC作为输入语言变
量,以ZKp、ZKi、ZKd作为输出语言变量,因此该模
糊控制的控制规则就是分别对参数ZKp,ZKi,ZKd
进行调整的规则(以ZKp为例)。针对电阻炉的特
性,由参数整定原则和专家的经验,可以列出响应
的参数整定规则表如表1。
表1ZKp控制规则表
EC
E
NBNMNSZPSPMPN
NBNBNBNMPMPMPBPB
NMNBNMNSPMPSPMPB
NSNMNSNSZPSPSPM
ZNSNSZZZNSNS
PSPMPSPSZNSNMNM
PMPBPMPMPMNMNMNB
PBPBPBPBPBNMNBNB
4534科学技术与工程8卷
214模糊推理与模糊决策
在输入模糊化之后,应该进行模糊推理。模糊
推理多采用“ifAandBthenC”的条件语句。若已
知输入为A和B时有输出C,则输入与输出的关系
R为:
R=(A×B)T×C
如果有新的输入A1和B1,则由下式求出输
出C1
C1=(A1×B1)T°R
对于表1中Kp的调节规则可以写成7×7=49
条模糊条件语句如下:
1)ifE=NBandEC=NBthenZKp=ZKp1=NB
2)ifE=NMandEC=NBthenZKp=ZKp2=NB
3)ifE=NSandEC=NBthenZKp=ZKp3=NM
……
49)ifE=PBandEC=PBthenZKp=ZKp49=NB
对应每一条语句,都有相应的模糊关系即R1、
R2、R3、……、R49,当给定输入E,EC后对应每一个
模糊关系都可根据模糊推理的合成运算求得相应
的控制量ZKp1、ZKp2、ZKp3、…、ZKp49,控制器的
ZKp=ZKp1∨ZKp2∨ZKp3∨…∨ZKp49=∨
49
i=1
ZKpi
由上述推理过程得出的控制器输出是一个模
糊量,它反映控制语言变量不同取值的一种组合。
即输出为ZKp论域上的模糊子集。它包含控制量
的多种信息。但是,实际系统的控制量要用具体的
数值ΔKp去修正。由模糊输出ZKp确定修正量
ΔKp的过程称为模糊判决,它完成由模糊量到精确
量的转换。通常采用加权平均法(又称重心
法),即:
ΔKp=
∑
n
j=1
μ(ZKpj)×ZKpj
ZKpj。
控制器的输出
KP=KP′+ΔKp×qp。
式中,K′P是根据临界等方法求出的PID参数初
值,qp是修正参数因子。PID控制器的其他出Ki和
Kd也可同理求得。
为了进一步验证模糊PID控制算法的合理性,
采用MATLAB软件工具进行仿真。被控系统模
型为:
Gs=119780s+1e-9S。
PID控制参数初始值就是经过修正后的KP′、
Ki′和K′d,其取值分别是217,0103和418,调整参数
qp,qi和qd取值分别为0107,01008,013,进行仿真,
得到仿真结果如图5所示。
图5系统输出响应仿真图
从系统输出响应仿真图中可以看到,与PID控
制相比,模糊自整定PID控制的上升时间略有缩短,
超调量从2%下降到015%,能够达到较为理想的控
制效果。
3软件系统设计[4]
系统软件设计采用模块化思想。根据功能将
系统软件分为3大模块。(1)温度采用模块:
ICL7135的BUSY端输出作为单片机的外部中断0
输入,根据高电平持续的时钟周期个数判断温度数
值。(2)输出控制模块:根据采样值和用户设定值,
利用模糊自整定PID算法,改变输出信号高低电平
的占空比,控制固态继电器的通断时间。(3)人机
接口模块:包括键盘处理程序、LED显示程序以及
蜂鸣器等。
系统软件主流程图如图6所示。
553415期李晨明,等:基于模糊自整定PID的单片机温度控制系统设计
图6主程序流程图
4结束语
本文介绍了基于模糊自整定PID的温度测控系
统,有效克服常规单片机PID控制系统的一些不足
之处,具有控制精度高、响应时间短、超调量小、系
统结构简单等优点。
参考文献
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出版社,1995
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4龚运新,单片机C语言开发技术1北京:清华大学出版社,2006
DesignofTemperatureControlSystemBasedonFuzzySelf2turning
PIDCombiningIntelligentControlArithmetic
LIChen2ming112,SHENYu2hong2,ZHANGBai2hai1
(BeijingInstituteofTechnology1,Beijing100081,P1R1China;
TheQuartermasterResearchInstituteoftheGeneralLogisticsDepartmentofthePLA2,Beijing100082,P1R1China)
[Abstract]Thehardware,softwareandcontrolmethodofthetemperaturecontrolsystemaredescribed1According
totheuncertaintyanddifficultytocontrolofthesystem,thecontrolmethodoffuzzyself2turningPIDcombiningintel2
ligentcontrolarithmeticisused1Thesystemhasadvantagesofreal2time,highspeed,goodstability1
[Keywords]temperaturecontrolfuzzyself2turningPIDcombiningintelligentcontrolsingle2chipmicro2
computer
6534科学技术与工程8卷
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