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案例详细
标题一种新型的模糊PID温度控制器的设计
技术领域PLC&PAC
行业
简介介绍了模糊PID温度控制器的组成原理与设计方案。
内容



1  引言

    温度的测量和控制在工业生产中获得了广泛的应用，尤其在石油、化工、电力、冶金等重要工业领域中，担负着很重要的测控任务[1]。但是由于被控对象随负荷变化或受干扰因素的影响，对象特性参数或结构经常发生变化，因此需要实时改变控制策略使得控制系统的品质指标保持在最佳范围内，显然普通的PID控制难以胜任。本文采用在线实时模糊自整定PID控制策略，实现了对PID参数的最优调整。

2  温度采集与A/D转换

    温度采集与A/D转换电路如图1所示。热电偶采用镍铬－镍硅热电偶，分度号为EU，对0～1 000℃的温度为：0～41.32mV。实际系统要求测温范围为400～1 000℃，热电偶输出16.4～41.32mV，经毫伏变送器处理，输出0～10mV然后经过I/V变换电路转换出0～5V电压信号。采用8位A/D转换器MAX118使量化误差达到±2.34℃[2]。选用通道1作为模拟量输入，工作在MODE0方式。即A/D芯片的启动、转换、读数均由RD控制，INT为A/D转换结束信号，当A/D转换结束后INT变为高电平。单片机通过查询P1.2引脚状态判断A/D转换是否结束并通过P0口将转换结果读入AT89S52单片机中。



图1  温度采集与A/D转换




3  模糊PID控制方案

控制方案原理图如图2所示。



图2  模糊PID控制原理




    模糊自整定PID是在PID算法的基础上，计算当前系统误差e和误差的变化率ė并利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整[3]。模糊控制设计的核心是总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，建立合适的模糊规则表，得到针对KP、KI、KD三个参数分别整定的模糊规则表。KP、KI、KD的模糊规则表如表1、表2、表3所示。

表1  KP的模糊规则表


 

表2  KI的模糊规则表


 

表3  KD的模糊规则表


    其中，NB为负大，NM为负中，NS为负小，ZO为零，PS为正小，PM为正中，PB为正大。

    KP、KI、KD的模糊规则表建立好后，可根据如下方法进行KP、KI、KD的自适应校正，将系统误差量E和误差变化量EC变化范围定义为模糊集上的论域：E,EC=-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5。

    其模糊子集为：E,EC=NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB。设E,EC和KP、KI、KD均服从正态分布，因此可得出各模糊子集的隶属度，根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型，应用模糊合成推理设计PID参数的模糊矩阵表，查出修正参数带入下式计算[4]。

KP=KP’+{Ei,ECi}p；KI=KI’+{Ei,ECi}I；KD=KD’+{Ei,ECi}D。

至于PID的初始化参数采用Ziegler-Nichols设定方法调整。令TP=0.1TU；TI=0.5TU；TD=0.125TU。

式中TU称为临界周期，在单纯比例作用下（比例增益由小到大），使系统产生等幅振荡的比例增益，称为临界比例增益KU，这时的工作周期为临界周期TU，则KP=0.6KU；KI=0.2KP；KD=1.25KP。

在线运行过程中，AT89S52通过对模糊逻辑规则的结果处理，查表和运算，完成对PID参数的在线自校正。

4  温度控制电路和人机接口

    温度控制是通过对加热电阻丝的电源通断来实现的。本系统采用晶闸管调功方式，通过MOC3061光耦过零触发驱动器实现晶闸管过零触发。晶闸管串接在50Hz交流电源和加热丝中，只要在给定周期内改变晶闸管的接通时间，就能达到加热功率可调的目的[5]，从而实现温度调节。电路图如图3所示。单片机P1.3口输出能控制晶闸管通断时间的脉冲信号。P1.3＝1时关断晶闸管，P1.3=0时开启晶闸管。



图3  温度控制电路


    控制器人机接口由数码管和按钮组成。12只LED数码管分成两组显示温度测量值和设定值。3只按钮用于温度设定和PID参数设定。控制器的程序分初始化设置态和运行态两种模式。通过按动面板上的“SET”，“▲”，“