模糊PID算法在爐溫控制中的仿真研究

孫丹丹++叢夢(mèng)龍

摘 要 為實(shí)現(xiàn)加熱爐溫度的智能化調(diào)節(jié)，將PID算法與模糊控制相結(jié)合，構(gòu)成了模糊PID控制系統(tǒng)。采用Proteus仿真的方法代替實(shí)際的電路元件，以AT89C51單片機(jī)為微控制器，在理論層面實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的論證，避免了硬件電路連線失誤或控制參數(shù)選擇不當(dāng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，縮短了設(shè)計(jì)周期。用matlab軟件的simulink工具箱仿真了模糊PID控制的階躍響應(yīng)，根據(jù)結(jié)果對(duì)參數(shù)進(jìn)行了整定。

【關(guān)鍵詞】PID控制 模糊邏輯 Simulink 單片機(jī)

1 引言

PID算法是工業(yè)控制領(lǐng)域的經(jīng)典算法，它具有適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒特性好、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展到今天已經(jīng)被應(yīng)用于醫(yī)療、軍事、工業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域。在原有的單純PID控制的基礎(chǔ)上，逐步開(kāi)始與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯及卡爾曼濾波等信號(hào)處理方法相結(jié)合，使控制過(guò)程更加快速，結(jié)果的靜態(tài)誤差更小。在算法的設(shè)計(jì)過(guò)程中，PID參數(shù)的調(diào)整是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，合理的參數(shù)設(shè)置可以使系統(tǒng)在響應(yīng)時(shí)間、超調(diào)量及穩(wěn)態(tài)誤差三方面實(shí)現(xiàn)整體的最優(yōu)化。與之相反，當(dāng)參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)，上述三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)必然無(wú)法全部滿足要求，系統(tǒng)將無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)苯訐p毀，對(duì)財(cái)產(chǎn)和相關(guān)人員生命造成無(wú)法挽回的損失。在控制理論的教學(xué)研究中，PID算法具有理論抽象、框圖繁瑣的特點(diǎn)，難以深入理解與全面掌握。

實(shí)際的控制系統(tǒng)由硬件電路與軟件算法兩部分構(gòu)成，這兩方面相互促進(jìn)，又相互制約。若要實(shí)現(xiàn)正常的功能，二者缺一不可。然而，硬件電路中的電子元器件及整體電路的布局布線存在一定的不可預(yù)知性，控制參數(shù)的選取又大多是基于操作人員的經(jīng)驗(yàn)和傳統(tǒng)的估算方法。因此，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，我們通常無(wú)法判定問(wèn)題產(chǎn)生的原因究竟是外圍電路還是內(nèi)部算法。這時(shí)，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的優(yōu)越性便得到了體現(xiàn)。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，首先可以排除硬件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的失誤可能性，其次，在控制參數(shù)的調(diào)整中，更加方便與隨意，而不用擔(dān)心參數(shù)選取不當(dāng)對(duì)電路元件的損害。

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真軟件），從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。

綜上，將模糊邏輯與PID算法相結(jié)合，用于加熱爐的溫度控制。通過(guò)Matlab仿真選取合理的參數(shù)調(diào)整規(guī)則，得到合理的階躍響應(yīng)曲線。利用Proteus軟件自帶的電子元器件取代實(shí)際的硬件，以51單片機(jī)為核心，構(gòu)建了包括人機(jī)交互環(huán)節(jié)與溫度控制單元在內(nèi)的爐溫控制系統(tǒng)。通過(guò)仿真實(shí)現(xiàn)了加熱爐溫度的智能化控制。

2 控制原理及Simulink仿真

2.1 控制原理

作為一種典型的線性控制理論，PID算法利用控制對(duì)象的目標(biāo)值與實(shí)際采樣值構(gòu)成控制偏差，然后對(duì)控制偏差進(jìn)行比例、積分及微分的加權(quán)求和，以此為控制量，并輸出至執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)控制量對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行相關(guān)操作，使控制對(duì)象的實(shí)際值不斷逼近設(shè)定的目標(biāo)值。其S域數(shù)學(xué)模型為：

在上面的公式中KP、KI、KD分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)與微分系數(shù)。然而，這種固定參數(shù)的控制方法存在著明顯的不足：當(dāng)設(shè)置目標(biāo)值與實(shí)際采樣值相差較大時(shí)，穩(wěn)態(tài)建立過(guò)程緩慢；當(dāng)設(shè)置目標(biāo)值接近采樣值時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差較大。將模糊邏輯與PID控制結(jié)合使用，可以使上述兩方面問(wèn)題得到明顯改善。通常情況下，溫度控制的被控對(duì)象可以用二階滯后模型來(lái)等效，而加熱爐又具有較大的熱慣性，因此延遲參數(shù)應(yīng)盡量取大一些。圖1為模糊PID算法控制加熱爐溫度的原理圖。Ui代表設(shè)定的加熱爐溫度值，被控對(duì)象，即加熱爐的當(dāng)前溫度值Uo被反饋單元的電路與傳感器采樣得到反饋值Uf，二者的差值e以及差值變化量ec被送入到PID控制器的同時(shí)，還要依次經(jīng)過(guò)模糊化、模糊推理及反模糊化的處理過(guò)程，從而得到新的比例、積分與微分參數(shù)，誤差e和其變化量ec在新的P、I與D參數(shù)的作用下得到輸出量，送入執(zhí)行單元進(jìn)行相應(yīng)的加熱與制冷處理，從而改變控制對(duì)象及傳感器的溫度值，這就是模糊PID算法的基本作用原理。虛線框內(nèi)的部分，即模糊化、模糊推理及反模糊器構(gòu)成了模糊邏輯控制器。

2.2 Simulink仿真

首先對(duì)輸入量進(jìn)行模糊化處理，這里把論域從“負(fù)最大”至“正最大”分為9個(gè)區(qū)間，即{NB NS NM ZO PS PM PB}。接下來(lái)，利用誤差與誤差變化量模糊論域的乘積運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)模糊推理，得到的結(jié)果即為比例、積分和微分系數(shù)的變化量，它們各自包含了49條模糊推理規(guī)則。以Kp的變化量ΔKp為例，其變化規(guī)律如表1所示。最后，采用“質(zhì)心法”對(duì)規(guī)則進(jìn)行解模糊處理得到控制輸出。

根據(jù)以上方法，利用Simulink軟件，構(gòu)建模糊PID模型進(jìn)行仿真。首先需要確定比例、積分與微分系數(shù)的初始值。去掉圖1中的模糊邏輯控制器，保留其余部分，并將控制對(duì)象的傳遞函數(shù)設(shè)為

3 溫度控制系統(tǒng)的Proteus仿真

在Proteus環(huán)境中搭建了加熱爐溫度控制系統(tǒng)，如圖3所示。加熱爐的“T”引腳輸出的電壓正比于其溫度值，經(jīng)過(guò)16位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片LTC1864采樣后，轉(zhuǎn)為數(shù)字溫度值送入AT89C51單片機(jī)中，與設(shè)定的目標(biāo)值相比較，經(jīng)過(guò)PID算法處理輸出的數(shù)字控制量，由數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片LTC1655 轉(zhuǎn)換為模擬電壓值，送入加熱爐的控制端“VOUT”。4*4矩陣鍵盤(pán)負(fù)責(zé)輸入目標(biāo)溫度值與改變控制器的參數(shù)，LCD1602液晶顯示器負(fù)責(zé)顯示設(shè)定的溫度值與實(shí)際的溫度值，以及控制器當(dāng)前的參數(shù)。

4 結(jié)論

使用模糊PID控制技術(shù)對(duì)加熱爐的溫度調(diào)節(jié)進(jìn)行了研究。將誤差與其變化模糊化為7個(gè)論域區(qū)間，設(shè)計(jì)了49條模糊推理規(guī)則，在simulink環(huán)境中進(jìn)行了階躍響應(yīng)仿真，結(jié)果無(wú)超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)建立時(shí)間約0.3秒，上升時(shí)間小于0.18秒。用Proteus中的電子元器件代替實(shí)際電路，實(shí)現(xiàn)了硬件仿真。經(jīng)驗(yàn)證，系統(tǒng)的各功能模塊工作正常，人機(jī)交互界面友好。

參考文獻(xiàn)

[1]李江，賈建芳. 基于PID控制的電動(dòng)負(fù)載模擬器研究[J]. 電子世界，2014， 15： 48.

[2]楊雨時(shí)， 董連杰， 管琳. 基于粗糙集理論和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的糧食產(chǎn)量預(yù)測(cè)方法[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014，11： 34-37.

[3]鄭高.模糊邏輯在電梯系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)， 2014， 07： 35-36.

[4]谷豐，周楹君， 何玉慶等.非線性卡爾曼濾波方法的實(shí)驗(yàn)比較[J]. 控制與決策， 2014， 08： 1387-1393.

[5]許亞瑞，董曉芬，龐明勇.一種熱傳導(dǎo)過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真及可視化方法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2014， 05： 1064-1070.

[6]冀勇鋼，張鵬.Proteus仿真在數(shù)字電子技術(shù)中的應(yīng)用[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用， 2014（21）：72.

[7]王彩鳳，胡波，李衛(wèi)兵等. EDA技術(shù)在數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2011（01）：4-6+110.

[8]盧偉.基于51單片機(jī)的出租車計(jì)費(fèi)器設(shè)計(jì)[J].電子制作，2014（10）：3+2.

作者簡(jiǎn)介

孫丹丹（1983-），女，黑龍江省齊齊哈爾市人，碩士學(xué)位，現(xiàn)為內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與電子信息學(xué)院。助教。主要研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)集成、嵌入式儀器儀表。

叢夢(mèng)龍（1983 -），男，內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市人。博士學(xué)位，現(xiàn)為內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，講師。主要研究方向：光譜分析與檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)化控制。

作者單位

內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市 028043endprint

摘 要 為實(shí)現(xiàn)加熱爐溫度的智能化調(diào)節(jié)，將PID算法與模糊控制相結(jié)合，構(gòu)成了模糊PID控制系統(tǒng)。采用Proteus仿真的方法代替實(shí)際的電路元件，以AT89C51單片機(jī)為微控制器，在理論層面實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的論證，避免了硬件電路連線失誤或控制參數(shù)選擇不當(dāng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，縮短了設(shè)計(jì)周期。用matlab軟件的simulink工具箱仿真了模糊PID控制的階躍響應(yīng)，根據(jù)結(jié)果對(duì)參數(shù)進(jìn)行了整定。

【關(guān)鍵詞】PID控制 模糊邏輯 Simulink 單片機(jī)

1 引言

PID算法是工業(yè)控制領(lǐng)域的經(jīng)典算法，它具有適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒特性好、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展到今天已經(jīng)被應(yīng)用于醫(yī)療、軍事、工業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域。在原有的單純PID控制的基礎(chǔ)上，逐步開(kāi)始與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯及卡爾曼濾波等信號(hào)處理方法相結(jié)合，使控制過(guò)程更加快速，結(jié)果的靜態(tài)誤差更小。在算法的設(shè)計(jì)過(guò)程中，PID參數(shù)的調(diào)整是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，合理的參數(shù)設(shè)置可以使系統(tǒng)在響應(yīng)時(shí)間、超調(diào)量及穩(wěn)態(tài)誤差三方面實(shí)現(xiàn)整體的最優(yōu)化。與之相反，當(dāng)參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)，上述三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)必然無(wú)法全部滿足要求，系統(tǒng)將無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)苯訐p毀，對(duì)財(cái)產(chǎn)和相關(guān)人員生命造成無(wú)法挽回的損失。在控制理論的教學(xué)研究中，PID算法具有理論抽象、框圖繁瑣的特點(diǎn)，難以深入理解與全面掌握。

實(shí)際的控制系統(tǒng)由硬件電路與軟件算法兩部分構(gòu)成，這兩方面相互促進(jìn)，又相互制約。若要實(shí)現(xiàn)正常的功能，二者缺一不可。然而，硬件電路中的電子元器件及整體電路的布局布線存在一定的不可預(yù)知性，控制參數(shù)的選取又大多是基于操作人員的經(jīng)驗(yàn)和傳統(tǒng)的估算方法。因此，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，我們通常無(wú)法判定問(wèn)題產(chǎn)生的原因究竟是外圍電路還是內(nèi)部算法。這時(shí)，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的優(yōu)越性便得到了體現(xiàn)。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，首先可以排除硬件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的失誤可能性，其次，在控制參數(shù)的調(diào)整中，更加方便與隨意，而不用擔(dān)心參數(shù)選取不當(dāng)對(duì)電路元件的損害。

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真軟件），從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。

綜上，將模糊邏輯與PID算法相結(jié)合，用于加熱爐的溫度控制。通過(guò)Matlab仿真選取合理的參數(shù)調(diào)整規(guī)則，得到合理的階躍響應(yīng)曲線。利用Proteus軟件自帶的電子元器件取代實(shí)際的硬件，以51單片機(jī)為核心，構(gòu)建了包括人機(jī)交互環(huán)節(jié)與溫度控制單元在內(nèi)的爐溫控制系統(tǒng)。通過(guò)仿真實(shí)現(xiàn)了加熱爐溫度的智能化控制。

2 控制原理及Simulink仿真

2.1 控制原理

作為一種典型的線性控制理論，PID算法利用控制對(duì)象的目標(biāo)值與實(shí)際采樣值構(gòu)成控制偏差，然后對(duì)控制偏差進(jìn)行比例、積分及微分的加權(quán)求和，以此為控制量，并輸出至執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)控制量對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行相關(guān)操作，使控制對(duì)象的實(shí)際值不斷逼近設(shè)定的目標(biāo)值。其S域數(shù)學(xué)模型為：

在上面的公式中KP、KI、KD分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)與微分系數(shù)。然而，這種固定參數(shù)的控制方法存在著明顯的不足：當(dāng)設(shè)置目標(biāo)值與實(shí)際采樣值相差較大時(shí)，穩(wěn)態(tài)建立過(guò)程緩慢；當(dāng)設(shè)置目標(biāo)值接近采樣值時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差較大。將模糊邏輯與PID控制結(jié)合使用，可以使上述兩方面問(wèn)題得到明顯改善。通常情況下，溫度控制的被控對(duì)象可以用二階滯后模型來(lái)等效，而加熱爐又具有較大的熱慣性，因此延遲參數(shù)應(yīng)盡量取大一些。圖1為模糊PID算法控制加熱爐溫度的原理圖。Ui代表設(shè)定的加熱爐溫度值，被控對(duì)象，即加熱爐的當(dāng)前溫度值Uo被反饋單元的電路與傳感器采樣得到反饋值Uf，二者的差值e以及差值變化量ec被送入到PID控制器的同時(shí)，還要依次經(jīng)過(guò)模糊化、模糊推理及反模糊化的處理過(guò)程，從而得到新的比例、積分與微分參數(shù)，誤差e和其變化量ec在新的P、I與D參數(shù)的作用下得到輸出量，送入執(zhí)行單元進(jìn)行相應(yīng)的加熱與制冷處理，從而改變控制對(duì)象及傳感器的溫度值，這就是模糊PID算法的基本作用原理。虛線框內(nèi)的部分，即模糊化、模糊推理及反模糊器構(gòu)成了模糊邏輯控制器。

2.2 Simulink仿真

首先對(duì)輸入量進(jìn)行模糊化處理，這里把論域從“負(fù)最大”至“正最大”分為9個(gè)區(qū)間，即{NB NS NM ZO PS PM PB}。接下來(lái)，利用誤差與誤差變化量模糊論域的乘積運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)模糊推理，得到的結(jié)果即為比例、積分和微分系數(shù)的變化量，它們各自包含了49條模糊推理規(guī)則。以Kp的變化量ΔKp為例，其變化規(guī)律如表1所示。最后，采用“質(zhì)心法”對(duì)規(guī)則進(jìn)行解模糊處理得到控制輸出。

根據(jù)以上方法，利用Simulink軟件，構(gòu)建模糊PID模型進(jìn)行仿真。首先需要確定比例、積分與微分系數(shù)的初始值。去掉圖1中的模糊邏輯控制器，保留其余部分，并將控制對(duì)象的傳遞函數(shù)設(shè)為

3 溫度控制系統(tǒng)的Proteus仿真

在Proteus環(huán)境中搭建了加熱爐溫度控制系統(tǒng)，如圖3所示。加熱爐的“T”引腳輸出的電壓正比于其溫度值，經(jīng)過(guò)16位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片LTC1864采樣后，轉(zhuǎn)為數(shù)字溫度值送入AT89C51單片機(jī)中，與設(shè)定的目標(biāo)值相比較，經(jīng)過(guò)PID算法處理輸出的數(shù)字控制量，由數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片LTC1655 轉(zhuǎn)換為模擬電壓值，送入加熱爐的控制端“VOUT”。4*4矩陣鍵盤(pán)負(fù)責(zé)輸入目標(biāo)溫度值與改變控制器的參數(shù)，LCD1602液晶顯示器負(fù)責(zé)顯示設(shè)定的溫度值與實(shí)際的溫度值，以及控制器當(dāng)前的參數(shù)。

4 結(jié)論

使用模糊PID控制技術(shù)對(duì)加熱爐的溫度調(diào)節(jié)進(jìn)行了研究。將誤差與其變化模糊化為7個(gè)論域區(qū)間，設(shè)計(jì)了49條模糊推理規(guī)則，在simulink環(huán)境中進(jìn)行了階躍響應(yīng)仿真，結(jié)果無(wú)超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)建立時(shí)間約0.3秒，上升時(shí)間小于0.18秒。用Proteus中的電子元器件代替實(shí)際電路，實(shí)現(xiàn)了硬件仿真。經(jīng)驗(yàn)證，系統(tǒng)的各功能模塊工作正常，人機(jī)交互界面友好。

參考文獻(xiàn)

[1]李江，賈建芳. 基于PID控制的電動(dòng)負(fù)載模擬器研究[J]. 電子世界，2014， 15： 48.

[2]楊雨時(shí)， 董連杰， 管琳. 基于粗糙集理論和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的糧食產(chǎn)量預(yù)測(cè)方法[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014，11： 34-37.

[3]鄭高.模糊邏輯在電梯系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)， 2014， 07： 35-36.

[4]谷豐，周楹君， 何玉慶等.非線性卡爾曼濾波方法的實(shí)驗(yàn)比較[J]. 控制與決策， 2014， 08： 1387-1393.

[5]許亞瑞，董曉芬，龐明勇.一種熱傳導(dǎo)過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真及可視化方法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2014， 05： 1064-1070.

[6]冀勇鋼，張鵬.Proteus仿真在數(shù)字電子技術(shù)中的應(yīng)用[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用， 2014（21）：72.

[7]王彩鳳，胡波，李衛(wèi)兵等. EDA技術(shù)在數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2011（01）：4-6+110.

[8]盧偉.基于51單片機(jī)的出租車計(jì)費(fèi)器設(shè)計(jì)[J].電子制作，2014（10）：3+2.

作者簡(jiǎn)介

孫丹丹（1983-），女，黑龍江省齊齊哈爾市人，碩士學(xué)位，現(xiàn)為內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與電子信息學(xué)院。助教。主要研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)集成、嵌入式儀器儀表。

叢夢(mèng)龍（1983 -），男，內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市人。博士學(xué)位，現(xiàn)為內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，講師。主要研究方向：光譜分析與檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)化控制。

作者單位

內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市 028043endprint

摘 要 為實(shí)現(xiàn)加熱爐溫度的智能化調(diào)節(jié)，將PID算法與模糊控制相結(jié)合，構(gòu)成了模糊PID控制系統(tǒng)。采用Proteus仿真的方法代替實(shí)際的電路元件，以AT89C51單片機(jī)為微控制器，在理論層面實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的論證，避免了硬件電路連線失誤或控制參數(shù)選擇不當(dāng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，縮短了設(shè)計(jì)周期。用matlab軟件的simulink工具箱仿真了模糊PID控制的階躍響應(yīng)，根據(jù)結(jié)果對(duì)參數(shù)進(jìn)行了整定。

【關(guān)鍵詞】PID控制 模糊邏輯 Simulink 單片機(jī)

1 引言

PID算法是工業(yè)控制領(lǐng)域的經(jīng)典算法，它具有適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒特性好、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展到今天已經(jīng)被應(yīng)用于醫(yī)療、軍事、工業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域。在原有的單純PID控制的基礎(chǔ)上，逐步開(kāi)始與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯及卡爾曼濾波等信號(hào)處理方法相結(jié)合，使控制過(guò)程更加快速，結(jié)果的靜態(tài)誤差更小。在算法的設(shè)計(jì)過(guò)程中，PID參數(shù)的調(diào)整是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，合理的參數(shù)設(shè)置可以使系統(tǒng)在響應(yīng)時(shí)間、超調(diào)量及穩(wěn)態(tài)誤差三方面實(shí)現(xiàn)整體的最優(yōu)化。與之相反，當(dāng)參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)，上述三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)必然無(wú)法全部滿足要求，系統(tǒng)將無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)苯訐p毀，對(duì)財(cái)產(chǎn)和相關(guān)人員生命造成無(wú)法挽回的損失。在控制理論的教學(xué)研究中，PID算法具有理論抽象、框圖繁瑣的特點(diǎn)，難以深入理解與全面掌握。

實(shí)際的控制系統(tǒng)由硬件電路與軟件算法兩部分構(gòu)成，這兩方面相互促進(jìn)，又相互制約。若要實(shí)現(xiàn)正常的功能，二者缺一不可。然而，硬件電路中的電子元器件及整體電路的布局布線存在一定的不可預(yù)知性，控制參數(shù)的選取又大多是基于操作人員的經(jīng)驗(yàn)和傳統(tǒng)的估算方法。因此，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，我們通常無(wú)法判定問(wèn)題產(chǎn)生的原因究竟是外圍電路還是內(nèi)部算法。這時(shí)，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的優(yōu)越性便得到了體現(xiàn)。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，首先可以排除硬件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的失誤可能性，其次，在控制參數(shù)的調(diào)整中，更加方便與隨意，而不用擔(dān)心參數(shù)選取不當(dāng)對(duì)電路元件的損害。

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真軟件），從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。

綜上，將模糊邏輯與PID算法相結(jié)合，用于加熱爐的溫度控制。通過(guò)Matlab仿真選取合理的參數(shù)調(diào)整規(guī)則，得到合理的階躍響應(yīng)曲線。利用Proteus軟件自帶的電子元器件取代實(shí)際的硬件，以51單片機(jī)為核心，構(gòu)建了包括人機(jī)交互環(huán)節(jié)與溫度控制單元在內(nèi)的爐溫控制系統(tǒng)。通過(guò)仿真實(shí)現(xiàn)了加熱爐溫度的智能化控制。

2 控制原理及Simulink仿真

2.1 控制原理

作為一種典型的線性控制理論，PID算法利用控制對(duì)象的目標(biāo)值與實(shí)際采樣值構(gòu)成控制偏差，然后對(duì)控制偏差進(jìn)行比例、積分及微分的加權(quán)求和，以此為控制量，并輸出至執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)控制量對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行相關(guān)操作，使控制對(duì)象的實(shí)際值不斷逼近設(shè)定的目標(biāo)值。其S域數(shù)學(xué)模型為：

在上面的公式中KP、KI、KD分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)與微分系數(shù)。然而，這種固定參數(shù)的控制方法存在著明顯的不足：當(dāng)設(shè)置目標(biāo)值與實(shí)際采樣值相差較大時(shí)，穩(wěn)態(tài)建立過(guò)程緩慢；當(dāng)設(shè)置目標(biāo)值接近采樣值時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差較大。將模糊邏輯與PID控制結(jié)合使用，可以使上述兩方面問(wèn)題得到明顯改善。通常情況下，溫度控制的被控對(duì)象可以用二階滯后模型來(lái)等效，而加熱爐又具有較大的熱慣性，因此延遲參數(shù)應(yīng)盡量取大一些。圖1為模糊PID算法控制加熱爐溫度的原理圖。Ui代表設(shè)定的加熱爐溫度值，被控對(duì)象，即加熱爐的當(dāng)前溫度值Uo被反饋單元的電路與傳感器采樣得到反饋值Uf，二者的差值e以及差值變化量ec被送入到PID控制器的同時(shí)，還要依次經(jīng)過(guò)模糊化、模糊推理及反模糊化的處理過(guò)程，從而得到新的比例、積分與微分參數(shù)，誤差e和其變化量ec在新的P、I與D參數(shù)的作用下得到輸出量，送入執(zhí)行單元進(jìn)行相應(yīng)的加熱與制冷處理，從而改變控制對(duì)象及傳感器的溫度值，這就是模糊PID算法的基本作用原理。虛線框內(nèi)的部分，即模糊化、模糊推理及反模糊器構(gòu)成了模糊邏輯控制器。

2.2 Simulink仿真

首先對(duì)輸入量進(jìn)行模糊化處理，這里把論域從“負(fù)最大”至“正最大”分為9個(gè)區(qū)間，即{NB NS NM ZO PS PM PB}。接下來(lái)，利用誤差與誤差變化量模糊論域的乘積運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)模糊推理，得到的結(jié)果即為比例、積分和微分系數(shù)的變化量，它們各自包含了49條模糊推理規(guī)則。以Kp的變化量ΔKp為例，其變化規(guī)律如表1所示。最后，采用“質(zhì)心法”對(duì)規(guī)則進(jìn)行解模糊處理得到控制輸出。

根據(jù)以上方法，利用Simulink軟件，構(gòu)建模糊PID模型進(jìn)行仿真。首先需要確定比例、積分與微分系數(shù)的初始值。去掉圖1中的模糊邏輯控制器，保留其余部分，并將控制對(duì)象的傳遞函數(shù)設(shè)為

3 溫度控制系統(tǒng)的Proteus仿真

在Proteus環(huán)境中搭建了加熱爐溫度控制系統(tǒng)，如圖3所示。加熱爐的“T”引腳輸出的電壓正比于其溫度值，經(jīng)過(guò)16位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片LTC1864采樣后，轉(zhuǎn)為數(shù)字溫度值送入AT89C51單片機(jī)中，與設(shè)定的目標(biāo)值相比較，經(jīng)過(guò)PID算法處理輸出的數(shù)字控制量，由數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片LTC1655 轉(zhuǎn)換為模擬電壓值，送入加熱爐的控制端“VOUT”。4*4矩陣鍵盤(pán)負(fù)責(zé)輸入目標(biāo)溫度值與改變控制器的參數(shù)，LCD1602液晶顯示器負(fù)責(zé)顯示設(shè)定的溫度值與實(shí)際的溫度值，以及控制器當(dāng)前的參數(shù)。

4 結(jié)論

使用模糊PID控制技術(shù)對(duì)加熱爐的溫度調(diào)節(jié)進(jìn)行了研究。將誤差與其變化模糊化為7個(gè)論域區(qū)間，設(shè)計(jì)了49條模糊推理規(guī)則，在simulink環(huán)境中進(jìn)行了階躍響應(yīng)仿真，結(jié)果無(wú)超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)建立時(shí)間約0.3秒，上升時(shí)間小于0.18秒。用Proteus中的電子元器件代替實(shí)際電路，實(shí)現(xiàn)了硬件仿真。經(jīng)驗(yàn)證，系統(tǒng)的各功能模塊工作正常，人機(jī)交互界面友好。

參考文獻(xiàn)

[1]李江，賈建芳. 基于PID控制的電動(dòng)負(fù)載模擬器研究[J]. 電子世界，2014， 15： 48.

[2]楊雨時(shí)， 董連杰， 管琳. 基于粗糙集理論和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的糧食產(chǎn)量預(yù)測(cè)方法[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014，11： 34-37.

[3]鄭高.模糊邏輯在電梯系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)， 2014， 07： 35-36.

[4]谷豐，周楹君， 何玉慶等.非線性卡爾曼濾波方法的實(shí)驗(yàn)比較[J]. 控制與決策， 2014， 08： 1387-1393.

[5]許亞瑞，董曉芬，龐明勇.一種熱傳導(dǎo)過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真及可視化方法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2014， 05： 1064-1070.

[6]冀勇鋼，張鵬.Proteus仿真在數(shù)字電子技術(shù)中的應(yīng)用[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用， 2014（21）：72.

[7]王彩鳳，胡波，李衛(wèi)兵等. EDA技術(shù)在數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2011（01）：4-6+110.

[8]盧偉.基于51單片機(jī)的出租車計(jì)費(fèi)器設(shè)計(jì)[J].電子制作，2014（10）：3+2.

作者簡(jiǎn)介

孫丹丹（1983-），女，黑龍江省齊齊哈爾市人，碩士學(xué)位，現(xiàn)為內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與電子信息學(xué)院。助教。主要研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)集成、嵌入式儀器儀表。

叢夢(mèng)龍（1983 -），男，內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市人。博士學(xué)位，現(xiàn)為內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，講師。主要研究方向：光譜分析與檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)化控制。

作者單位

內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市 028043endprint