老化箱的模糊PlD控制

單志勇，張亞冰，田洪普（.東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海20620；2.教育部數(shù)字化紡織服裝技術(shù)工程研究中心，上海20620）

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老化箱的模糊PlD控制

單志勇1，2，張亞冰1，田洪普1
（1.東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海201620；2.教育部數(shù)字化紡織服裝技術(shù)工程研究中心，上海201620）

摘 要：對(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行老化測(cè)試時(shí)，老化測(cè)試箱的溫度控制效果至關(guān)重要。為了改善老化測(cè)試箱的溫度控制，介紹了溫度測(cè)試箱的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，隨后介紹了PID和模糊控制，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模糊PID控制的仿真。仿真系統(tǒng)采用模糊控制算法對(duì)溫度進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了很好的控制，達(dá)到了滿意的控制效果。仿真結(jié)果表明，模糊控制方法提高了控制的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和精確度，對(duì)于工程實(shí)際應(yīng)用具有較強(qiáng)的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：模糊PID；MCU；溫度控制系統(tǒng)

0　引言

在現(xiàn)代電子測(cè)試中，老化測(cè)試箱被廣泛應(yīng)用，溫度控制對(duì)電子設(shè)備的測(cè)試具有決定性影響，測(cè)試箱溫度控制系統(tǒng)具有大滯后、非線性、時(shí)變等特性。采用一般PID控制會(huì)出現(xiàn)加熱時(shí)間長(zhǎng)、超調(diào)量大等問(wèn)題。要取得好的控制效果，需要調(diào)節(jié)比例、積分、微分控制作用。模糊PID控制技術(shù)是一門(mén)非常具有潛力的控制技術(shù)，它模擬人的思維方式，能有效解決傳統(tǒng)PID控制方法無(wú)法解決的問(wèn)題，模糊PID技術(shù)已在工業(yè)控制領(lǐng)域、家電自動(dòng)化領(lǐng)域和其他領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1］。本文嘗試將模糊PID控制技術(shù)應(yīng)用在老化測(cè)試箱的溫度控制當(dāng)中。

1　老化箱的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

老化箱的溫度控制系統(tǒng)是以微處理器為核心，采用PID控制，使得溫度可以控制在測(cè)試范圍當(dāng)中，加熱絲的加熱功率為2 000 W，溫控箱的溫度范圍為0～150℃，實(shí)用的電壓為市電交流220 V。整個(gè)系統(tǒng)由4個(gè)模塊組成，如圖1所示，采用MUC控制，其內(nèi)部包括A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊、繼電器和輔助繼電器驅(qū)動(dòng)電路。老化測(cè)試箱內(nèi)部有用于溫度檢測(cè)的PT100，以及用于加熱的加熱絲。

圖1　老化箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于老化箱一般可以看作帶有純滯后環(huán)節(jié)的一階對(duì)象，其傳遞函數(shù)可以用以下公式表示：

通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)溫度的飛升曲線，可以得到老化箱的傳遞函數(shù)的參數(shù)：放大系數(shù)K=120，時(shí)間常數(shù)T=1 000，滯后時(shí)間τ=60 s。得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

2　PlD控制

由于PID控制算法具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)控制領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用［2］。尤其當(dāng)微控制器應(yīng)用在控制領(lǐng)域后，PID控制算法使用起來(lái)更加方便，實(shí)現(xiàn)了軟件的數(shù)字PID控制算法。數(shù)字PID控制器比傳統(tǒng)模擬PID控制器的控制性能更好，廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中。它是將比例、積分、微分控制并聯(lián)在一起。假定在系統(tǒng)給定與反饋出現(xiàn)偏差：

可以用如下表達(dá)式表示：

其中，u（t）為控制器的輸出，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間系數(shù)，Td為微分時(shí)間系數(shù)。

由式（3）可以得到PID控制器的傳遞函數(shù)為：

由式（4）可知：

（1）比例環(huán)節(jié)：其主要作用是放大誤差作用，當(dāng)給定和輸出出現(xiàn)偏差，控制器使偏差放大，比例系數(shù)越大，控制過(guò)程的過(guò)渡越快，但是過(guò)大的比例系數(shù)也會(huì)引起過(guò)高的超調(diào)量。

（2）積分環(huán)節(jié)：為了消除誤差，控制器必須引入積分環(huán)節(jié)，積分環(huán)節(jié)的引入，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大，它的輸出增大將進(jìn)一步減小穩(wěn)態(tài)誤差。

（3）微分環(huán)節(jié)：由于微分具備對(duì)誤差提前報(bào)告的作用，適當(dāng)?shù)奈⒎窒禂?shù)可以微分加快系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)程。

3　模糊控制

模糊邏輯控制是以集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的現(xiàn)代智能控制技術(shù)。模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般可概括為模糊化、模糊規(guī)則設(shè)計(jì)、模糊推理機(jī)設(shè)計(jì)、去模糊化［3］。早在1974年英國(guó)的MAMDANIE H首次使用模糊控制語(yǔ)句組成控制器，并且把它運(yùn)用到工業(yè)控制當(dāng)中，獲得了成功。模糊控制本質(zhì)上是非線性控制，模擬人類思維方式，將人的控制轉(zhuǎn)換成邏輯語(yǔ)句，最后轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)控制［4］。

3.1模糊化

模糊化首先把輸入的信號(hào)轉(zhuǎn)換成模糊量，方便輸入到推理機(jī)進(jìn)行處理。假定輸入的信號(hào)為，X1，e1∈［-x，+ x］，模糊論域?yàn)閁=｛-3，-2，-1，0，1，2，3｝，采用7級(jí)的模糊子集NB、NM、NS、0、PS、PM、PB，則需要量化因子：

3.2隸屬度函數(shù)

本模糊控制器采用Mamdani模糊推理方法，其推理過(guò)程包括隸屬度聚集、規(guī)則激活和輸出總和3個(gè)過(guò)程。二維輸入e與其變化率d e/d t的論域?yàn)椋?3，+3），輸出△KP、△KI、△KD的論域分別為（-0.3，+0.3）、（-0.01，+0.01）、（-3，+3），隸屬度函數(shù)μN(yùn)B（x）與μPB（x）分別采用zm f函數(shù)和sm f函數(shù)，μN(yùn)M（x）、μN(yùn)S（x）、μ0（x）、μPS（x）、μPM（x）都采用trim f函數(shù)。在設(shè)定隸屬度函數(shù)時(shí)，應(yīng)該保證重疊在0.2～0.6之間。

模糊推理規(guī)則可以用表達(dá)式概括為：IF（e=A and de/dt=B）THAN（dKp =C，dKi=D，dKd =E），其具體推理邏輯如表1～表3所示。

表1　ΔKP模糊規(guī)則表

表2　ΔKI模糊規(guī)則表

表3　ΔKD模糊規(guī)則表

通過(guò)模糊推理可以得到模糊量，然后要對(duì)其進(jìn)行去模糊化，本模糊控制器采用質(zhì)心法。

4　試驗(yàn)仿真與結(jié)論

圖2　PID控制系統(tǒng)仿真圖

采用傳統(tǒng)PID控制器搭建Simulink仿真如圖2所示，設(shè)定給定溫度為60℃，溫控箱傳遞函數(shù)拆分成一節(jié)環(huán)節(jié)Transfer Fcn和一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)Transport Delay。PID參數(shù)整定采用臨界比例帶法。當(dāng)KP=0.225時(shí)出現(xiàn)臨界震蕩，臨界比例帶δk=4.44，Tk=235 s，可得δ=1.67 δk，Ti=0.5 Tk，Td=0.125 Tk。得到KP=0.134，Ti=117.51，Td= 29.37，最后再根據(jù)控制效果進(jìn)行微調(diào)。

采用模糊PID控制器搭建Simulink仿真，如圖3所示，原來(lái)PID參數(shù)保存不變，增加Fuzzy模塊以及對(duì)應(yīng)量化因子，輸入輸出部分對(duì)其進(jìn)行限幅。

輸入給定溫度60℃，仿真時(shí)間為1 000 s，PID控制輸出曲線與模糊PID響應(yīng)曲線如圖4所示。通過(guò)仿真結(jié)果可以知道，模糊PID與PID相比，其系統(tǒng)的控制所需要的調(diào)節(jié)時(shí)間更短，超調(diào)量更小，控制效果更好。系統(tǒng)誤差最后穩(wěn)定在0℃。

圖3　模糊PID控制系統(tǒng)仿真圖

圖4　PID與模糊PID輸出曲線

5　結(jié)論

本文介紹了老化測(cè)試箱的控制系統(tǒng)及其系統(tǒng)模型，隨后描述PID和模糊PID控制。再對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的Simulink仿真，給定溫度60℃，分別采用PID與模糊PID控制，得到對(duì)應(yīng)輸出溫度曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用模糊PID控制器可以更好地滿足系統(tǒng)溫度控制的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性，在使用微機(jī)控制的場(chǎng)合，只需要優(yōu)化其PID控制算法，而不需更改本身的外圍電路，因而具有較大工程應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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［2］劉金琨.先進(jìn)PID控制的Matlab仿真（第3版）［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

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［4］李曉丹.模糊PID控制器的設(shè)計(jì)研究［D］.天津：天津大學(xué)，2005.

單志勇（1971 -），男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：電磁學(xué)。

張亞冰（1989 -），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)，嵌入式系統(tǒng)與控制。E-mail：icestone@foxmail.com。

田洪普（1991 -），男，碩士研究生，主要研究方向：電磁學(xué)。

引用格式：?jiǎn)沃居拢瑥垇啽?，田洪?老化箱的模糊PID控制［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2016，35（10）：85-87 .

Fuzzy PID control of aging test box

Shan Zhiyong1，2，Zhang Yabing1，Tian Hongpu1
（1.College of Information Science&Technology，Donghua University，Shanghai201620，China；
2.Engineering Research Center of Digitized Textile&Fashion Technology，M inistry of Education，Shanghai201620，China）

Abstract：The aging test box of the temperature control is very important for electronic products aging test.In order to improve temperature control effect，the paper describes the system structure of temperature test chamber，then introduces the PID and fuzzy controller and the system of fuzzy PID control.The simulation system uses fuzzy control algorithm in temperature control to achieve good control，achieving satisfactory control effect.The simulation results show that the fuzzy controlmethod improves the system in stability and accuracy，and the project has a strong reference value.

Key w ords：fuzzy PID；MCU；temperature control system

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：（2016-01-19）

中圖分類號(hào)：TP18

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19358 /j.issn.1674-7720.2016.09.029