在線自整定模糊PID溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

應(yīng)杰

摘要： 基于溫度控制，其是一個(gè)包含時(shí)滯性、非線性的負(fù)載系統(tǒng)。傳統(tǒng)方法對(duì)其進(jìn)行控制效果不能很好地達(dá)到要求。因此，本研究設(shè)計(jì)一種通過使用模糊自整定控制的方法進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度進(jìn)行控制的系統(tǒng)，并且可依據(jù)溫度差異和變化率及時(shí)整定控制器的系數(shù)。系統(tǒng)以分布式控制系統(tǒng)（簡稱DCS系統(tǒng)，本文采用重慶川儀自動(dòng)化股份公司PAS300分布式控制系統(tǒng)）為控制主體，利用溫度傳感器對(duì)溫度進(jìn)行收集，通過控制電加熱爐加熱時(shí)的功率或者蒸汽管道的流量從而控制溫度。并在環(huán)境下，搭建模糊自整定控制器仿真模型，依據(jù)該仿真發(fā)現(xiàn)此方法比傳統(tǒng)的控制方法具有更好的穩(wěn)健性，能完成較好的溫度管控。

關(guān)鍵詞：在線自整定;模糊溫度控制; 分布式控制系統(tǒng)

隨著科學(xué)技術(shù)及工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，溫度控制成為了工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的主要組成部分。在目前來說，我國工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度較低，特別是溫度控制PID的自控率較低，所以每一個(gè)步驟基本上都是通過人工進(jìn)行的。由于人工的效率低，準(zhǔn)確度不高進(jìn)而影響到工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和品質(zhì)。如今，分布式控制系統(tǒng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，為人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活帶來了方便。本研究將分布式控制系統(tǒng)應(yīng)用到溫度控制，對(duì)溫度進(jìn)行智能化管控，繼而滿足產(chǎn)品對(duì)于溫度的需求，從而盡可能的提升產(chǎn)品品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益。另外，本研究還提出一種模糊自整定控制方法，利用模糊控制規(guī)則，對(duì)控制器三個(gè)參數(shù)進(jìn)行平衡，從而使其達(dá)到最佳管控狀態(tài)。

一、系統(tǒng)簡介

在工業(yè)生產(chǎn)溫度反應(yīng)工程中，必須要經(jīng)過熱源的幫助才能對(duì)反應(yīng)溫度進(jìn)行管控。一般工業(yè)生產(chǎn)情況下，使用電加熱器或者熱蒸汽作為熱源，調(diào)整電加熱器的加熱功率或者熱蒸汽流量大小對(duì)溫度進(jìn)行控制。重慶川儀自動(dòng)化股份公司PAS300分布式控制系統(tǒng)控制器DUP6310/DP6410采用英國ARM Cortex-A8 32位高速處理器為中心，通過使用溫度傳感器對(duì)實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行測(cè)量，通過溫度模塊采集，然后上傳到控制器中，與之前設(shè)定好的溫度進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，在控制器中會(huì)計(jì)算出一個(gè)控制信號(hào)，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送到溫度控制器中，進(jìn)而對(duì)電加熱爐的加熱功率進(jìn)行有效控制，從而對(duì)產(chǎn)品溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

溫度控制系統(tǒng)硬件包含了溫度采集模塊、溫度設(shè)定和顯示模塊、核心控制模塊、D/A 轉(zhuǎn)換模塊（模擬量輸出模塊）。

（一）核心控制模塊

本系統(tǒng)采用的DPU6310作為控制器，其是重慶川儀控制系統(tǒng)有限公司上海分公司所生產(chǎn)的一種低消耗、高功能的控制器，CPU采用ARM9 A8，主頻達(dá)到600MHz，內(nèi)存256MB。方便用戶使用，在控制器芯片上擁有靈活的可編程，從而讓控制器為更多的嵌入式管控應(yīng)用系統(tǒng)提供敏捷、可靠的解決方案。

（二）溫度采集模塊

本研究通過使用6110溫度模塊實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的采集，可測(cè)得溫度范圍在-200℃～800℃準(zhǔn)確度高達(dá)0.5%，滿足系統(tǒng)對(duì)于溫度的要求.信號(hào)采集如圖1。

（三）模擬量輸出模塊

溫度控制輸出模塊采用的是AO6110，模塊每通道預(yù)留2位接線端子輸出至現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，可輸出4～20mA電流信號(hào)。信號(hào)輸出如圖2。

三、控制算法設(shè)計(jì)

（一）模糊論域及隸屬度函數(shù)

對(duì)于溫度真實(shí)值與目標(biāo)值之間的誤差和誤差變化率都是模糊控制的輸入?yún)?shù)，控制器的參數(shù)的修正量為輸出參數(shù)。對(duì)于其語言變量模糊子集都選用。其中代表的是負(fù)大， 代表的是負(fù)中，代表的是負(fù)小， 代表的是零，代表的是正小，代表的是正中，代表的是正大。其次，它們的模糊論域均取為以及在模糊子集中對(duì)于隸屬度函數(shù)選擇了三角形，隸屬度函數(shù)如圖 3所示。

（二）制定控制規(guī)則

在傳統(tǒng)的控制中，比例系數(shù)作用就是加快系統(tǒng)的反應(yīng)速度，進(jìn)而提高準(zhǔn)確度;積分系數(shù)的作用是解除系統(tǒng)的平衡性誤差;微分系數(shù)的作用是優(yōu)化系統(tǒng)的靈活特性，進(jìn)而有效的控制偏差向其他方向發(fā)生變化。對(duì)于模糊控制的規(guī)則來說，其是依據(jù)產(chǎn)品的溫度要求規(guī)律以及相關(guān)人員積攢的經(jīng)驗(yàn)，加之對(duì)溫度控制進(jìn)行綜合性思考以及對(duì)不同環(huán)境因素其他方面的影響而創(chuàng)建的關(guān)系表。通過仔細(xì)的分析和研究，基于溫度控制系統(tǒng)情況下采用控制器三個(gè)參數(shù)調(diào)整量的模糊規(guī)則。

（三）輸出信息的解模糊

在溫度控制過程中，經(jīng)過對(duì)模糊邏輯進(jìn)行相關(guān)縝密的推理之后，進(jìn)而得到的三個(gè)控制參數(shù)的模糊集合，但是這三個(gè)參數(shù)不能當(dāng)作準(zhǔn)確值直接的輸出而是需要通過解模糊之后才可以。本研究在解模糊的過程中選用的是重心方法，將輸出量先進(jìn)性性細(xì)化，然后再轉(zhuǎn)化成精確量，隨后把結(jié)果放入到模糊控制查詢表中并存在控制器DPU6310中。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，需要對(duì)表格進(jìn)行查詢進(jìn)而對(duì)輸出量進(jìn)行確認(rèn)，從而避免資源浪費(fèi)，提升了整個(gè)系統(tǒng)的反應(yīng)速度。

四、算法仿真及分析

（一）仿真模型

在使用環(huán)境當(dāng)中要分別的創(chuàng)建模糊自整定控制系統(tǒng)和常規(guī)控制系統(tǒng)，然后對(duì)兩者的仿真曲線進(jìn)行相關(guān)性對(duì)比與研究，仿真模型如圖4所示。

（二）仿真結(jié)果及分析

經(jīng)過時(shí)常的仿真，得到如圖 5 所示的溫度曲線。通過圖5所示仿真曲線，得出在仿真結(jié)果條件下，模糊自整定控制器所獲得的系統(tǒng)響應(yīng)曲線在峰值時(shí)間和超調(diào)量都要比傳統(tǒng)的 控制器要好很多，說明了模糊自整定 控制器具有反應(yīng)快、性能好的優(yōu)點(diǎn)。

結(jié)論

綜上所述，本文主要是在重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司PAS300分布式控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)溫度控制部分，該系統(tǒng)具有架構(gòu)簡單、性能較高的特點(diǎn)。對(duì)于復(fù)雜的溫度控制系統(tǒng)來說，提出了模糊自整定控制算法，并在的環(huán)境中進(jìn)行模型的建立和仿真。通過結(jié)果表明，模糊自整定控制器相較于常規(guī)控制器系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性能，符合當(dāng)前對(duì)溫度控制需求，具有較強(qiáng)的可行性。

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