基于模糊PID的溫度控制系統(tǒng)設計分析*

新疆石河子職業(yè)技術學院 新疆 石河子 832000

隨著工業(yè)化進程的發(fā)展，溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的應用越來越廣泛。其結(jié)構(gòu)也隨著功能需求的增加，越來越復雜。常見的工業(yè)溫度控制系統(tǒng)普遍存在非線性、慢時變和純滯后等顯著特征[1]。常見PID控制的參數(shù)往往具有可變性、整定性差、關聯(lián)性、不確定性、對運行環(huán)境適應性差，導致溫度控制器效果不佳。具有參數(shù)自整定優(yōu)勢的模糊控制PID算法對這一點具有顯著的提升效果。本設計主要利用模糊邏輯算法，將溫度作為首要的調(diào)控對象，借助MATLAB中的仿真工具箱對常規(guī)PID和模糊PID曲線進行對比分析，結(jié)合結(jié)果，針對常見問題提出改進方案，對溫度控制系統(tǒng)進行改進設計。

1 PlD控制算法概述

1.1 常規(guī)PID控制原理

PID控制器較為簡單，其工作原理是一種線性控制方式，根據(jù)系數(shù)變動而發(fā)生變化。通過控制器發(fā)生比例作用（P）、微分作用（I）、積分作用（D），將3項結(jié)果相加，就可得到控制器輸出參數(shù)。3個參數(shù)各司其職，比例部分可以消除微差，微分部分可幫助減少靜態(tài)誤差，積分部分可幫助縮短調(diào)節(jié)時間[2]。這3個變量如能完美搭配，可呈現(xiàn)出極好的控制效果，使溫度控制系統(tǒng)運行快捷、功能穩(wěn)定，準確地將對象的溫度調(diào)整到理想狀態(tài)，實現(xiàn)溫度控制目標。

1.2 常規(guī)PID控制器缺陷

然而常規(guī)的PID控制器具有的滯后性、時變性使得參數(shù)不穩(wěn)定，無法在規(guī)定時間內(nèi)獲取一個穩(wěn)定的值，相應的各項參數(shù)誤差過大，無法達到目標控制效果，嚴重地甚至會引發(fā)設備故障，影響產(chǎn)品質(zhì)量和項目進度，造成生產(chǎn)損失?；诖耍：刂扑惴☉\而生。

1.3 模糊PID

（1）模糊控制的原理。模糊控制的原理是結(jié)合基于模糊控制算法的PID參數(shù)整定與模糊理論，利用PID的3個參數(shù)對其加以整定，進而構(gòu)建一個功能完善、參數(shù)變化相對穩(wěn)定的PID控制器。模糊控制算法是將模糊化的控制規(guī)則存儲在系統(tǒng)的控制設備中，這些控制規(guī)則主要是熟練技術人員的實踐操作經(jīng)驗和一些專家提出的設計理念，可視為一種規(guī)則庫。當使用模糊控制器時，系統(tǒng)會將傳感器回傳的監(jiān)測信號進行模糊化分析，并在規(guī)則庫中進行實時對比分析，匹配后得出最終的輸出信號。這一控制器主要由模糊集理論、模糊語言的變量和模糊控制算法的識別與邏輯推理3個模塊構(gòu)成。

（2）模糊自適應原理。一般來說，模糊自適應PID是通過模糊推理誤差和誤差變化率，并將推理結(jié)果與模糊規(guī)則庫中的數(shù)據(jù)和規(guī)則進行對比分析，進而進行參數(shù)的整定。這一環(huán)節(jié)主要是根據(jù)傳感器信號經(jīng)過不斷的修正過程，最終確定3個修正后的參數(shù)數(shù)值，使得輸出的信號更精準，最后達到的控制效果才能滿足預期。

2 模糊PlD在溫度控制器中的具體應用

溫度控制系統(tǒng)是應用PID控制器為控制核心最常見的一種設備。對溫度的控制實際是將溫度數(shù)值作為調(diào)控目標。目前，常見的應用是模糊自整定參數(shù)調(diào)整。

常見的溫度控制系統(tǒng)由溫度采樣結(jié)構(gòu)、反饋電路、半導體制冷器、驅(qū)動電路以及保護電路組合而成[3]，多采用單閉環(huán)形式。工作流程如下：

2.1 溫度采集與調(diào)控過程

首先，設定一個初始值，啟動設備后，溫度采樣設備會通過反饋電路向控制器傳輸一個信號值。其次，反饋的設置和初始設定值基于PID運算后會獲得一個溫度輸出控制值，這一數(shù)值經(jīng)過驅(qū)動電路會獲得一個控制電壓，也稱控制信號，其會直接被傳送至半導體制冷器。最后，被用于控制該設備的工作狀態(tài)和功率值，進而精確調(diào)控溫度系統(tǒng)的輸出值，數(shù)值波動較小，誤差相對常規(guī)PID控制器要小得多，達到的溫度值更為理想。

2.2 水溫控制系統(tǒng)應用PID控制器的調(diào)控原理

以本設計提出的水溫控制器為例。分兩種情況進行解析：第一，當水溫控制設備開始運行，傳感器（溫度采樣結(jié)構(gòu)）信號會先傳輸?shù)侥：齈ID控制器中，當前溫度如果低于設定值，反饋電路會通過固態(tài)繼電器打開加熱開關，對水進行加熱，然后將水輸送至水箱，水流經(jīng)內(nèi)置的溫度傳感器，會傳遞一個溫度信號給模糊控制器。并且這一溫度信號穩(wěn)定，可使實際溫度與目標溫度長時間一致，極大地方便了生產(chǎn)和生活。第二，當水溫高于設定值，信號會分為兩組，第一組會通過仿真信號模擬控制器作用于角度控制器，使制冷模塊的輸出功率得以控制，第二組溫度信號會進入可編程邏輯控制器，基于PLC綜合判斷結(jié)果來決定輸出方式。一般可分為單路和雙路輸出。雙路輸出的制冷效果會比單路輸出的效果更好，具體要根據(jù)設定的目標溫度數(shù)值確定。在線PID的參數(shù)自整定可滿足控制溫度快、數(shù)值精準、調(diào)節(jié)時間短等要求。

3 結(jié)束語

本文提出的基于模糊PID的溫度控制系統(tǒng)，實際也是一種基于繼電器反饋的參數(shù)自整定PID控制系統(tǒng)，其能實現(xiàn)在線自適應調(diào)整輸出參數(shù)，用于工業(yè)溫度控制系統(tǒng)的控溫效果顯著。隨著科技發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了基于人工智能、遺傳理論的更深層次的復合模糊控制算法，這些技術必將為PID的長遠發(fā)展添加助力。