基于遺傳算法的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：溫度控制在現(xiàn)代自動(dòng)化工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)非常普遍：比如在冶金、化工、建材等各類現(xiàn)代工業(yè)中，均廣泛使用反應(yīng)爐、加熱爐等設(shè)備，這類設(shè)備在工作過程中往往需要對(duì)其溫度進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)控。常規(guī)的溫度控制算法往往是采用PID等基本過程的控制算法，但是PID往往難以達(dá)到很多場(chǎng)合對(duì)于控制速度、精度等方面的要求。嘗試使用遺傳算法來進(jìn)行溫度控制，并進(jìn)行了Multisim仿真分析。仿真結(jié)果證明新的算法，其控制效果改進(jìn)明顯。

關(guān)鍵詞：溫度控制；PID算法；遺傳算法；Multisim仿真

中圖分類號(hào)：TN91934；TP399文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004373X（2012）18001603

引言

溫度控制系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)中極為常見，一般是作為一個(gè)龐大系統(tǒng)的子系統(tǒng)而出現(xiàn)的，大多傳統(tǒng)的方法是采用PID算法[1]。但是PID算法有著明顯的弱點(diǎn)：若比例系數(shù)過小，則系統(tǒng)反應(yīng)呆滯，而比例系數(shù)增大，雖然能適當(dāng)提高系統(tǒng)靈敏度，卻同時(shí)引起系統(tǒng)衰減振蕩次數(shù)增多，延長(zhǎng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間；對(duì)于積分系數(shù)的調(diào)節(jié)，也有類似的問題，因?yàn)榉e分的意義主要是克服靜態(tài)誤差，可積分作用的加入同時(shí)會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變壞；盡管可以利用微分的作用，來適當(dāng)改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，可是在特定情況下，微分也可能使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變得更壞。

鑒于此，本文考慮使用遺傳算法來代替常規(guī)的PID算法，實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)控。遺傳算法，是一種基于群體策略類型的算法，它通過對(duì)較優(yōu)群體基因的共享，使得整個(gè)群體逐步向最優(yōu)的山谷（山峰）聚集。進(jìn)化策略，按照（μ，λ）的規(guī)則來看，則要求各個(gè)位置的點(diǎn)各自向多個(gè)方向搜索，并在總體結(jié)果取排名靠前的一群作為下一次的起始搜索點(diǎn)。那么在比較的過程中，全局的信息起到了甄別位置優(yōu)劣的作用[23]。

1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中的熱電偶感知烘烤爐的溫度并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)過濾波、整形放大，再由CD4050進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，才可交給A/D轉(zhuǎn)換器處理。A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)果作為CPLD的輸入信號(hào)，也是遺傳算法的輸入?yún)?shù)，為了提高整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理速度，將整個(gè)遺傳算法交給CPLD來實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)則根據(jù)CPLD的處理結(jié)果，實(shí)時(shí)更新PWM波形的占空比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電爐絲實(shí)時(shí)加熱功率的調(diào)節(jié)和控制[4]。

需要強(qiáng)調(diào)的是，CPLD不僅僅是遺傳算法的實(shí)現(xiàn)器件，還是A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)之間的連接接口器件。為了清晰起見，CPLD、單片機(jī)以及A/D轉(zhuǎn)換器三者之間的連接關(guān)系如圖2所示[5]。