基于模糊PID的無線智能溫控系統設計

劉洲洲，關德君

(1.西安航空學院電氣工程系，西安 710077;2.沈陽廣播電視大學，沈陽 110003)

1 引言

電阻爐是一種延時慣性系統，包括門開關、加熱材料、環境溫度，以及電網電壓等參量，爐控制系統主要建立在該模型基礎上，在控制過程中，很難確保加熱工藝的要求。因此，引入模糊控制、模糊PID 算法，使用CC1110 微處理器可以解決上述缺乏電阻爐溫度控制問題從而實現高精度控制［1］。

2 硬件系統智能電阻爐溫度控制

智能溫度控制系統使用CC1110 處理器外圍接口電路控制介質溫度，它可以快速和輕松地調整和控制其溫度。系統包括功率控制算法，溫度檢測、鍵盤輸入、溫度顯示，主機通信、數字輸出控制等幾個主要組件。如圖1 所示。

圖1 系統原理框圖

(1)電源部分使用一個變壓器將交流220V 電壓變為7.5V，重用的整流橋整流直流電壓+5V 供單片機和系統使用;

(2)主要部分包括CC1110 芯片，一個2kBFlash可編程和只讀存儲器(E2PROM)、低電壓、高性能的8 位無線微控制器;

(3)溫度檢測是通過一個DS18B20 無線數字溫度傳感器，測量溫度范圍為－55°－125°。大大提高了該系統的抗干擾能力;

(4)與三個鍵，鍵盤的部分操作，實現一鍵設定溫度和實際溫度開關，其他兩個鍵來實現給定溫度增加或減少設置值。開機后顯示當前的溫度，按下開關按鈕來設置溫度，按下切換鍵回到當前的溫度顯示;

(5)顯示處理器74HC164 將一個輸入為8 位的值并行輸出和發送到LED 顯示屏;

(6)系統使用通訊芯片MAX232 與主機電腦相連;

(7)輸出部分采用固態繼電器MCU +5V 輸出轉換20V 交流輸出控制爐溫。

3 系統PID 模糊自調整參數設計

3.1 控制器的結構設計

PID 模糊自調整控制器的參數配置根據控制器基于e 和Δe 作為輸入，而ΔKp，ΔKi，ΔKd 作為輸出，有兩個輸入和三個輸出。根據現有的控制系統設計經驗進行設計。

(1)當|e|大，盡快消除偏差，改善響應時間，應該采取一個更大的Kp 和較小的過度上漲Kd，為了避免系統中的積分作用是有限的，通常Ki=0;

(2)當|e|中等大小，系統的響應速度超調小，金伯利進程應獲得較小。在這種情況下，Kd的價值系統獲取恰當的Kd 和Ki;

3)當|e|小，系統的響應具有良好的穩態性能、Kp 和Ki 值要大一些。為了避免差錯，Kd 值應該適當取值。

3.2 模糊化設計

電阻爐溫度控制系統將對比采樣溫度信號與系統溫度設置讓溫度錯誤參數e 輸入語言變量系統，錯誤溫度變化量Δe 輸入文字變量反應了PID 規定系統ΔKpΔKiΔKd。溫度錯誤參數e 改變了Δe 模糊集合領域的定義:E，ΔE={－3，－2，－1，0，1，2，3}。模糊子集E，ΔE={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。ΔKp，ΔKi 和ΔKd 范圍{－3，－2，－1，0，1，2，3}，模糊子集:ΔKp，ΔKi，ΔKd={NB，NM，tNS，ZO，PS，PM，PB}。e，Δe 對應的三角函數以及Kp，Ki，Kd，隸屬函數選擇三角函數的靈敏度因此每個模糊子集的隸屬情況根據模糊規則表，找出修正參數ΔKp，ΔKi，ΔKd。然后，模糊調節Kp，Ki，Kd，完成了控制器參數的在線自我調整。

3.3 系統軟件設計

模糊推理是一種不確定性推理方法，它是基于模糊邏輯推理方法中的Mamdani 方法，鮑德溫方法。由模糊推理機制控制的增量模糊控制是一個模糊子集，它不能被精確模擬或數字控制。因此，準確計算必須利用這個具有重要意義的模糊子集值作為輸出系統的控制。設計采用重心法。為便于使用和維護程序，所有程序使用模塊化，系統結構，由一個主和幾個子程序組成，如圖2 所示，每個子例程將很快返回到主程序、子程序太長這樣的問題不會發生，子程序的事件處理依賴和確定標志位完成，主程序

圖2 CC1110 進程和終端處理進程

4 仿真驗證及分析

傳統的PID 控制器為便于分析和調整模糊PID控制器性能差異而使用Matlab 仿真，仿真用模糊工具箱由一個Matlab 工具箱的Simulink 模塊來完成。盡管模擬環境不可能和現實完全相同，但是它的結果也有相當的指導意義，仿真結果表明，采用模糊PID 控制器，系統響應調速精度、穩態性能高;非調和振蕩，具有較強的魯棒性，在相同精度要求，系統過渡時間短，取得了較好的控制效果。

［1］魏巍.智能控制技術［M］.北京:機械工業出版社出版，2000(1):34－65.

［2］凱文·米激情，斯蒂芬.模糊控制［M］.北京:清華大學出版社，2001:374－378.