基于模糊PID的無線智能溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉洲洲，關(guān)德君

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

1 引言

電阻爐是一種延時(shí)慣性系統(tǒng)，包括門開關(guān)、加熱材料、環(huán)境溫度，以及電網(wǎng)電壓等參量，爐控制系統(tǒng)主要建立在該模型基礎(chǔ)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(shí)現(xiàn)高精度控制［1］。

2 硬件系統(tǒng)智能電阻爐溫度控制

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

圖1 系統(tǒng)原理框圖

(1)電源部分使用一個變壓器將交流220V 電壓變?yōu)?.5V，重用的整流橋整流直流電壓+5V 供單片機(jī)和系統(tǒng)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(shù)字溫度傳感器，測量溫度范圍為－55°－125°。大大提高了該系統(tǒng)的抗干擾能力;

(4)與三個鍵，鍵盤的部分操作，實(shí)現(xiàn)一鍵設(shè)定溫度和實(shí)際溫度開關(guān)，其他兩個鍵來實(shí)現(xiàn)給定溫度增加或減少設(shè)置值。開機(jī)后顯示當(dāng)前的溫度，按下開關(guān)按鈕來設(shè)置溫度，按下切換鍵回到當(dāng)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(fā)送到LED 顯示屏;

(6)系統(tǒng)使用通訊芯片MAX232 與主機(jī)電腦相連;

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

3 系統(tǒng)PID 模糊自調(diào)整參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

PID 模糊自調(diào)整控制器的參數(shù)配置根據(jù)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(jù)現(xiàn)有的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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

(2)當(dāng)|e|中等大小，系統(tǒng)的響應(yīng)速度超調(diào)小，金伯利進(jìn)程應(yīng)獲得較小。在這種情況下，Kd的價(jià)值系統(tǒng)獲取恰當(dāng)?shù)腒d 和Ki;

3)當(dāng)|e|小，系統(tǒng)的響應(yīng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能、Kp 和Ki 值要大一些。為了避免差錯，Kd 值應(yīng)該適當(dāng)取值。

3.2 模糊化設(shè)計(jì)

電阻爐溫度控制系統(tǒng)將對比采樣溫度信號與系統(tǒng)溫度設(shè)置讓溫度錯誤參數(shù)e 輸入語言變量系統(tǒng)，錯誤溫度變化量Δe 輸入文字變量反應(yīng)了PID 規(guī)定系統(tǒng)ΔKpΔKiΔKd。溫度錯誤參數(shù)e 改變了Δe 模糊集合領(lǐng)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(yīng)的三角函數(shù)以及Kp，Ki，Kd，隸屬函數(shù)選擇三角函數(shù)的靈敏度因此每個模糊子集的隸屬情況根據(jù)模糊規(guī)則表，找出修正參數(shù)ΔKp，ΔKi，ΔKd。然后，模糊調(diào)節(jié)Kp，Ki，Kd，完成了控制器參數(shù)的在線自我調(diào)整。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(jī)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(shù)字控制。因此，準(zhǔn)確計(jì)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(tǒng)的控制。設(shè)計(jì)采用重心法。為便于使用和維護(hù)程序，所有程序使用模塊化，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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(fā)生，子程序的事件處理依賴和確定標(biāo)志位完成，主程序

圖2 CC1110 進(jìn)程和終端處理進(jìn)程

4 仿真驗(yàn)證及分析

傳統(tǒng)的PID 控制器為便于分析和調(diào)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(huán)境不可能和現(xiàn)實(shí)完全相同，但是它的結(jié)果也有相當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)意義，仿真結(jié)果表明，采用模糊PID 控制器，系統(tǒng)響應(yīng)調(diào)速精度、穩(wěn)態(tài)性能高;非調(diào)和振蕩，具有較強(qiáng)的魯棒性，在相同精度要求，系統(tǒng)過渡時(shí)間短，取得了較好的控制效果。

［1］魏巍.智能控制技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)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(xué)出版社，2001:374－378.