基于模糊PID控制的加熱爐溫度控制系統的設計

摘 要：文章介紹了以單片機為核心，以加熱爐為控制對象的模糊PID溫度控制系統。當使用模糊控制時，雖然系統技術要求即調節時間與超調量已經滿足，但產生了系統的穩態誤差。PID控制算法被使用后，系統的技術要求即超調量與調節時間不能同時滿足。因此將具有智能性的模糊控制與具有可靠性的PID控制相互結合起來，設計了一種控制器，該控制器具有參數自整定和模糊PID的功能，在線整定了PID參數Kp、Ki和Kd。經過實驗證明，理想的控制方案就是采用參數自整定模糊PID控制。

關鍵詞：單片機；加熱爐；模糊PID控制；溫度控制

加熱爐系統具有慣性大、延遲時間長、非線性的特點，因此采用傳統的PID控制，達到的效果肯定不令人滿意。將具有智能性的模糊控制與具有可靠性的PID控制相互結合起來，設計了一種控制器，該控制器具有參數自整定和模糊PID的功能，能達到較好的效果。

1 加熱爐溫度控制系統的設計

加熱爐的溫度控制系統[2]為閉環工作狀態。本系統中智能控制器的重要部件是嵌入式控制器，控制面板和CPU處理器等部件組成了整個系統。加熱爐內的水溫、爐內水位高度的采集、數據的濾波等都是通過CPU處理器實現的，系統的一些按鍵操作和指示燈等都是通過控制面板實現的。

2 參數自整定的模糊PID控制器的設計

2.1 參數自整定模糊PID控制系統結構[3]

延遲、參數、干擾等因素的測量分析是通過智能控制器實現的，智能控制器即參數自整定模糊PID控制器，PID三個參數Kp、Ki和 Kd的整定是通過模糊推理方法在線整定的。

該系統是由常規PID控制器和具有模糊推理的參數校正部分組成。模糊系統的輸入分別是偏差的變化率EC與偏差E，模糊系統的輸出是三個PID參數的變化值，PID參數的自整定通過參數校正和在線不斷變化PID參數值來實現的。

2.2 加熱爐控制系統[5]參數自整定模糊PID控制

實現PID參數自整定首先確立模糊關系，即偏差e、三個參數、偏差變化率ec之間，程序運行中不斷的測量e和ec，3個參數的在線整定是通過模糊控制原理實現的，從而來滿足智能控制器參數的要求。

圖1 為加熱爐系統輸出響應曲線。

實現PID參數的自整定一定考慮到不同的時間三個參數的相互作用與關系。通過總結專業人員的技術知識來實現模糊控制的設計，從而才能形成模糊規則表。下面根據參數Kp、Ki和Kd對系統輸出特性的影響特性，在不同的e和ec時，被控過程對參數Kp、Ki和Kd的自整定要求為：

（1）當e較大時，即系統[6]響應處于圖1的輸出響應曲線第I段時，為了提高系統的響應速度，避免因開始時偏差e的突然變大可能引起微分過飽和，因此應取較大的Kp和較小的Kd，同時為了防止積分飽和這時應該去掉積分作用，即取Ki=0。

（2）當e和ec為中等大小時，即系統的響應處于圖1曲線第II段時，為讓系統響應的超調量減少，則Kp、Ki和Kd都不能取大，為保證系統的響應速度，就要取適中的Kp，Ki和Kd值。

（3）當e較小，即系統響應處于圖1曲線的第III段中時，為讓系統達到良好的穩定性能，應該增大Kp和Ki值，同時為防止系統在設定值左右出現振蕩，應適當地選取Kd值，即：當ec較小時，Kd可取中等大小；當ec較大時，Kd應取小些。

基本的算法如下：由E，EC及Kp，Ki和Kd的Fuzzy子集的隸屬度，再根據各Fuzzy子集的隸屬度賦值表和各參數的Fuzzy調整規則模型，運用Fuzzy合成推理設計出的PID參數Fuzzy調整矩陣表，我們將其存入程序存儲器中供查詢。

定義Kp，Ki和Kd調整算式如下：

式中，Kp，Ki和Kd是PID控制器的參數，K'p，K'i和K'd是Kp，Ki和Kd的初始參數。控制器參數的調整是通過程序運行來計算出偏差與偏差變化率，對其進行模糊化操作得到E和EC，三個參數調整是通過Fuzzy的調整矩陣實現的。

2.3 仿真結果

智能控制器通過運用二維的Mamdani控制器，運用Max-Min的模糊控制決策，運用重心法來達到去模糊的目的，運用49條的模糊控制規則，進行仿真，得到結果如下圖

圖2 模糊PID控制系統響應曲線圖

從圖上看到系統達到的指標：調節時間tss=1000秒，超調量δ%=0，穩態誤差ess=0。

由仿真曲線圖可以看到，當加熱爐溫度控制系統采用模糊PID控制時，與原來系統相比，現在的系統具有較短的調節時間，具有較強的穩定性，滿足了比較理想的技術要求。

3 結束語

本系統重點將具有智能性的模糊控制與具有可靠性的PID控制相互結合起來，設計了一種控制器，該控制器具有參數自整定和模糊PID的功能。智能控制器的控制規則是通過輸出響應確定的，模糊控制規則是通過Fuzzy邏輯箱進行多次的仿真實驗確定的，實驗證明該系統能夠實現比較理想的控制效果。

參考文獻

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[5]蔣智翔，楊小昭.一種新型的電儲熱系統-自儲能電鍋爐介紹.2004.中美工業鍋爐先進技術研討會會議論文集，2004：380～384.

[6]李丹，謝植，程杰.模糊控制在溫度控制中的應用與發展.黃金學報，2002，2（4）：294～269.

作者簡介：胡新新（1989，5-），女，學歷：碩士，所屬單位：青島科技大學，研究方向：智能理論及應用。