老化箱的模糊PlD控制

單志勇，張亞冰，田洪普（.東華大學信息科學與技術學院，上海20620；2.教育部數字化紡織服裝技術工程研究中心，上海20620）

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老化箱的模糊PlD控制

單志勇1，2，張亞冰1，田洪普1
（1.東華大學信息科學與技術學院，上海201620；2.教育部數字化紡織服裝技術工程研究中心，上海201620）

摘 要：對電子產品進行老化測試時，老化測試箱的溫度控制效果至關重要。為了改善老化測試箱的溫度控制，介紹了溫度測試箱的系統結構，隨后介紹了PID和模糊控制，最后對系統進行模糊PID控制的仿真。仿真系統采用模糊控制算法對溫度進行控制，實現了很好的控制，達到了滿意的控制效果。仿真結果表明，模糊控制方法提高了控制的實時性、穩定性和精確度，對于工程實際應用具有較強的借鑒意義。

關鍵詞：模糊PID；MCU；溫度控制系統

0　引言

在現代電子測試中，老化測試箱被廣泛應用，溫度控制對電子設備的測試具有決定性影響，測試箱溫度控制系統具有大滯后、非線性、時變等特性。采用一般PID控制會出現加熱時間長、超調量大等問題。要取得好的控制效果，需要調節比例、積分、微分控制作用。模糊PID控制技術是一門非常具有潛力的控制技術，它模擬人的思維方式，能有效解決傳統PID控制方法無法解決的問題，模糊PID技術已在工業控制領域、家電自動化領域和其他領域得到了廣泛的應用［1］。本文嘗試將模糊PID控制技術應用在老化測試箱的溫度控制當中。

1　老化箱的系統結構

老化箱的溫度控制系統是以微處理器為核心，采用PID控制，使得溫度可以控制在測試范圍當中，加熱絲的加熱功率為2 000 W，溫控箱的溫度范圍為0～150℃，實用的電壓為市電交流220 V。整個系統由4個模塊組成，如圖1所示，采用MUC控制，其內部包括A/D和D/A轉換模塊、繼電器和輔助繼電器驅動電路。老化測試箱內部有用于溫度檢測的PT100，以及用于加熱的加熱絲。

圖1　老化箱系統結構

由于老化箱一般可以看作帶有純滯后環節的一階對象，其傳遞函數可以用以下公式表示：

通過測量系統溫度的飛升曲線，可以得到老化箱的傳遞函數的參數：放大系數K=120，時間常數T=1 000，滯后時間τ=60 s。得到系統的傳遞函數為：

2　PlD控制

由于PID控制算法具備結構簡單、魯棒性好、可靠性高等優點，因此在工業控制領域中得到廣泛應用［2］。尤其當微控制器應用在控制領域后，PID控制算法使用起來更加方便，實現了軟件的數字PID控制算法。數字PID控制器比傳統模擬PID控制器的控制性能更好，廣泛應用在工業生產過程中。它是將比例、積分、微分控制并聯在一起。假定在系統給定與反饋出現偏差：

可以用如下表達式表示：

其中，u（t）為控制器的輸出，Kp為比例系數，Ti為積分時間系數，Td為微分時間系數。

由式（3）可以得到PID控制器的傳遞函數為：

由式（4）可知：

（1）比例環節：其主要作用是放大誤差作用，當給定和輸出出現偏差，控制器使偏差放大，比例系數越大，控制過程的過渡越快，但是過大的比例系數也會引起過高的超調量。

（2）積分環節：為了消除誤差，控制器必須引入積分環節，積分環節的引入，隨著時間的增加，積分項會增大，它的輸出增大將進一步減小穩態誤差。

（3）微分環節：由于微分具備對誤差提前報告的作用，適當的微分系數可以微分加快系統響應過程。

3　模糊控制

模糊邏輯控制是以集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的現代智能控制技術。模糊控制系統的設計一般可概括為模糊化、模糊規則設計、模糊推理機設計、去模糊化［3］。早在1974年英國的MAMDANIE H首次使用模糊控制語句組成控制器，并且把它運用到工業控制當中，獲得了成功。模糊控制本質上是非線性控制，模擬人類思維方式，將人的控制轉換成邏輯語句，最后轉換成計算機控制［4］。

3.1模糊化

模糊化首先把輸入的信號轉換成模糊量，方便輸入到推理機進行處理。假定輸入的信號為，X1，e1∈［-x，+ x］，模糊論域為U=｛-3，-2，-1，0，1，2，3｝，采用7級的模糊子集NB、NM、NS、0、PS、PM、PB，則需要量化因子：

3.2隸屬度函數

本模糊控制器采用Mamdani模糊推理方法，其推理過程包括隸屬度聚集、規則激活和輸出總和3個過程。二維輸入e與其變化率d e/d t的論域為（-3，+3），輸出△KP、△KI、△KD的論域分別為（-0.3，+0.3）、（-0.01，+0.01）、（-3，+3），隸屬度函數μNB（x）與μPB（x）分別采用zm f函數和sm f函數，μNM（x）、μNS（x）、μ0（x）、μPS（x）、μPM（x）都采用trim f函數。在設定隸屬度函數時，應該保證重疊在0.2～0.6之間。

模糊推理規則可以用表達式概括為：IF（e=A and de/dt=B）THAN（dKp =C，dKi=D，dKd =E），其具體推理邏輯如表1～表3所示。

表1　ΔKP模糊規則表

表2　ΔKI模糊規則表

表3　ΔKD模糊規則表

通過模糊推理可以得到模糊量，然后要對其進行去模糊化，本模糊控制器采用質心法。

4　試驗仿真與結論

圖2　PID控制系統仿真圖

采用傳統PID控制器搭建Simulink仿真如圖2所示，設定給定溫度為60℃，溫控箱傳遞函數拆分成一節環節Transfer Fcn和一個純滯后環節Transport Delay。PID參數整定采用臨界比例帶法。當KP=0.225時出現臨界震蕩，臨界比例帶δk=4.44，Tk=235 s，可得δ=1.67 δk，Ti=0.5 Tk，Td=0.125 Tk。得到KP=0.134，Ti=117.51，Td= 29.37，最后再根據控制效果進行微調。

采用模糊PID控制器搭建Simulink仿真，如圖3所示，原來PID參數保存不變，增加Fuzzy模塊以及對應量化因子，輸入輸出部分對其進行限幅。

輸入給定溫度60℃，仿真時間為1 000 s，PID控制輸出曲線與模糊PID響應曲線如圖4所示。通過仿真結果可以知道，模糊PID與PID相比，其系統的控制所需要的調節時間更短，超調量更小，控制效果更好。系統誤差最后穩定在0℃。

圖3　模糊PID控制系統仿真圖

圖4　PID與模糊PID輸出曲線

5　結論

本文介紹了老化測試箱的控制系統及其系統模型，隨后描述PID和模糊PID控制。再對其進行系統的Simulink仿真，給定溫度60℃，分別采用PID與模糊PID控制，得到對應輸出溫度曲線。實驗結果表明，采用模糊PID控制器可以更好地滿足系統溫度控制的動態特性和穩態特性，在使用微機控制的場合，只需要優化其PID控制算法，而不需更改本身的外圍電路，因而具有較大工程應用價值。

參考文獻

［1］黃衛華.模糊控制系統及應用［M］.北京：電子工業出版社，2012.

［2］劉金琨.先進PID控制的Matlab仿真（第3版）［M］.北京：電子工業出版社，2011.

［3］楊曉武.李勁松，李干榮，等.基于MATLAB的鍋爐液位模糊控制系統設計［J］.化學工程與設備，2014，16（1）：11-14.

［4］李曉丹.模糊PID控制器的設計研究［D］.天津：天津大學，2005.

單志勇（1971 -），男，博士，副教授，碩士生導師，主要研究方向：電磁學。

張亞冰（1989 -），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子與電力傳動，嵌入式系統與控制。E-mail：icestone@foxmail.com。

田洪普（1991 -），男，碩士研究生，主要研究方向：電磁學。

引用格式：單志勇，張亞冰，田洪普.老化箱的模糊PID控制［J］.微型機與應用，2016，35（10）：85-87 .

Fuzzy PID control of aging test box

Shan Zhiyong1，2，Zhang Yabing1，Tian Hongpu1
（1.College of Information Science&Technology，Donghua University，Shanghai201620，China；
2.Engineering Research Center of Digitized Textile&Fashion Technology，M inistry of Education，Shanghai201620，China）

Abstract：The aging test box of the temperature control is very important for electronic products aging test.In order to improve temperature control effect，the paper describes the system structure of temperature test chamber，then introduces the PID and fuzzy controller and the system of fuzzy PID control.The simulation system uses fuzzy control algorithm in temperature control to achieve good control，achieving satisfactory control effect.The simulation results show that the fuzzy controlmethod improves the system in stability and accuracy，and the project has a strong reference value.

Key w ords：fuzzy PID；MCU；temperature control system

作者簡介：

收稿日期：（2016-01-19）

中圖分類號：TP18

文獻標識碼：A

DOI：10.19358 /j.issn.1674-7720.2016.09.029