基于LabVIEW的模糊PID溫度控制系統設計

胡榮頤 簡貞釗

這次實訓我們主要的工作是使用LabVIEW 建立一個溫度控制系統。實現系統溫度的實時控制。主要使用到的裝置為一個溫度控制模塊，USB6008數據采集卡，PWM波輸出模塊和一個上位機。主要的控制過程為通過USB6008數據采集卡采集溫控箱的電壓，將采集到的電壓轉換為溫度后，分別通過傳統PID控制和模糊PID控制這兩種控制算法的計算，得出合適的直流控制電壓，并通過直流電壓與三角波相互比較的方法得出適合PWM波，實現溫控箱溫度的控制。使用LabVIEW 將采集到的溫度以及輸出的控制電壓儲存到數據庫中，同時還能使用LabVIEW讀取數據庫中的數據。

實訓依托的實驗設備與軟件

硬件：溫度控制模塊、USB6008數據采集卡、PWM發生電路

軟件：LabVIEW 2013、微軟Access 2010

一、引言

1.1本文的主要工作

這次實訓我們主要的工作是建立一個溫度控制系統。實現系統溫度的實時控制。主要使用到的裝置為一個溫度控制模塊，USB6008數據采集卡，PWM波輸出模塊和一個上位機。主要的控制過程為通過USB6008數據采集卡采集溫控箱的電壓，將采集到的電壓轉換為溫度后，分別通過傳統PID控制和模糊PID控制這兩種控制算法的計算，得出合適的直流控制電壓，并通過直流電壓與三角波相互比較的方法得出適合PWM波，實現溫控箱溫度的控制。使用LabVIEW 將采集到的溫度以及輸出的控制電壓儲存到數據庫中，同時還能使用LabVIEW讀取數據庫中的數據。

1.2控制器發展現狀

1.2.1 PID控制器

自 PID 算法誕生以來，以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業應用中的首 選控制策略之一，其在模型確定、線性系統中具有良好的控制效果，但在非線性、強耦合、大滯后、模型不確定的情況下則顯得力不從心。在工業技術快速發展的今天，許多的工業過程仍具有不同程度的非線性、參數時變、模糊不確定等特性。

1.2.2模糊PID控制器

近些年，LabVIEW模糊控制得到了很快的發展，這主要是由于模糊控制器可以應用專家的控制經驗，對難以建立精確數學模型的被控過程實現自動控制。在日本，模糊控制得到了廣泛的應用。許多公司成立了模糊系統研究機構專門從事于模糊系統的研究，并取得很好的發展，表現在模糊控制洗衣機、吸塵器、冶金、制造等自動控制行業中的應用。除此之外，模糊邏輯芯片和模糊計算機的研制也取得了進展。但模糊控制器本身消除系統穩態誤差的性能比較差，難以達到較高的控制精度。而PID控制正好可以彌補其不足，近年來已有不少將模糊技術與傳統技術結合起來設計模糊邏輯控制的先例。

二、溫度控制系統設計方案及原理

2.1溫度控制系統的設計方案

虛擬儀器可以通過軟件開發平臺將計算機硬件資源與儀器硬件有機地結合在一起。USB6008數據采集卡對溫控箱溫度進行實時采集，在上位機中對溫度數據進行處理，并且將數據儲存到數據庫中，然后進行PID運算或模糊PID運算，實時控制顯示，最后將運算結果輸出PWM波去控制溫度箱。設計的系統框圖如圖2-1所示：

2.2 溫度控制系統的工作原理

該溫度控制系統以亞克力管和PCB板構成一個相對密閉溫控箱，兩盞20W的白熾燈充當熱源，三個高線性度的熱敏電阻充當溫度傳感器，放置在溫控箱中三個不同的位置，操作者可以任意選著其中一個作為溫度探測器，反饋給控制器。通過溫度探測器反饋的實際溫度與設定溫度作比較，經過一定的PID算法或模糊PID算法計算出控制量，輸出控制信號，調節白熾燈的發熱量，達到調節溫控箱溫度的目的。

溫控箱的硬件驅動由兩片大功率MOS管、驅動光耦TLP250以及5V穩壓模塊組成，控制器發出的PWM波則是MOS管導通斷開的控制信號，經過光耦放大的PWM波信號直接用于驅動MOS管，高電平導通，低電平斷開，不同占空比的PWM波對應著白熾燈不同的發光亮度，間接控制其發熱量，達到調節溫度的目的。溫控箱實物圖如圖2-2所示：

2.3 PWM波發生原理

PWM波的發生原理是利用電壓比較器的特性，如果同相輸入大于反相，則輸出高電平，否則輸出低電平。本文使用三角波與一個直流電壓進行比較產生PWM波，而三角波又由方波積分后產生。因此，本文的硬件PWM波發生電路分為三級：第一級方波發生電路；第二級積分電路；第三級比較器電路。波形的變化順序是方波輸入積分電路轉變為三角波，三角波在經過電壓比較器與USB6008數據采集卡控制產生的直流電壓作比較后輸出PWM波。一般三角波輸入比較器的正輸入端，直流電壓輸入電壓比較器的反向輸入端，則直流電壓值越小占空比越大，反之越小。PWM波的硬件發生電路實物圖如圖2-3所示：

三、控制算法的介紹

3.1傳統PID控制與模糊PID控制的比較

3.1.1傳統PID控制的特點

在實際中，應用最為普遍的是 PID控制。其調節器控制規律表現為微分控制、比例控制、積分控制。線性定常系統是PID控制的主要研究對象。因為它結構較簡單、穩定性較好、調整方便，所以被普遍應用于工業過程控制。當出現以下情況時，傳統的PID控制器無法實現精確控制。

（1）未能全面掌握被控對象的結構和參數。

（2）無法得到精確的數學模型。

但模糊PID控制能解決上述的這些問題。

要想比較好的了解模糊PID控制的特點，必須要了解模糊控制的特點。

3.1.2模糊控制的特點

隨著科技的發展，現場被控對象和控制條件變得復雜，考慮因素增多，而對于控制性能的要求卻逐漸提高。通常復雜的系統很難對控制量設計精確的算法，想要絕對精確變得不可能，需要在精確和復雜間找到平衡。模糊控制就是一種平衡的控制手段，在非線性復雜系統中發展很快。模糊控制有如下特點：

（1）適用于不易獲得精確數學模型的被控對象。

（2）是一種語言變量控制器。

（3）從屬于智能控制的范疇，尤其適用于非線性、時變、滯后系統的控制。

3.1.3模糊PID控制的特點

模糊PID控制結合PID控制和模糊控制的優點，在工業控制領域中被應用得特別普遍。模糊PID控制是根據PID控制器的3個參數與偏差和偏差的變化之間的模糊關系，在運行時不斷檢測偏差和偏差的變化，通過事先確定的關系，利用模糊推理的方法，在線修改PID控制器的3個參數，讓PID參數可自整定。

四、總結

用虛擬儀器對溫度進行自動調節具備一定的實用性。微機的計算能力強，可以很輕易地快速進行浮點數的運算。采用虛擬儀器調節溫度不僅可以實現很高的控制精度，還可以實現可視化界面操作。采用模糊控制原理的模糊PID算法，相比于傳統的PID算法，可以更快的達到穩定溫度值，減少加熱時間，節約電能，且控制方法靈活，效果穩定。對非線性、大滯后、被控對象模型不精確等特點的溫度控制具有較好的控制效果，因此在生產過程的溫度控制具有廣闊的發展前景。

參考文獻：

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[2] 彭宇寧 黃世奎.基于 LabVIEW 與 MATLAB 的模糊參數自整定 PID 控制[J] .儀器儀表學報，2008.

[3] 馮瑩瑩等.模糊 PID 控制器對熱力模擬實驗機溫度控制的優化， 2008，32（2）：21～24.

作者簡介：

胡榮頤，出生年月：1997、11、19，性別：男，民族：壯族，籍貫（精確到市）：廣西欽州，當前職務：學生，當前職稱：學生，學歷：本科，研究方向：過程控制.