專(zhuān)利名稱(chēng)：基于模糊自整定pid的溫度控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于模糊理論的自整定PID的溫度控制器。
背景技術(shù)：
目前大部分的溫控系統(tǒng)存在著大慣性、大滯后的特點(diǎn)，又呈現(xiàn)時(shí)變性、不確定性和非線性特點(diǎn)，很難精確地描述其控制對(duì)象的傳遞函數(shù)。如何運(yùn)用最優(yōu)控制理論，采用科學(xué)的控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)理想的控制效果，是設(shè)計(jì)溫控系統(tǒng)的關(guān)鍵。常規(guī)PID控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)態(tài)誤差小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，其PID調(diào)節(jié)規(guī)律非常適合于工業(yè)控制，尤其對(duì)于線性定常系統(tǒng)的控制很有效。但對(duì)于非線性、時(shí)變性的溫控系統(tǒng)，常規(guī)PID控制難以實(shí)現(xiàn)理想的控制。存 在著快速性差，超調(diào)量較大的缺點(diǎn)，且不能在線整定參數(shù)，實(shí)時(shí)控制不強(qiáng)。而模糊控制具有魯棒性強(qiáng)、快速性好、超調(diào)量小的優(yōu)勢(shì)，非常適用于控制非線性、時(shí)變性的滯后系統(tǒng)，對(duì)復(fù)雜的和數(shù)學(xué)模型不清的系統(tǒng)能進(jìn)行有效的控制。但由于模糊控制沒(méi)有積分環(huán)節(jié)，穩(wěn)態(tài)誤差難于消除。目前大多數(shù)的溫控系統(tǒng)不能達(dá)到很好的控制效果，在常規(guī)PID控制的基礎(chǔ)上融合模糊控制理論可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題。將常規(guī)PID控制與模糊控制相結(jié)合，構(gòu)成一種智能的模糊PID控制器。利用模糊控制規(guī)則根據(jù)控制誤差和誤差變化率，在線自動(dòng)整定PID參數(shù)，以滿足不同工況不同時(shí)刻對(duì)PID參數(shù)的不同要求，實(shí)現(xiàn)良好的動(dòng)靜態(tài)性能。模糊PID控制器既保持了 PID控制穩(wěn)態(tài)精度高的優(yōu)點(diǎn)，又保持了模糊控制動(dòng)態(tài)性能好的優(yōu)點(diǎn)，而且具有很強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)性，是一種無(wú)需建模、操作方便、開(kāi)發(fā)成本低、控制效果好的控制技術(shù)。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于，提供一種基于模糊自整定PID的溫度控制器，該控制器的核心硬件結(jié)構(gòu)采用8位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器ADC0809，以及可編程邏輯器件GAL等為核心的數(shù)據(jù)采集卡，軟件實(shí)現(xiàn)是運(yùn)用模糊PID控制理論，基于CAN總線，在普通PC機(jī)上，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程溫度來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本實(shí)用新型采取如下的技術(shù)解決方案一種基于模糊自整定PID的溫度控制器，包括PC機(jī)和連接在電加熱爐的傳感器，其特征在于，在PC機(jī)上連接有數(shù)據(jù)采集卡，該數(shù)據(jù)采集卡采用A/D模轉(zhuǎn)換器、中斷管理器和2片可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器，其中一片可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器用作設(shè)定采樣時(shí)間，通過(guò)溫度顯示器和傳感器連接電加熱爐，另外一片可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器通過(guò)固態(tài)繼電器和開(kāi)關(guān)與電加熱爐相連接，為固態(tài)繼電器發(fā)送脈沖，對(duì)電加熱爐的溫度進(jìn)行控制。本實(shí)用新型的其他特點(diǎn)是所述的A/D模轉(zhuǎn)換器選擇ADC0809芯片。所述的中斷管理器選擇8259A芯片。[0010]所述的可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器選擇8254芯片。所述的傳感器選用鎳鉻-鎳硅熱電偶。所述的溫度顯示器采用IXD顯示器。本實(shí)用新型的基于模糊自整定PID的溫度控制器，以PC機(jī)為控制核心，使用PC機(jī)上的模糊PID控制程序構(gòu)成智能模糊控制器，采用模糊規(guī)則自整定PID參數(shù)進(jìn)行過(guò)程控制。通過(guò)PC機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡之間的信息交換，實(shí)現(xiàn)溫度采集和處理。在控制過(guò)程中，溫度顯示器上顯示出電爐的溫度，同時(shí)，傳感器把電爐溫度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后被送入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存，計(jì)算機(jī)通過(guò)模糊控制算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后輸出給PID控制器，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)PID的控制參數(shù)，以控制傳給固態(tài)繼電器的PID控制器的輸出，改變固態(tài)繼電器的接通時(shí)間，從而控制電爐的加熱時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)電爐的溫度調(diào)節(jié)。

圖I為本實(shí)用新型的基于模糊自整定PID的溫控裝置組成框圖；圖2為數(shù)據(jù)采集卡的電路原理圖；圖3為模糊自整定PID結(jié)構(gòu)原理圖；圖4為模糊PID控制算法程序框圖。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
具體實(shí)施方式
參見(jiàn)圖I所示，本實(shí)施例給出一種基于模糊自整定PID的溫度控制器，包括PC機(jī)和連接在電加熱爐的傳感器，在PC機(jī)上連接有數(shù)據(jù)采集卡，該數(shù)據(jù)采集卡采用A/D模轉(zhuǎn)換器、中斷管理器和2片可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器，其中一片可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器用作設(shè)定采樣時(shí)間，通過(guò)溫度顯示器和傳感器連接電加熱爐，另外一片可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器通過(guò)固態(tài)繼電器和開(kāi)關(guān)與電加熱爐相連接，為固態(tài)繼電器發(fā)送脈沖，對(duì)電加熱爐的溫度進(jìn)行控制。 在PC機(jī)上，利用PC機(jī)上的模糊PID控制程序構(gòu)成智能模糊控制，采用模糊規(guī)則自整定PID參數(shù)進(jìn)行過(guò)程控制。通過(guò)PC機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡之間的信息交換，實(shí)現(xiàn)溫度采集和處理。本實(shí)施例中，傳感器選用鎳鉻-鎳硅熱電偶。溫度顯示器采用先進(jìn)的IXD顯示器。圖2為申請(qǐng)人設(shè)計(jì)的基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集卡的電路圖。該數(shù)據(jù)采集卡采用A/D模轉(zhuǎn)換器ADC0809芯片、中斷管理器8259A和2片可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器8254芯片。ADC0809芯片是8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器能對(duì)8路模擬信號(hào)進(jìn)行采集與轉(zhuǎn)換，在模擬信號(hào)接到ADC0809芯片的通道O上。當(dāng)在其引腳START端加上一個(gè)有效電平時(shí)，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束，引腳Eoc端出現(xiàn)高電平，此信號(hào)可作為微機(jī)中斷或查詢信號(hào)。在數(shù)據(jù)采集卡上，共使用了 2片可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器8254芯片，其中一片用作設(shè)定采樣時(shí)間，另外一片通過(guò)固態(tài)繼電器和開(kāi)關(guān)與電加熱爐相連接，為固態(tài)繼電器發(fā)送脈沖，對(duì)電加熱爐的溫度進(jìn)行控制?？删幊逃?jì)數(shù)/定時(shí)器8254芯片內(nèi)部有3個(gè)相互獨(dú)立的16位計(jì)數(shù)器T0、Tl、T2，每個(gè)計(jì)數(shù)器可編程為6種不同的工作方式。[0026]3個(gè)內(nèi)部定時(shí)器采用級(jí)聯(lián)方式，定時(shí)器TO、T2設(shè)定為工作方式3。定時(shí)器Tl設(shè)定為工作方式O。當(dāng)計(jì)數(shù)單元CE為零時(shí)，其輸出OUT信號(hào)變?yōu)楦唠娖?，可以把OUT由低電平到高電平的變化作為計(jì)數(shù)/定時(shí)的中斷請(qǐng)求信號(hào)。定時(shí)器Tl和Τ2的門(mén)控端GATE接高電平，允許計(jì)數(shù)器對(duì)CLK脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。定時(shí)器TO門(mén)控端受定時(shí)器Tl輸出端OUTl的控制，當(dāng)OUTl輸出高電平時(shí)禁止計(jì)數(shù)。定時(shí)器T2的時(shí)鐘信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡上的晶振得到，其頻率為1.8MHz，T2的輸出信號(hào)0UT2作為定時(shí)器TO的時(shí)鐘信號(hào)。定時(shí)器Tl工作于方式0，其時(shí)鐘輸人端由定時(shí)器TO的輸出OUTO來(lái)提供。由于第一片8254芯片用來(lái)控制固態(tài)繼電器的通斷，因此對(duì)這兩片8254中的Tl計(jì)數(shù)結(jié)束所產(chǎn)生的中斷系統(tǒng)并沒(méi)有響應(yīng)。內(nèi)部定時(shí)器Tl的輸出經(jīng)過(guò)反相器后接到定時(shí)器TO的門(mén)控端GATE0，當(dāng)定時(shí)器Tl計(jì)數(shù)時(shí)，OUTI輸出高電平，反相成為低電平加到定時(shí)器TO的門(mén)控端GATE0，使TO禁止計(jì)數(shù)，不再給固態(tài)繼電器發(fā)送脈沖，這樣繼電器開(kāi)關(guān)(強(qiáng)電)就被切斷。采集卡上第2片8254用來(lái)設(shè)定采樣時(shí)間。置初值后開(kāi)始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)，其輸出一方面經(jīng)反相器反控制TO的門(mén)控端GATE0，使Tl禁止計(jì)數(shù)，另一方面通過(guò)中斷管理器8259A 向CPU申請(qǐng)中斷，在中斷服務(wù)程序中，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。因此，對(duì)第2片8254裝人不同的計(jì)數(shù)初值即可得到不同的采樣時(shí)間。數(shù)據(jù)采集軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各功能模塊子程序相互獨(dú)立，調(diào)試方便，易于維護(hù)。整個(gè)軟件分為主程序，中斷服務(wù)程序和功能模塊子程序。程序設(shè)計(jì)采用多線程的思想，將實(shí)現(xiàn)的功能分解為A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字量采集和存貯、外設(shè)顯示3個(gè)主要任務(wù)，其中A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字量采集存貯采用定時(shí)器中斷進(jìn)行控制。主程序主要完成系統(tǒng)的初始化，然后循環(huán)執(zhí)行外設(shè)顯示子程序，同時(shí)等待中斷的發(fā)生。各個(gè)任務(wù)采用定時(shí)器中斷來(lái)完成，具有采樣頻率可調(diào)，采樣周期恒定的優(yōu)點(diǎn)。由于溫度控制器的精確數(shù)學(xué)模型難以獲得，除了采用數(shù)字PID進(jìn)行控制外，還可以采用模糊PID控制。如圖3所示為本實(shí)用新型的模糊自整定PID結(jié)構(gòu)原理圖。在控制過(guò)程中，根據(jù)溫度偏差E以及偏差變化率EC進(jìn)行決策，模糊控制器的輸出量PID控制器的三個(gè)控制參數(shù)，用PID來(lái)控制為一個(gè)采樣周期中固態(tài)繼電器的接通時(shí)間?？刂破鞯妮斎肓渴钦`差E和誤差變化率Ec，必須對(duì)精確的輸入量轉(zhuǎn)化為模糊量，將基本論域轉(zhuǎn)化到模糊集合論域。E、Ec的基本論域?yàn)?b>_6，+6。為保證模糊集能較好地覆蓋論域，避免失控現(xiàn)象，適當(dāng)提高離散的細(xì)分級(jí)數(shù)，設(shè)計(jì)將_6，+6離散成13個(gè)等級(jí)，即-6，-5，-4，-3，-2，_1，0，1，2，3，4，5，6。為了盡可能地提高控制精度，設(shè)計(jì)將_6，+6分割成NBNMNSZEPSPMPB等7個(gè)模糊集合。根據(jù)溫控系統(tǒng)的特性，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，選擇E和Ec的隸屬函數(shù)曲線為正態(tài)型，然后由E、Ec隸屬函數(shù)得出相應(yīng)的模糊變量。PID參數(shù)的整定必須考慮到在不同時(shí)刻3個(gè)參數(shù)的作用以及相互間的關(guān)聯(lián)影響。根據(jù)Kp、Ki和Kd對(duì)系統(tǒng)控制的影響，并總結(jié)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可歸納出在不同的Ie和IEcI時(shí)，被控過(guò)程對(duì)參數(shù)Kp、Ki和Kd的自整定要求為當(dāng)|eI較大時(shí)，Kp應(yīng)較大而Kd應(yīng)較小，使系統(tǒng)響應(yīng)加快，并使Ki=O以免大的超調(diào)；當(dāng)IeI中等時(shí)，Kp應(yīng)較小使超調(diào)較小，Ki、Kd應(yīng)適當(dāng)，并關(guān)注Kd對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)；當(dāng)|e|較小時(shí)，Kp和Ki應(yīng)較大，使系統(tǒng)有較好的穩(wěn)態(tài)性能，Kd應(yīng)適當(dāng)避免出現(xiàn)振蕩。原則是當(dāng)I Ec I較小時(shí)，Kd可大些，當(dāng)I Ec I較大時(shí)，Kd應(yīng)小些。根據(jù)PID參數(shù)的作用和|E|和|Ec|的不同組合，結(jié)合實(shí)際工況下對(duì)PID參數(shù)的要求，來(lái)獲取Kp、Ki和Kd的模糊控制規(guī)則，建立模糊控制規(guī)則表。模糊推理采用并行法，根據(jù)模糊控制規(guī)則和輸入量求出模糊控制器的輸出，它由Kp、Ki、Kd三個(gè)子推理器完成。將采樣得到的誤差e和誤差變化率ec經(jīng)模糊處理后，代入模糊控制規(guī)則表，得出PID參數(shù)的調(diào)整量，再經(jīng)過(guò)PID算法的計(jì)算就得出了最后的輸出量，這樣就構(gòu)成了模糊控制表。實(shí)時(shí)控制中根據(jù)在線計(jì)算的輸入量，直接查詢控制表可獲得控制量的信息，作為輸出去控制被控對(duì)象。模糊推理得出的結(jié)論是模糊量，必須將模糊量轉(zhuǎn)化為清晰量，即進(jìn)行去模糊化處
理。對(duì)經(jīng)過(guò)模糊控制表求得的Kp、 Ki、Kd采用重心法進(jìn)行去模糊化處理，其公式如下
ku{k) = Kpe(k) + KiT^j e(k) + KtiAe(k) / T
J=I式中，u(k)為k采樣周期時(shí)的輸出，e(k)為k采樣周期時(shí)的偏差，T為采樣周期。輸出u(k)乘上相應(yīng)的比例因子Ku可得到精確的輸出量U。輸出量u的公式為u = u (k) Ku由輸出量u來(lái)控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通時(shí)間，以完成對(duì)溫度的控制。由控制表得到的輸出量不能直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，還必須將其轉(zhuǎn)換到控制對(duì)象所能接受的基本論域中去。在實(shí)際控制過(guò)程中，把控制表存放到內(nèi)存中，便可以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)控制。在采樣周期內(nèi)，計(jì)算機(jī)對(duì)爐溫進(jìn)行采樣，并將實(shí)際溫度值Y與給定值S相比較，得到溫度的偏差E=Y-S,經(jīng)過(guò)PC機(jī)處理可以取得偏差變化的數(shù)字量EC=E (k) -E (k-ι)。E和EC經(jīng)過(guò)量化轉(zhuǎn)換并查詢模糊控制表的控制量，再乘以量化因子得到實(shí)際控制量，用來(lái)控制固態(tài)繼電器的接通時(shí)間，達(dá)到控制目的。模糊控制的程序流程圖如圖4所示。
權(quán)利要求1.一種基于模糊自整定PID的溫度控制器，包括PC機(jī)和連接在電加熱爐的傳感器，其特征在于，在PC機(jī)上連接有數(shù)據(jù)采集卡，該數(shù)據(jù)采集卡采用A/D模轉(zhuǎn)換器、中斷管理器和2片可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器，其中一片可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器用作設(shè)定采樣時(shí)間，通過(guò)溫度顯示器和傳感器連接電加熱爐，另外一片可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器通過(guò)固態(tài)繼電器和開(kāi)關(guān)與電加熱爐相連接。
2.如權(quán)利要求I所述的基于模糊自整定PID的溫度控制器，其特征在于，所述的A/D模轉(zhuǎn)換器選擇ADC0809芯片。
3.如權(quán)利要求I所述的基于模糊自整定PID的溫度控制器，其特征在于，所述的中斷管理器選擇8259A芯片。
4.如權(quán)利要求I所述的基于模糊自整定PID的溫度控制器，其特征在于，所述的可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器選擇8254芯片。
5.如權(quán)利要求I所述的基于模糊自整定PID的溫度控制器，其特征在于，所述的傳感器選用鎮(zhèn)絡(luò)_鎮(zhèn)娃熱電偶。
6.如權(quán)利要求I所述的基于模糊自整定PID的溫度控制器，其特征在于，所述的溫度顯不器米用IXD顯不器。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于模糊自整定PID的溫度控制器，包括PC機(jī)和連接在電加熱爐的傳感器，在PC機(jī)上連接有數(shù)據(jù)采集卡，該數(shù)據(jù)采集卡采用A/D模轉(zhuǎn)換器、中斷管理器和2片可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器，其中一片可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器用作設(shè)定采樣時(shí)間，通過(guò)溫度顯示器和傳感器連接電加熱爐，另外一片可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器通過(guò)固態(tài)繼電器和開(kāi)關(guān)與電加熱爐相連接，為固態(tài)繼電器發(fā)送脈沖，對(duì)電加熱爐的溫度進(jìn)行控制。通過(guò)PC機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡之間的信息交換，實(shí)現(xiàn)溫度采集和處理。
文檔編號(hào)G05D23/22GK202694180SQ201220296218
公開(kāi)日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月22日
發(fā)明者史育英 申請(qǐng)人:史育英