基于模糊自適應(yīng)pid控制的高精度恒溫控制器及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于自動(dòng)化控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于模糊自適應(yīng)PID控制的高精 度恒溫控制器和控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 溫度控制在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科研以及日常生活等領(lǐng)域占有重要的地位，是工農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)及生活中較為常見和基本的工藝參數(shù)之一。在化工生產(chǎn)過程中，溫度是非常關(guān)鍵的 控制對(duì)象。目前，大量采用的依然是PID算法，PID參數(shù)的整定方法非常多，但大部分是以 對(duì)象為基礎(chǔ)的。PID控制器問世至今憑借其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn) 成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握、得不到精確的數(shù) 學(xué)模型時(shí)，采用PID控制技術(shù)最為方便。在控制對(duì)象有很大的時(shí)變性和非線性的情況下，一 組整定好的PID參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求。
[0003] 而模糊PID控制算法能改善這個(gè)問題，所謂模糊PID控制器，即利用模糊邏輯算法 并根據(jù)一定的模糊規(guī)則對(duì)PID控制的比例、積分、微分系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，以達(dá)到較為理想 的控制效果。模糊PID控制包括參數(shù)模糊化、模糊規(guī)則推理、參數(shù)解模糊、PID控制器等幾 個(gè)重要組成部分。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，人們將專家的知識(shí)和操作人員的經(jīng)驗(yàn)作為知識(shí)存入 微機(jī)中，根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，自動(dòng)調(diào)整PID的三個(gè)參數(shù)。計(jì)算機(jī)根據(jù)所設(shè)定的輸入和反饋 信號(hào)，計(jì)算實(shí)際位置和理論位置的偏差e以及當(dāng)前的偏差變化e。，并根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行模糊 推理，最后對(duì)模糊參數(shù)進(jìn)行解模糊，輸出PID控制器的比例、積分、微分系數(shù)。
[0004] 如果能將模糊PID算法應(yīng)用在溫度控制中，則可能滿足高精度恒溫控制需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決上述問題，本發(fā)明公開了 一種基于模糊自適應(yīng)PID控制的高精度恒溫器及 控制方法，根據(jù)溫度實(shí)際值與設(shè)定值的偏差，由模糊PID與自適應(yīng)算法經(jīng)卡爾曼濾波得出 實(shí)際溫度值，并由此控制恒溫控制器的工作，最終實(shí)現(xiàn)高精度恒溫控制。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[0007] 基于模糊自適應(yīng)PID控制的高精度恒溫控制方法，包括如下步驟：
[0008] 步驟A，對(duì)加熱與冷卻模塊的一端施加階躍控制信號(hào)，并測(cè)取其階躍響應(yīng)，再由其 響應(yīng)曲線結(jié)合Cohn-Coon公式得到加熱與冷卻模塊的傳遞函數(shù)模型；
[0009] 步驟B，采用溫度誤差和溫度誤差的變化率作為模糊輸入變量，采用模糊PID自 適應(yīng)控制方法得到控制加熱與冷卻模塊的供電電壓，并自動(dòng)調(diào)整PID調(diào)節(jié)器的三個(gè)參數(shù)， 進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，通過所述供電電壓與步驟A得到的加熱與冷卻模塊的模型得到模糊自適應(yīng) PID控制的理論溫度值。
[0010] 步驟C，采用卡爾曼濾波算法對(duì)模糊自適應(yīng)PID控制的理論溫度值與熱電偶所測(cè) 得溫度值進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，獲取準(zhǔn)確溫度值；
[0011] 步驟D，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的溫度值和步驟C中獲得的融合后溫度值控制恒溫控制器 工作。
[0012] 進(jìn)一步的，所述步驟B具體包括如下步驟：
[0013] 步驟B-1，確定模糊控制器的輸入變量溫度誤差e (t) = rin (t) Iciut (t)，其中rin為 溫度輸入值，7_為經(jīng)步驟C得到的溫度輸出值，溫度誤差的變化率e。通過溫度誤差積分得 到，輸出變量為控制加熱冷卻模塊的供電電壓U，輸出的供電電壓由下式表示：
[0014]
[0015] 步驟B-2,根據(jù)模糊控制規(guī)則進(jìn)行推理；
[0016] 步驟B-3,根據(jù)不同的誤差e及誤差變化率e。對(duì)恒溫控制器模型的PID三個(gè)參數(shù) kP，1^及kd進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，三個(gè)參數(shù)優(yōu)化公式如下：
[0017] kp= f ! (I e I，I ec I)，Ic1 = f 2 (I e I，I ec I)，kd= f 3 (I e I，I ec I)。
[0018] 進(jìn)一步的，所述步驟D中控制恒溫控制器工作過程包括：
[0019] 當(dāng)融合后溫度值〈預(yù)先設(shè)定的溫度值時(shí)，驅(qū)動(dòng)加熱模塊進(jìn)行加熱，當(dāng)融合后溫度 值〉預(yù)先設(shè)定的溫度值時(shí)驅(qū)動(dòng)降溫模塊進(jìn)行降溫，直至反應(yīng)爐中的溫度值無限接近設(shè)定值。
[0020] 基于模糊自適應(yīng)PID控制的高精度恒溫控制器，包括：主控芯片、溫度數(shù)據(jù)采集模 塊、加熱與冷卻模塊、輸入與顯示模塊；所述溫度數(shù)據(jù)采集模塊用于將采集到的溫度值傳輸 至主控芯片；所述主控芯片用于采用模糊PID自適應(yīng)控制方法得到控制加熱與冷卻模塊的 供電電壓，并自動(dòng)調(diào)整PID調(diào)節(jié)器的三個(gè)參數(shù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，通過所述供電電壓與加熱與 冷卻模塊的模型得到模糊自適應(yīng)PID控制的理論溫度值；并采用卡爾曼濾波算法對(duì)模糊自 適應(yīng)PID控制的理論溫度值與溫度數(shù)據(jù)采集模塊所測(cè)得溫度值進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，獲取準(zhǔn)確溫 度值；根據(jù)預(yù)先設(shè)定的溫度值和融合后溫度值控制恒溫控制器工作；所述輸入與顯示模塊 用于輸入?yún)?shù)、顯示融合后溫度值。
[0021] 進(jìn)一步的，所述加熱與冷卻模塊包括輻射管和通風(fēng)機(jī)。
[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：
[0023] 本發(fā)明將模糊自適應(yīng)PID控制的理論溫度值與熱電偶所測(cè)量的溫度值經(jīng)過卡爾 曼濾波算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，并驅(qū)動(dòng)加熱與冷卻模塊實(shí)現(xiàn)溫度的精準(zhǔn)控制，確保了恒溫控制 器的高度可靠性，有利于產(chǎn)生正常的化學(xué)反應(yīng)，提供更為可靠的科學(xué)實(shí)驗(yàn)依據(jù)。本恒溫控制 器控制效果非常精確，誤差率僅為〇. 02%。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明提供的恒溫控制器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖2為恒溫控制器中模糊PID自適應(yīng)控制原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 以下將結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明，應(yīng)理解下述具體 實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。
[0027] 本發(fā)明基于如圖1所示的恒溫控制器實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，由 STM32F103VET6主控芯片、溫度數(shù)據(jù)采集模塊、加熱與冷卻模塊、輸入與顯示模塊4部分組 成。其中，溫度數(shù)據(jù)采集模塊采用熱電偶溫度傳感器來測(cè)量加熱爐中的爐溫，加熱與冷卻模 塊由6根細(xì)小、高精度、加熱功率可調(diào)的輻射管實(shí)現(xiàn)加熱功能，輻射管的材質(zhì)為氧化鋁；由 變頻電機(jī)通風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)冷卻功能，其額定轉(zhuǎn)速為2300 (r/min)。STM32F103VET6主控芯片中集 成有本發(fā)明需要的運(yùn)算控制方法，主控芯片應(yīng)具備RS485通訊等常規(guī)通訊接口。輸入與顯 示模塊中包括用來顯示溫度的顯示器、以及用于輸入控制參數(shù)的輸入單元，控制模塊可采 用鍵盤操作，也可以采用觸摸顯示器集成人機(jī)交互功能。控制信號(hào)由主控芯片發(fā)出，通過光 電隔離，驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器，控制加熱與冷卻模塊來調(diào)節(jié)反應(yīng)爐中的溫度。主控芯片根據(jù)溫度 實(shí)際值與設(shè)定值的偏差，由模糊PID與自適應(yīng)算法經(jīng)卡爾曼濾波得出融合后溫度值，根據(jù) 預(yù)先設(shè)定的溫度值和融合后溫度值控制恒溫控制器工作。
[0028] 本發(fā)明控制方法包括以下步驟：
[0029] 步驟A，確定加熱與冷卻模塊的數(shù)學(xué)模型，為模糊PID控制提供對(duì)象。先對(duì)加熱與 冷卻模塊的一端施加階躍控制信號(hào)，并測(cè)取其階躍響應(yīng)，再由其響應(yīng)曲線確定加熱與冷卻 模塊的傳遞函數(shù)模型。本發(fā)明采用輻射管進(jìn)行加熱，在可控氣氛的各種熱處理爐中，為了避 免燃料燃燒產(chǎn)物與工件的接觸，或是為了避免爐氣對(duì)電熱元件的侵蝕，將燃料燃燒或電能 轉(zhuǎn)變的過程放在耐熱鋼管中進(jìn)行，讓熱量通過管壁輻射給工件。給定階躍信號(hào)250°C，用熱 電偶來測(cè)量輻射管的溫度值，每分鐘測(cè)量一次，測(cè)得的溫度值如下表1所示。
[0030]
[0031] 表1每分鐘溫度米樣值一覽表[0032] 根據(jù)Cohn-Coon公式得到如下參數(shù)公式：
[0033]
[0034]
[0035]
[0036] 其中，ΔΜ為系統(tǒng)階躍輸入；AC為系統(tǒng)的輸出響應(yīng)，ta2S是對(duì)象飛升曲線為 0. 28 Δ C時(shí)的時(shí)間（分），ta 623是溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)值時(shí)的時(shí)間。 h-(,
[0037] 分別求出以上參數(shù)k、Τ、τ，確定恒溫控制器的模型為：<3(4: = ^^：-·Γ。 7,v +1
[0038] 步驟Β，采用模糊PID自適應(yīng)控制方法得到控制對(duì)象加熱與冷卻模塊的控制參數(shù)， 并自動(dòng)調(diào)整PID調(diào)節(jié)器的三個(gè)參數(shù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化。模糊PID自適應(yīng)控制方法模型圖如圖 2所示。
[0039] 步驟Β-1，首先確定模糊控制器的輸入、輸出變量，模糊控制器采用3個(gè)模糊變量： ①溫度誤差e，②溫度誤差的變化率e。，③控制加熱冷卻模塊的供電電壓U。其中，溫度誤差 通過控制界面輸入的溫度輸入值（圖2中r in)和最終得到的溫度輸出值（圖2中yciut)相 減得出，即e(t) =rin(t)-yciut(t);溫度誤差的變化率如圖2所示，通過溫度誤差積分得到； 而輸出的供電電壓由下式表示：
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