單志勇1,2，張亞冰1，田洪普1
?。?.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620；2.教育部數(shù)字化紡織服裝技術(shù)工程研究中心，上海 201620）
摘要：對(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行老化測(cè)試時(shí)，老化測(cè)試箱的溫度控制效果至關(guān)重要。為了改善老化測(cè)試箱的溫度控制，介紹了溫度測(cè)試箱的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，隨后介紹了PID和模糊控制，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模糊PID控制的仿真。仿真系統(tǒng)采用模糊控制算法對(duì)溫度進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了很好的控制，達(dá)到了滿意的控制效果。仿真結(jié)果表明，模糊控制方法提高了控制的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和精確度，對(duì)于工程實(shí)際應(yīng)用具有較強(qiáng)的借鑒意義。
關(guān)鍵詞：模糊PID ；MCU；溫度控制系統(tǒng)
0引言
在現(xiàn)代電子測(cè)試中，老化測(cè)試箱被廣泛應(yīng)用，溫度控制對(duì)電子設(shè)備的測(cè)試具有決定性影響，測(cè)試箱溫度控制系統(tǒng)具有大滯后、非線性、時(shí)變等特性。采用一般PID控制會(huì)出現(xiàn)加熱時(shí)間長(zhǎng)、超調(diào)量大等問(wèn)題。要取得好的控制效果，需要調(diào)節(jié)比例、積分、微分控制作用。模糊PID控制技術(shù)是一門非常具有潛力的控制技術(shù)，它模擬人的思維方式，能有效解決傳統(tǒng)PID控制方法無(wú)法解決的問(wèn)題，模糊PID技術(shù)已在工業(yè)控制領(lǐng)域、家電自動(dòng)化領(lǐng)域和其他領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1］。本文嘗試將模糊PID控制技術(shù)應(yīng)用在老化測(cè)試箱的溫度控制當(dāng)中。
1老化箱的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
老化箱的溫度控制系統(tǒng)是以微處理器為核心，采用PID控制，使得溫度可以控制在測(cè)試范圍當(dāng)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(shí)用的電壓為市電交流220 V。整個(gè)系統(tǒng)由4個(gè)模塊組成，如圖1所示，采用MUC控制，其內(nèi)部包括A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊、繼電器和輔助繼電器驅(qū)動(dòng)電路。老化測(cè)試箱內(nèi)部有用于溫度檢測(cè)的PT100，以及用于加熱的加熱絲。
由于老化箱一般可以看作帶有純滯后環(huán)節(jié)的一階對(duì)象，其傳遞函數(shù)可以用以下公式表示：
通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)溫度的飛升曲線，可以得到老化箱的傳遞函數(shù)的參數(shù):放大系數(shù)K=120，時(shí)間常數(shù)T=1 000，滯后時(shí)間τ=60 s。得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：
2PID控制
由于PID控制算法具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)控制領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用［2］。尤其當(dāng)微控制器應(yīng)用在控制領(lǐng)域后，PID控制算法使用起來(lái)更加方便，實(shí)現(xiàn)了軟件的數(shù)字PID控制算法。數(shù)字PID控制器比傳統(tǒng)模擬PID控制器的控制性能更好，廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中。它是將比例、積分、微分控制并聯(lián)在一起。假定在系統(tǒng)給定與反饋出現(xiàn)偏差：
e(t)=r(t)－y(t)(3)
可以用如下表達(dá)式表示：
其中,u（t）為控制器的輸出,Kp為比例系數(shù),Ti為積分時(shí)間系數(shù),Td為微分時(shí)間系數(shù)。
由式（3）可以得到PID控制器的傳遞函數(shù)為：
由式（4）可知：
?。?）比例環(huán)節(jié)：其主要作用是放大誤差作用，當(dāng)給定和輸出出現(xiàn)偏差，控制器使偏差放大，比例系數(shù)越大，控制過(guò)程的過(guò)渡越快，但是過(guò)大的比例系數(shù)也會(huì)引起過(guò)高的超調(diào)量。
?。?）積分環(huán)節(jié)：為了消除誤差，控制器必須引入積分環(huán)節(jié)，積分環(huán)節(jié)的引入，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大，它的輸出增大將進(jìn)一步減小穩(wěn)態(tài)誤差。
?。?）微分環(huán)節(jié)：由于微分具備對(duì)誤差提前報(bào)告的作用，適當(dāng)?shù)奈⒎窒禂?shù)可以微分加快系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)程。
3模糊控制
模糊邏輯控制是以集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的現(xiàn)代智能控制技術(shù)。模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般可概括為模糊化、模糊規(guī)則設(shè)計(jì)、模糊推理機(jī)設(shè)計(jì)、去模糊化［3］。早在1974年英國(guó)的MAMDANI E H首次使用模糊控制語(yǔ)句組成控制器，并且把它運(yùn)用到工業(yè)控制當(dāng)中，獲得了成功。模糊控制本質(zhì)上是非線性控制，模擬人類思維方式，將人的控制轉(zhuǎn)換成邏輯語(yǔ)句，最后轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)控制［4］。
3.1模糊化
模糊化首先把輸入的信號(hào)轉(zhuǎn)換成模糊量，方便輸入到推理機(jī)進(jìn)行處理。假定輸入的信號(hào)為，X1,e1∈［－x，+x］，模糊論域?yàn)閁={－3，－2，－1，0，1，2，3}，采用7級(jí)的模糊子集NB、NM、NS、0、PS、PM、PB，則需要量化因子：
ke=3x（6）
3.2隸屬度函數(shù)
本模糊控制器采用Mamdani模糊推理方法，其推理過(guò)程包括隸屬度聚集、規(guī)則激活和輸出總和3個(gè)過(guò)程。二維輸入e與其變化率de/dt的論域?yàn)椋?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(shù)μN(yùn)B（x）與μPB（x）分別采用zmf函數(shù)和smf函數(shù)， μN(yùn)M（x）、μN(yùn)S（x）、μ0（x）、μPS（x）、μPM（x）都采用trimf函數(shù)。在設(shè)定隸屬度函數(shù)時(shí)，應(yīng)該保證重疊在0.2~0.6之間。
模糊推理規(guī)則可以用表達(dá)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。
通過(guò)模糊推理可以得到模糊量，然后要對(duì)其進(jìn)行去模糊化，本模糊控制器采用質(zhì)心法。
4試驗(yàn)仿真與結(jié)論
采用傳統(tǒng)PID控制器搭建Simulink仿真如圖2所示，設(shè)定給定溫度為60℃，溫控箱傳遞函數(shù)拆分成一節(jié)環(huán)節(jié)圖3模糊PID控制系統(tǒng)仿真圖
Transfer Fcn和一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)Transport Delay。PID參數(shù)整定采用臨界比例帶法。 當(dāng)KP=0.225時(shí)出現(xiàn)臨界震蕩，臨界比例帶δk=4.44，Tk=235 s，可得δ=1.67δk，Ti=0.5Tk，Td=0.125Tk。得到KP=0.134，Ti=117.51，Td=29.37，最后再根據(jù)控制效果進(jìn)行微調(diào)。
采用模糊PID控制器搭建Simulink仿真，如圖3所示，原來(lái)PID參數(shù)保存不變，增加Fuzzy模塊以及對(duì)應(yīng)量化因子，輸入輸出部分對(duì)其進(jìn)行限幅。
輸入給定溫度60℃，仿真時(shí)間為1 000 s，PID控制輸出曲線與模糊PID響應(yīng)曲線如圖4所示。通過(guò)仿真結(jié)果可以知道，模糊PID與PID相比，其系統(tǒng)的控制所需要的調(diào)節(jié)時(shí)間更短，超調(diào)量更小，控制效果更好。系統(tǒng)誤差最后穩(wěn)定在0℃。
5結(jié)論
本文介紹了老化測(cè)試箱的控制系統(tǒng)及其系統(tǒng)模型，隨后描述PID和模糊PID控制。再對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的Simulink仿真，給定溫度60℃，分別采用PID與模糊PID控制，得到對(duì)應(yīng)輸出溫度曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用模糊PID控制器可以更好地滿足系統(tǒng)溫度控制的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性，在使用微機(jī)控制的場(chǎng)合，只需要優(yōu)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(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
?。?］ 黃衛(wèi)華.模糊控制系統(tǒng)及應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社,2012.
［2］ 劉金琨.先進(jìn)PID控制的Matlab仿真（第3版）［M］.北京:電子工業(yè)出版社,2011.
?。?］ 楊曉武.李勁松,李干榮,等.基于MATLAB 的鍋爐液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］ .化學(xué)工程與設(shè)備,2014,16(1):1114.
［4］ 李曉丹.模糊PID控制器的設(shè)計(jì)研究［D］.天津:天津大學(xué),2005.