單志勇1,2，張亞冰1，田洪普1
（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：對電子產(chǎn)品進行老化測試時，老化測試箱的溫度控制效果至關(guān)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(tǒng)結(jié)構(gòu)，隨后介紹了PID和模糊控制，最后對系統(tǒng)進行模糊PID控制的仿真。仿真系統(tǒng)采用模糊控制算法對溫度進行控制，實現(xiàn)了很好的控制，達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時性、穩(wěn)定性和精確度，對于工程實際應(yīng)用具有較強的借鑒意義。
關(guān)鍵詞：模糊PID ；MCU；溫度控制系統(tǒng)
0引言
在現(xiàn)代電子測試中，老化測試箱被廣泛應(yīng)用，溫度控制對電子設(shè)備的測試具有決定性影響，測試箱溫度控制系統(tǒng)具有大滯后、非線性、時變等特性。采用一般PID控制會出現(xiàn)加熱時間長、超調(diào)量大等問題。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控制方法無法解決的問題，模糊PID技術(shù)已在工業(yè)控制領(lǐng)域、家電自動化領(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℃，實用的電壓為市電交流220 V。整個系統(tǒng)由4個模塊組成，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)動電路。老化測試箱內(nèi)部有用于溫度檢測的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)的一階對象，其傳遞函數(shù)可以用以下公式表示：
通過測量系統(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，時間常數(shù)T=1 000，滯后時間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)簡單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點，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控制算法使用起來更加方便，實現(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為積分時間系數(shù),Td為微分時間系數(shù)。
由式（3）可以得到PID控制器的傳遞函數(shù)為：
由式（4）可知：
（1）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，控制過程的過渡越快，但是過大的比例系數(shù)也會引起過高的超調(diào)量。
（2）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，隨著時間的增加，積分項會增大，它的輸出增大將進一步減小穩(wěn)態(tài)誤差。
?。?）微分環(huán)節(jié)：由于微分具備對誤差提前報告的作用，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(chǔ)的現(xiàn)代智能控制技術(shù)。模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計一般可概括為模糊化、模糊規(guī)則設(shè)計、模糊推理機設(shè)計、去模糊化［3］。早在1974年英國的MAMDANI E 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(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)換成邏輯語句，最后轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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：
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，其推理過程包括隸屬度聚集、規(guī)則激活和輸出總和3個過程。二維輸入e與其變化率de/dt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(shù)μNB（x）與μPB（x）分別采用zmf函數(shù)和smf函數(shù)， μNM（x）、μNS（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，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(zhì)心法。
4試驗仿真與結(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)控制效果進行微調(diào)。
采用模糊PID控制器搭建Simulink仿真，如圖3所示，原來PID參數(shù)保存不變，增加Fuzzy模塊以及對應(yīng)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(yīng)曲線如圖4所示。通過仿真結(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。再對其進行系統(tǒng)的Simulink仿真，給定溫度60℃，分別采用PID與模糊PID控制，得到對應(yīng)輸出溫度曲線。實驗結(jié)果表明，采用模糊PID控制器可以更好地滿足系統(tǒng)溫度控制的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性，在使用微機控制的場合，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)用價值。
參考文獻
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