优化PID算法在小型温控系统中的应用

摘 要：小型温控系统在高科技产品中有着广泛的应用，PID控制算法是避免温度控制系统超调的一种行之有效的算法；然而对于小型温度系统，往往要求控制时间迅速，在90 s以内要求温度即可回归制定区域，PID控制算法不能胜任。本文对PID控制算法进行优化，使之能够达到快速控制的目的。

关键词：PID控制 小型温控系统 模糊控制

中图分类号：TN919 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）12（a）-0011-01

1 小型温控系统的构成

采用TEC制冷器作为温度控制元件，铂电阻作为温度传感器进行温控系统的设计，系统具备体积小（58 mm×48 mm×18 mm）、质量轻（300 g）、效率高（75%以上）的特点。系统组成原理框图如图1所示。

其中：x（t）是设定的系统温度控制区间，y（t）是输出电压信号，e（t）是输出产生的误差信号。对于该系统，其PID控制方程可表示为一般形式：

y（t）=kp[e（t）+1/ti（∫e（t）dt）+tdde（t）/d（t）]

其中：

kp是调节的比例系数；

ti是调节器的积分时间；

td是调节的微分时间。

2 PID算法的优化

小型温控系统中，由于动态调节的积分时间与微分时间较长，系统设计要求的动态响应速度又十分迅速，所以无法实现真正意义上的PID控制。在PID的三个参数：比例系数、积分系数、微分系数生成之前，引入模糊逻辑理论，对PID参数进行优化，优化后的PID三个参数会应外界环境变化自动调节，以保证控制系统的稳定性。

优化算法中，不仅考虑偏差e（t），并且考虑偏差的变化率v（t）。将e（t）与v（t）作为输入量，经过多次试验，形成kP，ki，kd的控制规则矩阵，在程序计算中的每个采样周期采用查表法输出kp，ki，kd的值。其数学模型如图2所示。

系统应用中控制算法由软件实现，首先对y（t）、e（t）、v（t）等PID参数进行数字离散化，得到y（n）、e（n）、v（n）等。利用迭代法将前一时刻的参数值存进数组，下一时刻的参数值与前一时刻进行比较，从而得到误差变化率。

3 试验结果及分析

经过实际检验，利用优化后的PID算法对系统进行温度控制，当被控对象表面温度在-55 ℃～+70 ℃之间变化时，系统可于100 s之内将被控对象温度调节至0～20 ℃区域。满足系统的设计要求。

利用matlab对系统进行阶跃响应仿真，如图3所示。

由仿真结果可明显看出相对于传统意义上的PID调节，引入模糊控制理论优化后的系统，系统响应迅速，不存在温度超调现象。

4 结语

采用模糊控制理论对传统PID控制理论进行优化，有些列几个优点：（1）系统响应迅速，优化后的算法超调量和调整时间均小于常规PID算法。（2）算法中的比例系数、微分系数、积分系数均动态变化，具有自适应的特性。（3）由于查表法在程序上简单、易行，该方法可降低系统设计的硬件成本。

参考文献

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