基于模糊PID控制的加热炉温度控制系统的设计

摘 要：文章介绍了以单片机为核心，以加热炉为控制对象的模糊PID温度控制系统。当使用模糊控制时，虽然系统技术要求即调节时间与超调量已经满足，但产生了系统的稳态误差。PID控制算法被使用后，系统的技术要求即超调量与调节时间不能同时满足。因此将具有智能性的模糊控制与具有可靠性的PID控制相互结合起来，设计了一种控制器，该控制器具有参数自整定和模糊PID的功能，在线整定了PID参数Kp、Ki和Kd。经过实验证明，理想的控制方案就是采用参数自整定模糊PID控制。

关键词：单片机；加热炉；模糊PID控制；温度控制

加热炉系统具有惯性大、延迟时间长、非线性的特点，因此采用传统的PID控制，达到的效果肯定不令人满意。将具有智能性的模糊控制与具有可靠性的PID控制相互结合起来，设计了一种控制器，该控制器具有参数自整定和模糊PID的功能，能达到较好的效果。

1 加热炉温度控制系统的设计

加热炉的温度控制系统[2]为闭环工作状态。本系统中智能控制器的重要部件是嵌入式控制器，控制面板和CPU处理器等部件组成了整个系统。加热炉内的水温、炉内水位高度的采集、数据的滤波等都是通过CPU处理器实现的，系统的一些按键操作和指示灯等都是通过控制面板实现的。

2 参数自整定的模糊PID控制器的设计

2.1 参数自整定模糊PID控制系统结构[3]

延迟、参数、干扰等因素的测量分析是通过智能控制器实现的，智能控制器即参数自整定模糊PID控制器，PID三个参数Kp、Ki和 Kd的整定是通过模糊推理方法在线整定的。

该系统是由常规PID控制器和具有模糊推理的参数校正部分组成。模糊系统的输入分别是偏差的变化率EC与偏差E，模糊系统的输出是三个PID参数的变化值，PID参数的自整定通过参数校正和在线不断变化PID参数值来实现的。

2.2 加热炉控制系统[5]参数自整定模糊PID控制

实现PID参数自整定首先确立模糊关系，即偏差e、三个参数、偏差变化率ec之间，程序运行中不断的测量e和ec，3个参数的在线整定是通过模糊控制原理实现的，从而来满足智能控制器参数的要求。

图1 为加热炉系统输出响应曲线。

实现PID参数的自整定一定考虑到不同的时间三个参数的相互作用与关系。通过总结专业人员的技术知识来实现模糊控制的设计，从而才能形成模糊规则表。下面根据参数Kp、Ki和Kd对系统输出特性的影响特性，在不同的e和ec时，被控过程对参数Kp、Ki和Kd的自整定要求为：

（1）当e较大时，即系统[6]响应处于图1的输出响应曲线第I段时，为了提高系统的响应速度，避免因开始时偏差e的突然变大可能引起微分过饱和，因此应取较大的Kp和较小的Kd，同时为了防止积分饱和这时应该去掉积分作用，即取Ki=0。

（2）当e和ec为中等大小时，即系统的响应处于图1曲线第II段时，为让系统响应的超调量减少，则Kp、Ki和Kd都不能取大，为保证系统的响应速度，就要取适中的Kp，Ki和Kd值。

（3）当e较小，即系统响应处于图1曲线的第III段中时，为让系统达到良好的稳定性能，应该增大Kp和Ki值，同时为防止系统在设定值左右出现振荡，应适当地选取Kd值，即：当ec较小时，Kd可取中等大小；当ec较大时，Kd应取小些。

基本的算法如下：由E，EC及Kp，Ki和Kd的Fuzzy子集的隶属度，再根据各Fuzzy子集的隶属度赋值表和各参数的Fuzzy调整规则模型，运用Fuzzy合成推理设计出的PID参数Fuzzy调整矩阵表，我们将其存入程序存储器中供查询。

定义Kp，Ki和Kd调整算式如下：

式中，Kp，Ki和Kd是PID控制器的参数，K'p，K'i和K'd是Kp，Ki和Kd的初始参数。控制器参数的调整是通过程序运行来计算出偏差与偏差变化率，对其进行模糊化操作得到E和EC，三个参数调整是通过Fuzzy的调整矩阵实现的。

2.3 仿真结果

智能控制器通过运用二维的Mamdani控制器，运用Max-Min的模糊控制决策，运用重心法来达到去模糊的目的，运用49条的模糊控制规则，进行仿真，得到结果如下图

图2 模糊PID控制系统响应曲线图

从图上看到系统达到的指标：调节时间tss=1000秒，超调量δ%=0，稳态误差ess=0。

由仿真曲线图可以看到，当加热炉温度控制系统采用模糊PID控制时，与原来系统相比，现在的系统具有较短的调节时间，具有较强的稳定性，满足了比较理想的技术要求。

3 结束语

本系统重点将具有智能性的模糊控制与具有可靠性的PID控制相互结合起来，设计了一种控制器，该控制器具有参数自整定和模糊PID的功能。智能控制器的控制规则是通过输出响应确定的，模糊控制规则是通过Fuzzy逻辑箱进行多次的仿真实验确定的，实验证明该系统能够实现比较理想的控制效果。

参考文献

[1]蔡自兴.人工智能控制.化学工业出版社，2005：1～10.

[2]冯勇.现代计算机控制系统.哈尔滨工业大学出版社，1997：2～13.

[3]章卫国，杨向忠.模糊控制理论与应用[M].西北工业大学出版社，1999：15～21.

[4]顾毅.智能控制发展综述[J].信息技术，2002，6：39～40.

[5]蒋智翔，杨小昭.一种新型的电储热系统-自储能电锅炉介绍.2004.中美工业锅炉先进技术研讨会会议论文集，2004：380～384.

[6]李丹，谢植，程杰.模糊控制在温度控制中的应用与发展.黄金学报，2002，2（4）：294～269.

作者简介：胡新新（1989，5-），女，学历：硕士，所属单位：青岛科技大学，研究方向：智能理论及应用。