基于模糊PID和单片机的温度控制系统设计

傅以盘

摘要：温度控制系统在多种类型的生产设备上都有应用，并且系统运行效果直接决定着生产设备的运行稳定性与安全性，因此有必要优化和改良温度控制系统设计，提高系统运行效果。基于此，本文介绍了一种基于模糊PID和单片机的温度控制系统设计，从硬件设计和软件设计两方面入手，对温度控制系统设计进行了全面分析和介绍。

关键词：模糊PID;单片机;温度控制系统;硬件;软件

引言：模糊PID是一种现行控制，其核心基础为PDI算法，将误差e和误差变化率ec作为输入，利用模糊规则进行模糊推理，从而通过查询模糊矩阵表去调整参数，以此满足不同时刻e和ec对PID控制的参数自整定要求。基于模糊PID和单片机的温度控制系统设计可以实现对温度的弹性控制，境地温度信号延迟以及滞后，进而使得温度控制系统模型更加稳定，提高温度控制系统的控制效果。

一、温度控制系统硬件设计

（一）系统硬件电路设计

基于模糊PID和单片机的温度控制系统设计基于传统的温度控制系统，系统硬件电路大体一致，可以分为八个部分，分别为单片机控制模块、温度检测模块、电源稳压模块、温度设定模块、过零检测模块、驱动控制模块、温度蜂鸣报警模块以及温度LED现实模块。需要根据温度控制系统实际应用需求以及所要达到的

控制效果进行合理设计，构建一个完整且运行高效的系统硬件电路[1]。温度控制系统硬件连接方式如图1所示。

（二）温度传感器选择

基于PID和单片机的温度控制系统设计主要设备包括传感器、控制仪表、单片机等。其中，在选择温度控制系统传感器的时候，要选择结构加单、可好性高的新型智能温度传感器，例如美国DALLAS半导体公司研发并推出的单总线器件DS18B20传感器，具有“一线总线”以及经济适用等特点，可以更加容易组建傳感器网络。该传感器的温度控制范围在-55℃到125摄氏度之间，在-10℃到85℃区间范围内可以达到±0.5℃的测量精度。智能型温度传感器采用了符号扩展的16位数字量方式，实现了串行输出，温度控制系统的抗干扰性得到了极大提升，可以适用于多种恶劣操作环境。

（三）温度控制系统仪表功能要求

温度控制系统的仪表选择要具备以下几种功能要求：第一可以认为调整控制温度值，温度仪表可以自动加热到设定温度并开启温度保持。第二可以独立实现测量电炉温度，无需其它辅助设备支撑。第三要具备较高的运行可靠性，需要适应多种工作环境，降低故障率。第四要具备自动加热保护功能，提高仪表使用安全性，即在电炉实际温度超过设定温度时，温度控制仪表需要自动检测温度异常情况并做出断电指令，做好超温保护。第五是仪表拆装、检修方便、快捷，掌握基本电子知识的工作人员在阅读使用说明书后均可自行完成安装或者维修[2]。

二、温度控制系统软件设计

（一）温度控制系统软件设计流程

基于模糊PID和单片机的温度控制系统软件设计使用了模块化思想，将系统软件分为了数据采集、数据输出、数据交互以及人机交互操作四个大的模块。其中，数据采集模块作为温度控制系统软件设计的基础模块，采用了AVR单片机自带的A/D转换器，需要将模拟PID的模拟量转换为数字形式，并对数字形式的信号进行滤波处理。而输出模块的设计则采用了模糊PID算法，通过分析和整理采集到的数据值，结合系统操作者设定的温度数值，对其进行整体计算，并通过AVR单片机的A/D转换器将其转换为模拟量。温度控制系统的数据交互模块主要是利用单片机自带的USB接口直接连接到单片机的芯片上，进而得到U盘中的数据。温度控制系统的人机交互操作模块就是为了实现键盘、显示器以及打印机之间的数据转换和处理。温度控制系统软件的工作流程为开始-系统参数自检-系统初始化（系统自调整）-显示画面-采集数据滤波-显示更新-模糊PID算法-控制温度输出-结束。温度控制系统软件设计流程如图2所示。

（二）温度控制系统模糊化处理

基于PID和单片机的温度控制系统的模糊化处理，首先需要通过系统将获取的信号进行数字化转换，然后将操作人员根据生产需求设定的温度值输入到语言变量温度差中，并与偏差变化率进行对比，最后将输出的信号变量作为PID参数进行调节，进而实现模糊化处理。在进行模糊化处理的过程中，需要设置偏差的基本论域和偏差模糊集合论域。其中，模糊偏差变化率基本论域是偏差所取范围内的集合，需要通过计算获取偏差精准量，并将得到的精准量进行离散处理，离散后的数据量具有连续性特点，可以进行档数等级划分。为了实现模糊化处理，在处理中需要将输入量从基本论域转化为模糊集合论域，并在量化因子的支持下完成。经过模糊PID处理过的输入值和输出值可以组成包括负大、负中、负小、零、正小、正中以及正大的模糊子集，并以此为基础可以绘制成函数曲线。

（三）温度控制系统模糊计算与运行规则

在进行温度控制系统模糊计算和应用时，为了获得更好的动静态特性，需要在不同输入区域内使用模糊PID算法设置不同的参数，提高温度控制系统运行稳定性，并且需要从系统持续响应时间和稳态精准度的角度出发，通过调节温度控制系统运行参数的方式其影响整个系统的性能，提高温度控制效果。一般情况下，模糊PID温度控制的原则有三个，第一是如果温度数值偏差较大时，温度控制系统需要加快响应速度，以此缩短持续响应时间，预防偏差出现。在出现偏差以后，温度控制系统就会因为过分饱和导致控制失效问题，因此在选取PID参数时，需要选取一个较大参数作为上限，并以一个较小参数作为下限，另选一个参数为0[3]。第二个规则是在偏差和偏差变化率都在中等大小时，为了保证温度控制系统的可控范围保持不变，需要保证响应速度一致，因此需要选取两个较小参数和一个中等参数值。第三个规则为数值偏差较小时，为了提高温度控制系统的运行稳定性，需要选择两个较大的参数值。另外，为了区别输出响应值和设定值，需要提高温度控制系统的抗干扰能力，在偏差率较小的情况下需要选择最大值作为参数，偏差率较大时，参数应该选择最小值。

三、结论

总之，基于模糊PID和单片机的温度控制系统设计需要结合传统的温度控制系统结构，利用先进的设计理念和技术，充分利用模糊PID算法，发挥出模糊PID算法的优势，提高温度控制系统的运行智能化和灵活性，实现数据实时采集、处理，温度智能控制，控制结果实时显示等功能，进一步提高温度控制系统运行效果，优化系统工艺，简化系统操作流程，增加经济效益。

参考文献：

[1]刘家琪，刘嵩，韦亚萍，李坤，张齐松.基于单片机的PID温度控制系统设计[J].湖北民族学院学报（自然科学版），2019，37（02）：219-222.

[2]王欣峰，任淑萍.基于模糊PID的AVR单片机智能温度控制系统设计[J].现代电子技术，2018，41（15）：179-182+186.

[3]童宥维，孙歆钰.基于模糊PID的通用中档单片机温度控制系统设计[J].信息通信，2016（08）：78-79.