CN202694180U

CN202694180U - 基于模糊自整定pid的温度控制器

Info

Publication number: CN202694180U
Application number: CN 201220296218
Authority: CN
Inventors: 史育英
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-06-22
Filing date: 2012-06-22
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2022-06-22

Abstract

本实用新型公开了一种基于模糊自整定PID的温度控制器，包括PC机和连接在电加热炉的传感器，在PC机上连接有数据采集卡，该数据采集卡采用A/D模转换器、中断管理器和2片可编程计数/定时器，其中一片可编程计数/定时器用作设定采样时间，通过温度显示器和传感器连接电加热炉，另外一片可编程计数/定时器通过固态继电器和开关与电加热炉相连接，为固态继电器发送脉冲，对电加热炉的温度进行控制。通过PC机和数据采集卡之间的信息交换，实现温度采集和处理。

Description

基于模糊自整定PID的温度控制器

技术领域

本实用新型涉及计算机应用技术领域，尤其涉及一种基于模糊理论的自整定PID的温度控制器。

背景技术

目前大部分的温控系统存在着大惯性、大滞后的特点，又呈现时变性、不确定性和非线性特点，很难精确地描述其控制对象的传递函数。如何运用最优控制理论，采用科学的控制策略来实现理想的控制效果，是设计温控系统的关键。常规PID控制具有结构简单、稳态误差小、可靠性高等优点，其PID调节规律非常适合于工业控制，尤其对于线性定常系统的控制很有效。但对于非线性、时变性的温控系统，常规PID控制难以实现理想的控制。存在着快速性差，超调量较大的缺点，且不能在线整定参数，实时控制不强。而模糊控制具有鲁棒性强、快速性好、超调量小的优势，非常适用于控制非线性、时变性的滞后系统，对复杂的和数学模型不清的系统能进行有效的控制。但由于模糊控制没有积分环节，稳态误差难于消除。

目前大多数的温控系统不能达到很好的控制效果，在常规PID控制的基础上融合模糊控制理论可以很好的解决这个问题。将常规PID控制与模糊控制相结合，构成一种智能的模糊PID控制器。利用模糊控制规则根据控制误差和误差变化率，在线自动整定PID参数，以满足不同工况不同时刻对PID参数的不同要求，实现良好的动静态性能。模糊PID控制器既保持了PID控制稳态精度高的优点，又保持了模糊控制动态性能好的优点，而且具有很强的鲁棒性和自适应性，是一种无需建模、操作方便、开发成本低、控制效果好的控制技术。

发明内容

本实用新型的目的在于，提供一种基于模糊自整定PID的温度控制器，该控制器的核心硬件结构采用8位数/模转换器ADC0809，以及可编程逻辑器件GAL等为核心的数据采集卡，软件实现是运用模糊PID控制理论，基于CAN总线，在普通PC机上，对现场的过程温度来进行实时控制。

为了实现上述任务，本实用新型采取如下的技术解决方案：

一种基于模糊自整定PID的温度控制器，包括PC机和连接在电加热炉的传感器，其特征在于，在PC机上连接有数据采集卡，该数据采集卡采用A/D模转换器、中断管理器和2片可编程计数/定时器，其中一片可编程计数/定时器用作设定采样时间，通过温度显示器和传感器连接电加热炉，另外一片可编程计数/定时器通过固态继电器和开关与电加热炉相连接，为固态继电器发送脉冲，对电加热炉的温度进行控制。

本实用新型的其他特点是：

所述的A/D模转换器选择ADC0809芯片。

所述的中断管理器选择8259A芯片。

所述的可编程计数/定时器选择8254芯片。

所述的传感器选用镍铬-镍硅热电偶。

所述的温度显示器采用LCD显示器。

本实用新型的基于模糊自整定PID的温度控制器，以PC机为控制核心，使用PC机上的模糊PID控制程序构成智能模糊控制器，采用模糊规则自整定PID参数进行过程控制。通过PC机和数据采集卡之间的信息交换，实现温度采集和处理。

在控制过程中，温度显示器上显示出电炉的温度，同时，传感器把电炉温度转换为电信号。该信号经过放大后被送入数据采集卡进行A/D转换，转换后的数据读入内存，计算机通过模糊控制算法对数据进行处理后输出给PID控制器，实时调节PID的控制参数，以控制传给固态继电器的PID控制器的输出，改变固态继电器的接通时间，从而控制电炉的加热时间，实现对电炉的温度调节。

附图说明

图1为本实用新型的基于模糊自整定PID的温控装置组成框图；

图2为数据采集卡的电路原理图；

图3为模糊自整定PID结构原理图；

图4为模糊PID控制算法程序框图。

以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

具体实施方式

参见图l所示，本实施例给出一种基于模糊自整定PID的温度控制器，包括PC机和连接在电加热炉的传感器，在PC机上连接有数据采集卡，该数据采集卡采用A/D模转换器、中断管理器和2片可编程计数/定时器，其中一片可编程计数/定时器用作设定采样时间，通过温度显示器和传感器连接电加热炉，另外一片可编程计数/定时器通过固态继电器和开关与电加热炉相连接，为固态继电器发送脉冲，对电加热炉的温度进行控制。

在PC机上，利用PC机上的模糊PID控制程序构成智能模糊控制，采用模糊规则自整定PID参数进行过程控制。通过PC机和数据采集卡之间的信息交换，实现温度采集和处理。

本实施例中，传感器选用镍铬-镍硅热电偶。温度显示器采用先进的LCD显示器。

图2为申请人设计的基于CAN总线的数据采集卡的电路图。该数据采集卡采用A/D模转换器ADC0809芯片、中断管理器8259A和2片可编程计数/定时器8254芯片。

ADC0809芯片是8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器能对8路模拟信号进行采集与转换，在模拟信号接到ADC0809芯片的通道0上。当在其引脚START端加上一个有效电平时，启动A/D转换。转换结束，引脚Eoc端出现高电平，此信号可作为微机中断或查询信号。

在数据采集卡上，共使用了2片可编程计数/定时器8254芯片，其中一片用作设定采样时间，另外一片通过固态继电器和开关与电加热炉相连接，为固态继电器发送脉冲，对电加热炉的温度进行控制。可编程计数/定时器8254芯片内部有3个相互独立的16位计数器T0、Tl、T2，每个计数器可编程为6种不同的工作方式。

3个内部定时器采用级联方式，定时器T0、T2设定为工作方式3。定时器Tl设定为工作方式0。当计数单元CE为零时，其输出OUT信号变为高电平，可以把OUT由低电平到高电平的变化作为计数/定时的中断请求信号。定时器Tl和T2的门控端GATE接高电平，允许计数器对CLK脉冲进行计数。定时器T0门控端受定时器Tl输出端OUT1的控制，当OUT1输出高电平时禁止计数。定时器T2的时钟信号由数据采集卡上的晶振得到，其频率为1.8MHz，T2的输出信号OUT2作为定时器T0的时钟信号。定时器Tl工作于方式0，其时钟输人端由定时器T0的输出OUT0来提供。

由于第一片8254芯片用来控制固态继电器的通断，因此对这两片8254中的Tl计数结束所产生的中断系统并没有响应。内部定时器Tl的输出经过反相器后接到定时器T0的门控端GATE0，当定时器Tl计数时，OUTI输出高电平，反相成为低电平加到定时器T0的门控端GATE0，使T0禁止计数，不再给固态继电器发送脉冲，这样继电器开关（强电）就被切断。采集卡上第2片8254用来设定采样时间。置初值后开始计数，计数结束时，其输出一方面经反相器反控制T0的门控端GATE0，使Tl禁止计数，另一方面通过中断管理器8259A向CPU申请中断，在中断服务程序中，进行数据采集。因此，对第2片8254装人不同的计数初值即可得到不同的采样时间。

数据采集软件采用模块化结构设计，各功能模块子程序相互独立，调试方便，易于维护。整个软件分为主程序，中断服务程序和功能模块子程序。程序设计采用多线程的思想，将实现的功能分解为A/D转换、数字量采集和存贮、外设显示3个主要任务，其中A/D转换和数字量采集存贮采用定时器中断进行控制。主程序主要完成系统的初始化，然后循环执行外设显示子程序，同时等待中断的发生。各个任务采用定时器中断来完成，具有采样频率可调，采样周期恒定的优点。

由于温度控制器的精确数学模型难以获得，除了采用数字PID进行控制外，还可以采用模糊PID控制。如图3所示为本实用新型的模糊自整定PID结构原理图。在控制过程中，根据温度偏差E以及偏差变化率EC进行决策，模糊控制器的输出量PID控制器的三个控制参数，用PID来控制为一个采样周期中固态继电器的接通时间。

控制器的输入量是误差E和误差变化率Ec，必须对精确的输入量转化为模糊量，将基本论域转化到模糊集合论域。E、Ec的基本论域为【-6，+6】。为保证模糊集能较好地覆盖论域，避免失控现象，适当提高离散的细分级数，设计将【-6，+6】离散成13个等级，即：【-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6】。为了尽可能地提高控制精度，设计将【-6，+6】分割成【NB】、【NM】、【NS】、【ZE】、【PS】、【PM】、【PB】等7个模糊集合。根据温控系统的特性，并结合实验研究结果，选择E和Ec的隶属函数曲线为正态型，然后由E、Ec隶属函数得出相应的模糊变量。

PID参数的整定必须考虑到在不同时刻3个参数的作用以及相互间的关联影响。根据Kp、Ki和Kd对系统控制的影响，并总结控制系统的设计经验，可归纳出在不同的|E|和|Ec|时，被控过程对参数Kp、Ki和Kd的自整定要求为:当|E|较大时，Kp应较大而Kd应较小，使系统响应加快，并使Ki=0以免大的超调；当|E|中等时，Kp应较小使超调较小，Ki、Kd应适当，并关注Kd对系统的响应；当|E|较小时，Kp和Ki应较大，使系统有较好的稳态性能，Kd应适当避免出现振荡。原则是:当|Ec|较小时，Kd可大些，当|Ec|较大时，Kd应小些。根据PID参数的作用和|E|和|Ec|的不同组合，结合实际工况下对PID参数的要求，来获取Kp、Ki和Kd的模糊控制规则，建立模糊控制规则表。

模糊推理采用并行法，根据模糊控制规则和输入量求出模糊控制器的输出，它由Kp、Ki、Kd三个子推理器完成。将采样得到的误差e和误差变化率ec经模糊处理后，代入模糊控制规则表，得出PID参数的调整量，再经过PID算法的计算就得出了最后的输出量，这样就构成了模糊控制表。实时控制中根据在线计算的输入量，直接查询控制表可获得控制量的信息，作为输出去控制被控对象。

模糊推理得出的结论是模糊量，必须将模糊量转化为清晰量，即进行去模糊化处理。对经过模糊控制表求得的Kp、Ki、Kd采用重心法进行去模糊化处理，其公式如下：

u (k) = K_{p} e (k) + K_{i} T Σ_{j = 1}^{k} e (k) + K_{d} Δe (k) / T

式中，u(k)为k采样周期时的输出，e(k)为k采样周期时的偏差，T为采样周期。输出u(k)乘上相应的比例因子Ku可得到精确的输出量u。输出量u的公式为：

u＝u(k)K_u

由输出量u来控制固态继电器的导通时间，以完成对温度的控制。

由控制表得到的输出量不能直接控制执行机构，还必须将其转换到控制对象所能接受的基本论域中去。在实际控制过程中，把控制表存放到内存中，便可以实现在线实时控制。在采样周期内，计算机对炉温进行采样，并将实际温度值Y与给定值S相比较，得到温度的偏差E=Y-S，经过PC机处理可以取得偏差变化的数字量EC=E(k)-E(k-1)。E和EC经过量化转换并查询模糊控制表的控制量，再乘以量化因子得到实际控制量，用来控制固态继电器的接通时间，达到控制目的。模糊控制的程序流程图如图4所示。

Claims

1.一种基于模糊自整定PID的温度控制器，包括PC机和连接在电加热炉的传感器，其特征在于，在PC机上连接有数据采集卡，该数据采集卡采用A/D模转换器、中断管理器和2片可编程计数/定时器，其中一片可编程计数/定时器用作设定采样时间，通过温度显示器和传感器连接电加热炉，另外一片可编程计数/定时器通过固态继电器和开关与电加热炉相连接。

2.如权利要求1所述的基于模糊自整定PID的温度控制器，其特征在于，所述的A/D模转换器选择ADC0809芯片。

3.如权利要求1所述的基于模糊自整定PID的温度控制器，其特征在于，所述的中断管理器选择8259A芯片。

4.如权利要求1所述的基于模糊自整定PID的温度控制器，其特征在于，所述的可编程计数/定时器选择8254芯片。

5.如权利要求1所述的基于模糊自整定PID的温度控制器，其特征在于，所述的传感器选用镍铬-镍硅热电偶。

6.如权利要求1所述的基于模糊自整定PID的温度控制器，其特征在于，所述的温度显示器采用LCD显示器。