PDF《水温控制系统》

水温控制系统娄建忠 ,李彦波 ,王永青 ,孙荣霞 ,郭宝增 (河北大学 电子信息工程学院 , 河北 保定 071002) 摘要:介绍了用模糊控制思想对 PID 参数进行实时整定方法进行水温控制的单片机系统 ,介绍了 PID 参数模糊整定的方法和系统软、 硬件的构成.

此系统对电炉加热的实验装置进行控制取得了较满意的效果. 关键词 :模糊控制 ;

单片机 ;

PID 调节 中图分类号 : TP 273.

1 文献标识码 :A 文章编号 :1000 -

1565 (2001)

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04 液体溶液的温度控制是工业生产中经常使用的 ,以往比较成熟的控制算法是 PID 调节法. 由于过程控 制系统执行机构的复杂性 ,变量间的关联性和非线性等原因 ,使找到一组合适的 PID 参数适合整个系统的 宽范围调控相当困难 ,这对要求控制范围宽 ,响应快 ,连续可调系统就显得力不从心了 ,模糊控制则显示了巨 大的优越性. 将模糊控制应用于 PID 调节参数整定 ,对使用电炉加热的水温进行控制取得了满意的效果.

1 控制算法 数字 PID 控制算法可以表示为 ΔU n = U n - U n -

1 = Kp{ [ en - en -

1 ] + Ts/ Ti * en + Td/ Ts *[ ( en - en - 1) - ( en -

1 - en - 2) ]} = Kp [Δen + Ts/ Ti *en + Td/ Ts * Δ2 en ] = Kp Δen + Ki *en + Kd Δ2 en . (1) 式中 U n 为n时刻的控制输出 , en = w - yn 为n时刻的偏差值 , w 为设置值 , yn 为被控量 n 时刻输出 , Ts , Td , Ti 分别为采样时间 ,积分时间和微分时间 , Kp 为比例控制系数. 图1典型控温曲线 Fig.

1 Curve of model temperature control 对典型控制曲线进行分析(如图

1 所示) ,可以将曲线分成 t1 , t2 , t3 , t4

4 段 ,其中 t1 , t3 段温度变化是逼近设定点的 , t2 , t4 段温度变化 是远离设定点的 ,因此可以在 t1 , t3 段减小 PID 参数值 , 降低控制强 度 ,减少超调和振荡 , 在t2 , t4 段加大 PID 参数值 ,增强控制作用 ,使 其迅速回到平衡点 ,达到平衡. 用上述模糊控制思想对 PID 参数的变 化与偏差、 和控制曲线斜率的关系进行分析 ,可以得到如下数学模型 : Kp′ = Kp + Pi [sign( en) * Δen ]. (2) Ki′= Ki + Qi [sign( en) * Δen ]. (3) Kd′ = Kd + Ri [sign( en) * Δen ]. (4) 其中 sign ( en) 为符号函数 , 且有 sign ( en) =

1 en >

0 -

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0 . Pi , Qi , Ri 收稿日期 :2000 -

09 -

18 作者简介 :娄建忠(1966 - ) ,男 ,河北保定人 ,河北大学副教授 ,主要从事集成电路和电子系统设计方面研究. 第21 卷第4期2001 年12 月 河北大学学报(自然科学版) Journal of Hebei University(Natural Science Edition) Vol.

21 No.

4 Dec.

2001 ? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 的选取与 Kp 、 Ki 、 Kd 有关 ,通常有 Pi > Ri ≥Qi . 在动态控温系统中 ,采用传统 PID 控制与 PID 参数模糊整 定相结合的方法. 首先由试验给出一组 PID 参数和阈值 ΔT ,当| en| > ΔT 时 ,采用传统 PID 控制 ( Ki 较小 , 且不进行参数整定) ,当| en| ≤ ΔT 时采用由(2) , (3) , (4) 式进行模糊整定的参数( Ki 较大) 进行控制.

2 系统硬件设计 2.

1 系统硬件结构 本系统采用一片 AT89C51 为主控制器 ,前向通道为温度采集 ,后向通道为功率控制 ,键盘和数码显示构 成人机交互通道. 系统硬件结构如图

2 所示. 传感器 变送器 A/ D 转换电路 电热丝 可控硅触发电路 单片机系统 键盘 显示 电路 过零检测电路 图2系统硬件结构框图 Fig.