一种高精度自适应温控算法的设计与实现

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Design and Application of a High-Accurate AdaptiveTemperature Control AlgorithmGU0 Tian-tian，SHEN Qin，ZHOU Ming-an(School of Basic Education for Commanding Oficers，National University of Defense Technology，Changsha 410072，China)Abstract：PID control is simple and being widely used.Fuzzy control has rapid response，good dynamiccharacteristics and is very suitable for the control of objects which dont have accurate mathematical modeland changing all the time.But for the big inertia，pure time-delay，nonlinearity are greatly affected by cir-cumstances complex temperature control system.PID can not make good control，Fuzzy control can not a。

ehieve the required accuracy.If PID iS combined with Fuzzy.the new control method will possess the ad。

vantages of the two.Accroding to this idea，a high-accurate adaptive temperature control algorithm is pro-posed，and the algorithm flow and fuzzy reasoning rules were designed.The test results showed that the a1。

gorithm has good adaptability，stability，accuracy，much better performance than PID control and has agreat application prospect on the field of constant-temperature chemical apparatus。

Key words：temperature control；PID control；Fuzzy control；adaptive tune在温度控制领域 PID控制是应用最广泛的控制方法，它结构简单、易于实现。PID参数对控制效果起着至关重要的作用，为了取得好的效果，当受控对象特征发生变化时，需要对参数作相应的调整，但传统 PID方法对此无能为力。为此，在有些温度控制中采用了模糊控制技术 (Fuzzy contro1)，使控制过程可以随受控对象的变化而变化，并取得了较好的控制效果，但当精度要求较高时，模糊算法难以满足。所以，有人提出采用模糊控制和 PID控制相结合的方法来进行温度控制 I4 ，这些方法在各 自的应用 中都取得了较好的效果，但有的算法较为复杂，不适合在单片机上实现；有的控制精度不高；有的需要采用精密器件，成本较高。

本文针对采用电阻丝加热的温控系统，融合 PID控制和模糊控制的优点，设计实现了-个高精度自适应温控算法。

收稿日期：2012-12-05基金项目：国防科技大学基金项 目(JH200909002)。

作者简介：郭天天(1974-)，男，博士，副教授，主要从事弹药工程与爆炸技术、智能控制与多传感器信息融合等研究。

72 四 川 兵 工 学 报 htp：//scbg.jourserv.com/1 系统结构某恒温化学检测仪器的研制需要设计并实现-个温控系统 ，要求恒温37C，误差允许范围范围为 ±0.1℃，其硬件结构如图 1所示。

图 1 仪 器温控硬件 结构框 图受控对象为铝制试管架，共有 3种尺寸，加热部件为电阻丝绕制而成的加热片，也有 3种规格，用螺丝固定在试管架的底部∝制部件为AT89S52单片机，它采集温度传感器DS18B20的输出，输出 PWM信号，通过可控硅控制加热片的通断，以达到温控的目的。

该温控系统的要求和特点如下：1)温控精度高，达到 -4-0.1℃；2)温控稳定性高，不能出现过冲，即任何时候温度都不能高于 37.1℃；3)受环境因素影响大，受控对象尺寸、加热片功率和效率各不相同，且铝吸热、散热快。

为解决上述问题 ，根据被控系统的实际响应，运用模糊推理，考虑加热片的功率和效率、目标温度与环境温度差等因素，提出了-种高精度自适应温控算法 ，实现温控过程中PID参数的自适应调整 ，以满足系统要求。

2 PID与模糊温控原理2.1 PlD控制原理PID是-种闭环控制，其原理如图2所示。

图2 PID控制原理图2中 r(t)为设定值，Y(t)为实际值 ，e(t)：r(t)-Y(t)为两者的偏差。PID控制的主要原理为将 e(t)的比例项、积分项和微分项，通过线性组合构成控制量进行控制 ，故称PID控制器，其控制规律为H(t)KeK/cedfKo )式中： 、K，和 分别为比例系数、积分系数和微分系数；比例系数 决定系统的响应速度；积分系数 主要用的消除系统的稳态误差；微分系数 改善系统的动态特性。PID控制实现简单、应用方便，并可以连续控制。但如果受控对象具有时变、非线性、大滞后等特点 ，则 PID控制算法难以满足要求。

2.2 模糊控制原理模糊控制系统是-种以模糊数学为理论基础，采用模糊表示语言和模糊逻辑规则推理，利用计算机技术构成的闭环自控系统，适用于控制无法取得精确数学模型、数学模型不确定或经常变化的对象，它主要依赖于操作人员的经验和直观判断 ，非常容易应用 J。其结构如图 3所示。

图3 模糊控制系统的组成温度控制系统的模型通常是不完善的，即使模型已知，也存在参数变化的问题。PID控制虽然简单、方便 ，但难以解决非线性和参数变化等问题。模糊控制不需要对象的精确模型，适合复杂温控系统的控制。但在实际应用中，如果温控精度较高，则模糊控制难以达到。

2.3 模糊 -PID复合控制模糊 -PID复合控制是-种 PID与模糊控制相结合的控制方法 。其主要原理为，当温度偏差较大时采用模糊控制，响应速度快，动态性能好；当温度偏差较小时采用 PID控制 ，使其具有 良好 的静态性 能，以满足系统控制精度。模糊 -PID复合控制可以实现两者的优势互补，比单-的模糊控制或单-的 PID调节有更好 的控制性能，其原理如图 4所示。

图4 模糊推理 -PID复合控制原理框图3 自适应温控算法设计与实现3.1 设计思想算法针对的是-个具有大惯性、纯滞后、非线性的时变系统，其变化机理非常复杂，难以建立精确数学模型。采用模糊 -PID复合控制既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有 PID控制精度高的特点 ，可以较好地解决动态响应和稳定精度之间的矛盾。

如果采用模糊 和 PID分段控制 ，在切换时容易产生干扰，且模糊推理规则和 PID控制参数都难以确定。所以将模郭天天，等：-种高精度 自适应温控算法的设计与实现 73糊控制与PID控制并联使用，主要思想为，先找出PID控制器的3个参数与偏差e(t)和偏差变化率c( )之间的模糊关系，在控制过程中采样和计算 e(t)和 C(t)，根据事先确定好的模糊推理规则实时计算参数的修正量，再使用修正后的参数进行 PID控制。在模糊推理中，e和 c(t)作为输入，PID控制器3个参数的修正量作为输出，如图5所示。

图5 自适应算法框图3.2 离散 PID算法因为算法要在单片机上实现，所以使用离散 PID算法，式(1)所示的 PID公式可变换如下所示的离散形式。

u(n)K e( )等∑e(J) (e(n)-e(n-1))Kee(n)KI∑4j)Ko(e(n)-e(n-1))式中：U(n)为控制器的输出；e(n)为偏差值； 为采样周期；TI为积分时间；To为微分时间；KIKs ，KIKs I S。

1 I因为系统加热速度较快，温控精度要求高 ，且不能出现过冲，这就要求较高的采样频率和较多的历史数据，所以算法中 的取值为2 s，n的取值为20，KsKs △ ， ：Kj fT Kl，KoKDjNT KD，KPjNT10、KfjNT0.22和Ko M 100分别为3个系数的初始值。

3.3 模糊推理3.3.1 模糊化处理模糊控制器中系统输入 、输出变量的实际变化范围，称为变量的基本论域。在进行模糊推理时，必须先将输入变量从基本论域转化到相应模糊集的论域 J，在算法中，采用模糊化处理Y： ( - ) L 丁式中： 为闭区间[a，b]上的精确量；y为[-n，m]( 为不小于2的正整数)中的模糊离散量； ±旦为量化因子。

本算法中，模糊控制系统的输人变量为温度偏差 e和偏差变化率 c，输出变量为 PID的 3个参数。8和 c的论域为-3，-2，-1，0，1，2，3，模糊集为：NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB。AKs的论域为 -0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3，△ 的论域为 -3，-2，-1，0，1，2，3，AKo的论域为-0.03，-0.02，-0.01，0，0.01，0.02，0.03，三者的模糊集均为NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB。为了计算和编程的方便，所有变量都采用三角形隶属函数。

3.3.2 模糊控制规则制定模糊控制规则要从温控系统的实际情况出发 ，根据PID 3个参数的作用以及它们之间的相互关系，综合考虑稳定性、响应速度、超调量、控制精度等因素 J，在不同阶段采用不同的规则。根据经验和反复测试，我们采用的控制规则如下：1)初始阶段，认大的 以提高响应速度，认小的以防止积分饱和， 取小值。

2)中间阶段， 、K，和 都取中间值，以保证-定的响应速度及避免超调。

3)最后阶段， 取大值以减胁差 ，增大 以减胁差并提高稳定性，减小 以防止产生振荡” 。

采用 若 且 B则 C”(if A and B then C)，即 R(A XC)n(B×C)的推理策略。△ 、△ 、△ 的模糊控制规则如表 1～表 3所示。

表 1 AK 模糊控制规则模糊推理得到的结果是控制量的-个模糊子集，采用加74 四 川 兵 工 学报 htp：//scbg.jourserv.corn/权平均法将其去模糊化，变为精确量输出。

3.4 算法流程算法采用 C51语言编写，在 AT89S52单片机上实现，流程如图 6所示。

图 6 软件 流程首先设置参数的初始值 ，然后定时器每2 S钟产生中断，进入中断服务程序进行模糊推理和PID运算，输出PWM信号控制加热片的通断，中断服务程序的流程如图7所示。

< 中断入。>l采样当前温度 ( )Il计算偏差er-v(k)ll 计算变化率c( )P( )-P(七-1) lI 模糊化e(七)、c( )I查规则表 、模糊推理、参数修正f PID/g f运算结果输 出图7 中断服务程序流程4 试验结果与分析将算法应用于所研制的仪器进行了-系列试验。由于仪器为-次开机，长期使用，对加热时间不是很敏感，所以重点测试了温控精度，对模糊-PID复合控制和单PID控制进行了对比。由于仪器的研制历经2年的时间，得以在不同环境温度下进行试验，图8-图 10为试验结果。

试验采用的温度传感器的分辨率为0.062 5℃，记录试验结果时将其进行了四舍五入，图中的数据均为不同仪器多次试验结果的平均值，横坐标为时间(分钟)，纵坐标为温度(oC)。通过分析可以发现：1)模糊 -PID自适应算法温度控制稳定，出现的波动较少，当环境温度为4C和 3O℃时，在 2h的试验时间里，出现了 3次波动，而环境温度为 18℃时只有 2次波动，超调和振荡特性都较好。而单PID控制算法出现的波动较多，当环境温度为4C时，出现了6次波动，超调和振荡特性都不够好。

2)模糊 -PID自适应算法温度精度高，不论环境如何 ，温度的波动幅度都在误差允许范围内；而单 PID控制算法的波动幅度均大于误差允许范围，不能满足设计要求。

3)模糊 -PID自适应算法的适应性较好，不论环境温度是多少，绝大部分时间温度均保持在 目标温度。而对单 PID算法来说，当环境温度较低时，大部分时间的温度低于 目标温度；当环境温度较高时，大部分时间的温度高于目标温度。

从上述试验结果可以看出，本文提出的自适应算法满足系统需求，在稳定性 、控制精度和适应性等方面均要优于单PID控制。

图 8 环境 温度 4℃的试验结果图 9 环境温度 18qC的试验 结果图1O 环境温度 30℃的试验结果(下转第77页)邵新杰，等：某型轮式自行迫榴炮综合检测系统设计 772.3 综合检测系统主要功能综合检测系统的主要功能有：1)性能测试完成该型轮式 自行迫榴炮火控系统、随动系统、火力系统等的性能检测。

2)故障诊断完成该型轮式自行迫榴炮火控系统、火力系统的故障诊断。根据各分系统信号参数特征 ，采用 自检技术 、在线测试技术、单体检测装置测试与手段 ，将故障定位到现成更换单元。

3)帮助提供了测试步骤指导信息，即满足测试保障的需求又便于学习和培训。

4)文档管理建立了维修信息服务系统，供技术保障人员提取装备检测记录，并为装备保障部门维修决策提供数据。

3 结束语本文设计的迫榴炮综合检测系统创造性地利用虚拟仪器技术 、嵌入式技术，集成研制了智能实时监测单元 ，实现了该型轮式自行迫榴炮的在线动态检测 ；采用数据缓存技术，解决了多通道不同采样速率的同步采集和数据的实时处理的难题。

1)该综合检测系统可装备到大修厂和部队修理分队，它不仅可以使现有的修理模式得以改进 ，确保该炮的维修质量，提高维修效率，而