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1 引言
溫度的測量和控制在工業(yè)生產中獲得了廣泛的應用，尤其在石油、化工、電力、冶金等重要工業(yè)領域中，擔負著很重要的測控任務[1]。但是由于被控對象隨負荷變化或受干擾因素的影響，對象特性參數(shù)或結構經常發(fā)生變化，因此需要實時改變控制策略使得控制系統(tǒng)的品質指標保持在最佳范圍內，顯然普通的PID控制難以勝任。本文采用在線實時模糊自整定PID控制策略，實現(xiàn)了對PID參數(shù)的最優(yōu)調整。
2 溫度采集與A/D轉換
溫度采集與A/D轉換電路如圖1所示。熱電偶采用鎳鉻－鎳硅熱電偶，分度號為EU，對0～1 000℃的溫度為：0～41.32mV。實際系統(tǒng)要求測溫范圍為400～1 000℃，熱電偶輸出16.4～41.32mV，經毫伏變送器處理，輸出0～10mV然后經過I/V變換電路轉換出0～5V電壓信號。采用8位A/D轉換器MAX118使量化誤差達到±2.34℃[2]。選用通道1作為模擬量輸入，工作在MODE0方式。即A/D芯片的啟動、轉換、讀數(shù)均由RD控制，INT為A/D轉換結束信號，當A/D轉換結束后INT變?yōu)楦唠娖健纹瑱C通過查詢P1.2引腳狀態(tài)判斷A/D轉換是否結束并通過P0口將轉換結果讀入AT89S52單片機中。
圖1 溫度采集與A/D轉換
3 模糊PID控制方案
控制方案原理圖如圖2所示。
圖2 模糊PID控制原理
模糊自整定PID是在PID算法的基礎上，計算當前系統(tǒng)誤差e和誤差的變化率ė并利用模糊規(guī)則進行模糊推理，查詢模糊矩陣表進行參數(shù)調整[3]。模糊控制設計的核心是總結工程設計人員的技術知識和實際操作經驗，建立合適的模糊規(guī)則表，得到針對KP、KI、KD三個參數(shù)分別整定的模糊規(guī)則表。KP、KI、KD的模糊規(guī)則表如表1、表2、表3所示。
表1 KP的模糊規(guī)則表
表2 KI的模糊規(guī)則表
表3 KD的模糊規(guī)則表
其中，NB為負大，NM為負中，NS為負小，ZO為零，PS為正小，PM為正中，PB為正大。
KP、KI、KD的模糊規(guī)則表建立好后，可根據(jù)如下方法進行KP、KI、KD的自適應校正，將系統(tǒng)誤差量E和誤差變化量EC變化范圍定義為模糊集上的論域：E,EC=-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5。
其模糊子集為：E,EC=NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB。設E,EC和KP、KI、KD均服從正態(tài)分布，因此可得出各模糊子集的隸屬度，根據(jù)各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型，應用模糊合成推理設計PID參數(shù)的模糊矩陣表，查出修正參數(shù)帶入下式計算[4]。
KP=KP’+{Ei,ECi}p；KI=KI’+{Ei,ECi}I；KD=KD’+{Ei,ECi}D。
至于PID的初始化參數(shù)采用Ziegler-Nichols設定方法調整。令TP=0.1TU；TI=0.5TU；TD=0.125TU。
式中TU稱為臨界周期，在單純比例作用下（比例增益由小到大），使系統(tǒng)產生等幅振蕩的比例增益，稱為臨界比例增益KU，這時的工作周期為臨界周期TU，則KP=0.6KU；KI=0.2KP；KD=1.25KP。
在線運行過程中，AT89S52通過對模糊邏輯規(guī)則的結果處理，查表和運算，完成對PID參數(shù)的在線自校正。
4 溫度控制電路和人機接口
溫度控制是通過對加熱電阻絲的電源通斷來實現(xiàn)的。本系統(tǒng)采用晶閘管調功方式，通過MOC3061光耦過零觸發(fā)驅動器實現(xiàn)晶閘管過零觸發(fā)。晶閘管串接在50Hz交流電源和加熱絲中，只要在給定周期內改變晶閘管的接通時間，就能達到加熱功率可調的目的[5]，從而實現(xiàn)溫度調節(jié)。電路圖如圖3所示。單片機P1.3口輸出能控制晶閘管通斷時間的脈沖信號。P1.3＝1時關斷晶閘管，P1.3=0時開啟晶閘管。
圖3 溫度控制電路
控制器人機接口由數(shù)碼管和按鈕組成。12只LED數(shù)碼管分成兩組顯示溫度測量值和設定值。3只按鈕用于溫度設定和PID參數(shù)設定。控制器的程序分初始化設置態(tài)和運行態(tài)兩種模式。通過按動面板上的“SET”，“▲”，“
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號