模糊控制在恒温控制系统中的应用

权 悦，国 海

(安徽科技学院 工学院，安徽 凤阳 233100)

模糊控制在恒温控制系统中的应用

权 悦，国 海

(安徽科技学院 工学院，安徽 凤阳 233100)

根据材料拉伸试验对加热炉的控制要求，本文设计了一种 PID控制与模糊控制相结合的智能恒温控制系统．系统的核心控制单元采用具有模糊指令的MC9S12DG128单片机，通过在线模糊推理来实时调整PID的控制权重，实现温控系统的分段控制．实践表明，该系统具有较好的控制性能．

模糊控制；恒温；MC9S12DG128

温度是影响材料拉伸试验数据的重要因素之一，因此炉温的控制在拉伸试验中就显得尤为重要．目前，电加热炉是拉伸试验常用的加热器材，一般采用常规 PID控制．由于温度控制对象大多具时变性、大滞后等特性，采用常规的PID控制很难做到各参数的优化组合，会严重影响系统的控制特性．模糊控制是目前应用较为广泛的控制技术，它可以依据人工经验，把系统的动态特性用模糊量和模糊关系函数来表示，具有较强的鲁棒性，能够较好地适应温控系统[1]．

1 恒温加热控制系统的结构

根据材料拉伸试验机的工作要求，笔者设计的实验机拉伸加热控制系统由温度智能控制模块、驱动控制电路2部分组成，如图1．其中控制模块以Freescal半导体公司的MC9S12DG128为核心，主要实现温度数据的采集、处理以及PWM的输出控制．MC9S12DG128是一种16位的单片机，内部集有8路的16位A/D转换器和8路独立的PWM控制器，可以有效地简化系统的硬件结构并且易于扩展；并支持模糊指令，可以方便地实现模糊运算程序．驱动控制部分主要是通过 PWM来改变可控硅的导通角，改变加热炉在一个周期内的加热时间，进而控制温度的变化．

图1 恒温加热控制系统的结构图

2 系统的控制方案

在本系统中我们根据输入偏差和偏差变化率的关系，通过模糊推理得到不同阶段 PID输出的权重，实现PID的分段控制[2-3]，以便使其能更好地适应被控对象动态变化的要求，控制方框图如图2所示．

2.1 控制策略

由于被控对象是一个连续变化的温升曲线，且具有延迟大、纯滞后的特性，所以在控制过程中根据不同的偏差调节PID的输出权重，如图3所示．

由图 3可以看出，T1段的温度偏差 E＞0，偏差变化率 ΔE＞0，说明当前温度值低于给定值，且误差的绝对值朝减小的方向变化．在这个区域总的控制策略是在起始阶段，增大PID控制的输出，使加热炉迅速升温；随着温度的不断升高，在逐渐削弱PID控制的输出权重．

图3 温控对象的特性曲线

由上图可以看出，T1段的温度偏差 E＞0，偏差变化率 ΔE＞0，说明当前温度值低于给定值，且误差的绝对值朝减小的方向变化．在这个区域总的控制策略是在起始阶段，增大PID控制的输出，使加热炉迅速升温；随着温度的不断升高，在逐渐削弱PID控制的输出权重．

T2段的温度偏差 E＜0，偏差变化率 ΔE＞0，说明当前温度值大于给定值，误差绝对值朝增大的方向变化．由于本烧结炉系统无制冷装置，采用零输出控制策略，使温度迅速下降．

T3段的温度偏差 E＜0，偏差变化率 ΔE＜0，说明当前温度值仍大于给定值，但误差变化的趋势是渐小的．这时将逐渐增加PID控制器的权重．

T4段的温度偏差 E＞0，偏差变化率 ΔE＜0，说明当前温度值低于给定值，误差变化趋势渐大．此时将设定PID输出权重为重大，使其饱和以提高系统的响应速度时间．

以上是我们在调节电热炉温度时所采取的控制的策略，通过人为的改变PID控制器的输出权重，以适应系统快速性的要求．当炉温的变化曲线处于CD之间时，认为加热炉处于保温阶段．此时，我们仅采用PID控制来稳定炉温，即在这个区域PID控制器的输出权重为1．

2.2 模糊控制器的设计

模糊控制器由两个输入和一个输出变量组成，输入变量分别为温度的偏差E和偏差变化率ΔE，偏差E取值为NB、NS、O、PS、PB，偏差变化率ΔE取值为NB、NS、O、PS、PB，输出语言变量为PID的输出权重U，它的取值为O、PS、PM、PB[5]．结合上面的分析并参考人工经验，我们可以得到 PID输出权重U的模糊规则表(表1)．

表1 模糊控制规则表

在模糊控制的具体实现过程中，我们没有采用常用的离线推理方法，而是利用MC9S12DG128所特有的模糊指令来实现在线推理，计算流程如图4所示．S12的模糊指令主要包括MEN、REV、REVN和WAV 4条指令[6]，其具体用法如下：

图4 S12模糊指令执行流程

1) MEN指令是单个隶属度函数计算的核心指令，有它将过程变量变成模糊输入．每个隶属度函数的数据结构必须用4个字节无符号数的数据结构来描述：即{起点的X坐标，终点的X坐标，前沿斜率，后沿斜率}，这里起点和终点的X坐标均采用类似归一化的数值，即必须将输入的范围映射到$00-$FF中去；前后沿斜率的符号固定不变，只需要给出具体数值，斜率为无穷大的时候，用$00表示．隶属函数通常可以用数组的方式进行表示：const uchar INPUT_MFS_E[N1][4]={ a1,a2,a3,a4……}．其中N1为变量论域的个数，(a1，a2，a3，a4)4个数字就可以来表示一个形状为三角形或梯形的隶属函数．通过 MEN指令调用上面的数组就可以完成输入量的模糊化处理．

2) REV 指令是规则推理的核心指令，由他根据模糊输入确定模糊输出．所谓模糊逻辑的规则就是一个模糊逻辑表达式，如：IF E is NB AND ΔE is NB THEN U is PS．一般我们也是用数组的方式来表示这种推理关系，如：const uchar RULE_START[5N2+1]={ (N2*0)+0,(N2*1)+0,0xfe,(N2*0)+0+ N1,0xfe, …0xff}．其中N2为模糊推理的规则数．在数组中“oxfe”是分割标志，每两个“oxfe”表示一条规则，第一个“oxfe”前的数值表示输入量的关系，第二个“oxfe”前的数值表示此时的输出．“0xff”是推理结束标志．

3) WAV指令是解模糊阶段的核心指令，使用重心法与EDIV指令配合完成模糊输出到控制输出的变换．

对于PID控制器本系统采用了常用的增量式PID算法．我们设定模糊控制器的输出为u，PID的输出为f，那么整个控制器的输出为uf，这样就可以基本实现对电加热炉的分段控制．

本文结合材料拉伸试验的要求，设计了一种采用模糊与PID控制相结合的加热炉恒温控制系统．该系统以应用于材料拉伸试验中，实践表明这种控制系统兼顾了上述2种控制策略的优点，有效的地改善了系统的响应速度，提高了系统的稳定性．

[1] 汤兵勇,路林吉.模糊控制理论与应用技术[M].北京:清华大学出版社, 2002:67-70.

[2] 李向华,张小芳,陆起涌.模糊控制在恒温系统中的应用[J].仪器仪表学报, 2003, 24 (4): 351-353.

[3] 俞红卫.一种PID控制与模糊控制相结合的智能温度控制系统[J].上海应用技术学院学报, 2007,7(2): 106-109.

[4] 孙桂玲,金镇.基于LMS算法自调整模糊温度控制器的仿真研究[J].系统仿真学报,2006,18(11):3108-3110.

[5] 车畅,胡丹,邓成中.温度模糊控制器设计[J].西华大学学报,2006,25(5):93-94.

[6] 邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法[M].北京:清华大学出版社,2004:234-245.

Abstract:Based on the requirement of the material tensile test, the paper designs an intelligent thermostatically controlling system with PID control and Fuzzy control. The system applies MC9S12DG128 as its key part. It can realize segment control by automatically tuning the weight of PID through the fuzzy algorithm. The result shows that the system has perfect dynamic performance.

Key words:fuzzy control; constant temperature; MC9S12DG128

(责任编校：李建明英文校对：李玉玲)

The Application of Fuzzy Control in a Constant Temperature System

QUAN Yue, GUO Hai

(Engineering Institute, Anhui Science and Technology University, Fengyang, Anhui 233100,China)

TP273

A

1673-2065(2011)01-0102-04

2010-09-25

权 悦(1981-),男,山东济宁人,安徽科技学院工学院教师,工学硕士;

国 海(1973-),男,黑龙江伊春人,安徽科技学院工学院副教授,工学硕士.