基于模糊PID的无线智能温控系统设计

刘洲洲，关德君

(1.西安航空学院电气工程系，西安 710077;2.沈阳广播电视大学，沈阳 110003)

1 引言

电阻炉是一种延时惯性系统，包括门开关、加热材料、环境温度，以及电网电压等参量，炉控制系统主要建立在该模型基础上，在控制过程中，很难确保加热工艺的要求。因此，引入模糊控制、模糊PID 算法，使用CC1110 微处理器可以解决上述缺乏电阻炉温度控制问题从而实现高精度控制［1］。

2 硬件系统智能电阻炉温度控制

智能温度控制系统使用CC1110 处理器外围接口电路控制介质温度，它可以快速和轻松地调整和控制其温度。系统包括功率控制算法，温度检测、键盘输入、温度显示，主机通信、数字输出控制等几个主要组件。如图1 所示。

图1 系统原理框图

(1)电源部分使用一个变压器将交流220V 电压变为7.5V，重用的整流桥整流直流电压+5V 供单片机和系统使用;

(2)主要部分包括CC1110 芯片，一个2kBFlash可编程和只读存储器(E2PROM)、低电压、高性能的8 位无线微控制器;

(3)温度检测是通过一个DS18B20 无线数字温度传感器，测量温度范围为－55°－125°。大大提高了该系统的抗干扰能力;

(4)与三个键，键盘的部分操作，实现一键设定温度和实际温度开关，其他两个键来实现给定温度增加或减少设置值。开机后显示当前的温度，按下开关按钮来设置温度，按下切换键回到当前的温度显示;

(5)显示处理器74HC164 将一个输入为8 位的值并行输出和发送到LED 显示屏;

(6)系统使用通讯芯片MAX232 与主机电脑相连;

(7)输出部分采用固态继电器MCU +5V 输出转换20V 交流输出控制炉温。

3 系统PID 模糊自调整参数设计

3.1 控制器的结构设计

PID 模糊自调整控制器的参数配置根据控制器基于e 和Δe 作为输入，而ΔKp，ΔKi，ΔKd 作为输出，有两个输入和三个输出。根据现有的控制系统设计经验进行设计。

(1)当|e|大，尽快消除偏差，改善响应时间，应该采取一个更大的Kp 和较小的过度上涨Kd，为了避免系统中的积分作用是有限的，通常Ki=0;

(2)当|e|中等大小，系统的响应速度超调小，金伯利进程应获得较小。在这种情况下，Kd的价值系统获取恰当的Kd 和Ki;

3)当|e|小，系统的响应具有良好的稳态性能、Kp 和Ki 值要大一些。为了避免差错，Kd 值应该适当取值。

3.2 模糊化设计

电阻炉温度控制系统将对比采样温度信号与系统温度设置让温度错误参数e 输入语言变量系统，错误温度变化量Δe 输入文字变量反应了PID 规定系统ΔKpΔKiΔKd。温度错误参数e 改变了Δe 模糊集合领域的定义:E，ΔE={－3，－2，－1，0，1，2，3}。模糊子集E，ΔE={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。ΔKp，ΔKi 和ΔKd 范围{－3，－2，－1，0，1，2，3}，模糊子集:ΔKp，ΔKi，ΔKd={NB，NM，tNS，ZO，PS，PM，PB}。e，Δe 对应的三角函数以及Kp，Ki，Kd，隶属函数选择三角函数的灵敏度因此每个模糊子集的隶属情况根据模糊规则表，找出修正参数ΔKp，ΔKi，ΔKd。然后，模糊调节Kp，Ki，Kd，完成了控制器参数的在线自我调整。

3.3 系统软件设计

模糊推理是一种不确定性推理方法，它是基于模糊逻辑推理方法中的Mamdani 方法，鲍德温方法。由模糊推理机制控制的增量模糊控制是一个模糊子集，它不能被精确模拟或数字控制。因此，准确计算必须利用这个具有重要意义的模糊子集值作为输出系统的控制。设计采用重心法。为便于使用和维护程序，所有程序使用模块化，系统结构，由一个主和几个子程序组成，如图2 所示，每个子例程将很快返回到主程序、子程序太长这样的问题不会发生，子程序的事件处理依赖和确定标志位完成，主程序

图2 CC1110 进程和终端处理进程

4 仿真验证及分析

传统的PID 控制器为便于分析和调整模糊PID控制器性能差异而使用Matlab 仿真，仿真用模糊工具箱由一个Matlab 工具箱的Simulink 模块来完成。尽管模拟环境不可能和现实完全相同，但是它的结果也有相当的指导意义，仿真结果表明，采用模糊PID 控制器，系统响应调速精度、稳态性能高;非调和振荡，具有较强的鲁棒性，在相同精度要求，系统过渡时间短，取得了较好的控制效果。

［1］魏巍.智能控制技术［M］.北京:机械工业出版社出版，2000(1):34－65.

［2］凯文·米激情，斯蒂芬.模糊控制［M］.北京:清华大学出版社，2001:374－378.