基于模糊PID的嵌入式恒温控制系统设计

徐文晴 秦岭

【摘要】针对温度控制系统的特点以及传统PID控制器的局限性，本文设计了一种基于模糊PID自适应控制算法的新型高精度恒温控制系统。该系统以ARM9微处理器为核心处理器，可以实时采集、显示和记录温度值，同时通过模糊自整定PID控制策略完成对温度的实时控制和处理，最后应用JLINK接口电路以方便数据的下载与调试。在此基础上完成了实物测试，结果表明，该系统控制精度较高，实时性较好，具有一定的应用价值。

【关键词】恒温控制;模糊PID;嵌入式系统

1.引言

温度的测量与控制是很多生产过程与科学实验的一个重要环节。目前，温度的测量技术已经日趋成熟，但是由于温度具有惯性、滞后、非线性等特点，温度控制技术还存在着比较多的问题与困难。如何提高温度控制技术的精度和实时性，满足不同场合的控制要求，已成为目前温度控制研究领域中比较重要的课题。对测控技术的发展具有实际意义。

本文以恒温箱为研究对象，基于模糊自整定PID控制策略。同时以ARM9为核心控制处理器，提出了一种嵌入式恒温控制系统的整体设计方案，最后通过实物测试证明该方案是行之有效的。

2.系统组成及基本功能

如图1所示，系统主要由控制器模块、温度检测模块、温度控制模块、参数输入按键模块、LCD显示模块以及处理器外围电路等部分组成。

图1 系统结构框图

该系统采用STM32F103RBT6处理器为核心处理芯片，通过温度传感器（DS18B20）检测恒温箱的实时温度，并传送给处理器。处理器将实时温度值与设定的温度值进行比较，将差值经模糊PID自适应控制算法处理来得到控制信号及其占空比，通过PWM脉宽调制器控制晶闸管工作，从而实现对温度的连续调节，最终实现智能控制。同时，还实现了温度报警功能，如果超出了规定的监控温度范围，则通过蜂鸣器发出警告声。

图2是温度加热控制模块的电路图，采用晶闸管触发电路，主要包括驱动可控硅电路模块（光电耦合电路）、过0检测模块（基于光耦实现）、继电器开关模块等部分。加热部分主要通过晶闸管T435（4A，400-800V）来控制与调节加热膜的温度。晶闸管的驱动电路用专用驱动芯片MOC3022，具有光耦和电气隔离功能。

3.参数自整定模糊-PID控制器设计

PID控制器的结构已知，通过调节控制器的参数来满足控制要求，实现简单，精度较高，易于设计，目前广泛应用于化工、机械、冶金和轻工等工业过程控制系统中。但是传统的PID控制的参数整定多是依赖人工经验和被控对象的数学模型，当控制对象的参数发生变化后，系统的控制效果将会受到很大影响，需要重新对系统的PID参数进行调整，非常繁琐。而模糊控制不依赖于被控对象的精确数学模型，自适应强，但是模糊控制精度不高，控制效果粗糙，不能满足恒温控制系统高精度的要求。所以，将PID控制与模糊控制结合在一起，设计参数自整定模糊-PID控制器，既有了PID控制的高精度的优点，又有了模糊控制的自适应强及控制灵活的优点。

图3 PID参数模糊自整定结构图

参数自整定模糊PID控制系统由一个常规的PID控制器和一个模糊控制器组成（如图3所示）。其中偏差和偏差的变化率作为模糊系统的输入，三个PID参数的变化值作为输出。在控制过程中对不确定的条件、参数、延迟和干扰等因素进行检测分析，然后根据模糊控制规则进行模糊推理，从而在线实现PID控制器参数的自整定。

根据控制系统的稳态精度、响应速度、超调量等要求制定模糊规则表，如表1～.3所示，分别为三个参数的模糊规则表，其中字母NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB分别表示模糊输入变量的模糊子集，即负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。

表1 的规则表

表2 的规则表

表3 的规则表

图4 模糊PID控制程序流程图

表4 温控系统的测试结果

测试次数 设定温度（℃） 实测温度（℃） 误差（℃）

1 25 25.2 0.2

2 30 30.4 0.4

3 37 37.4 0.4

4 40 40.5 0.5

5 43 43.7 0.7

6 45 45.2 0.2

7 50 50.3 0.3

8 58 58.6 0.6

9 60 60.4 0.4

10 65 65.6 0.6

根据各参数模糊控制模型和各模糊子集的隶属度赋值表，应用模糊推理设计PID修正参数并带入下列式中：

（1）

（2）

（3）

其中是初始参数，是经模糊控制器运算得到的修正参数。在整个控制过程中，测量系统不断检测系统的响应输出值，并随时计算出偏差及偏差变化率，然后模糊化后得到，再通过查询模糊规则表即可得到三个参数的调整量，进而完成控制器参数的调整，具体程序流程如图4所示。

4.实物测试结果及其分析

分别完成系统的硬件软件设计后，对实物进行测试，结果如表4所示。

由测试结果可以看出，本文设计的基于模糊PID的嵌入式恒温控制系统温度控制效果较好，实时性较优，基本能满足控制要求。

5.结束语

本文基于ARM9微处理器设计了一种恒温控制系统，实现了对温度信号的测量、显示、控制以及报警等。它能对温度信号进行实时控制，控制精度较高。经过实物仿真测试，证明该系统结构简单，成本低，运行可靠，具有一定的应用价值。

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