老化箱的模糊PlD控制

单志勇，张亚冰，田洪普（.东华大学信息科学与技术学院，上海20620；2.教育部数字化纺织服装技术工程研究中心，上海20620）



老化箱的模糊PlD控制

单志勇1，2，张亚冰1，田洪普1
（1.东华大学信息科学与技术学院，上海201620；2.教育部数字化纺织服装技术工程研究中心，上海201620）

摘 要：对电子产品进行老化测试时，老化测试箱的温度控制效果至关重要。为了改善老化测试箱的温度控制，介绍了温度测试箱的系统结构，随后介绍了PID和模糊控制，最后对系统进行模糊PID控制的仿真。仿真系统采用模糊控制算法对温度进行控制，实现了很好的控制，达到了满意的控制效果。仿真结果表明，模糊控制方法提高了控制的实时性、稳定性和精确度，对于工程实际应用具有较强的借鉴意义。

关键词：模糊PID；MCU；温度控制系统

0　引言

在现代电子测试中，老化测试箱被广泛应用，温度控制对电子设备的测试具有决定性影响，测试箱温度控制系统具有大滞后、非线性、时变等特性。采用一般PID控制会出现加热时间长、超调量大等问题。要取得好的控制效果，需要调节比例、积分、微分控制作用。模糊PID控制技术是一门非常具有潜力的控制技术，它模拟人的思维方式，能有效解决传统PID控制方法无法解决的问题，模糊PID技术已在工业控制领域、家电自动化领域和其他领域得到了广泛的应用［1］。本文尝试将模糊PID控制技术应用在老化测试箱的温度控制当中。

1　老化箱的系统结构

老化箱的温度控制系统是以微处理器为核心，采用PID控制，使得温度可以控制在测试范围当中，加热丝的加热功率为2 000 W，温控箱的温度范围为0～150℃，实用的电压为市电交流220 V。整个系统由4个模块组成，如图1所示，采用MUC控制，其内部包括A/D和D/A转换模块、继电器和辅助继电器驱动电路。老化测试箱内部有用于温度检测的PT100，以及用于加热的加热丝。

图1　老化箱系统结构

由于老化箱一般可以看作带有纯滞后环节的一阶对象，其传递函数可以用以下公式表示：

通过测量系统温度的飞升曲线，可以得到老化箱的传递函数的参数：放大系数K=120，时间常数T=1 000，滞后时间τ=60 s。得到系统的传递函数为：

2　PlD控制

由于PID控制算法具备结构简单、鲁棒性好、可靠性高等优点，因此在工业控制领域中得到广泛应用［2］。尤其当微控制器应用在控制领域后，PID控制算法使用起来更加方便，实现了软件的数字PID控制算法。数字PID控制器比传统模拟PID控制器的控制性能更好，广泛应用在工业生产过程中。它是将比例、积分、微分控制并联在一起。假定在系统给定与反馈出现偏差：

可以用如下表达式表示：

其中，u（t）为控制器的输出，Kp为比例系数，Ti为积分时间系数，Td为微分时间系数。

由式（3）可以得到PID控制器的传递函数为：

由式（4）可知：

（1）比例环节：其主要作用是放大误差作用，当给定和输出出现偏差，控制器使偏差放大，比例系数越大，控制过程的过渡越快，但是过大的比例系数也会引起过高的超调量。

（2）积分环节：为了消除误差，控制器必须引入积分环节，积分环节的引入，随着时间的增加，积分项会增大，它的输出增大将进一步减小稳态误差。

（3）微分环节：由于微分具备对误差提前报告的作用，适当的微分系数可以微分加快系统响应过程。

3　模糊控制

模糊逻辑控制是以集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的现代智能控制技术。模糊控制系统的设计一般可概括为模糊化、模糊规则设计、模糊推理机设计、去模糊化［3］。早在1974年英国的MAMDANIE H首次使用模糊控制语句组成控制器，并且把它运用到工业控制当中，获得了成功。模糊控制本质上是非线性控制，模拟人类思维方式，将人的控制转换成逻辑语句，最后转换成计算机控制［4］。

3.1模糊化

模糊化首先把输入的信号转换成模糊量，方便输入到推理机进行处理。假定输入的信号为，X1，e1∈［-x，+ x］，模糊论域为U=｛-3，-2，-1，0，1，2，3｝，采用7级的模糊子集NB、NM、NS、0、PS、PM、PB，则需要量化因子：

3.2隶属度函数

本模糊控制器采用Mamdani模糊推理方法，其推理过程包括隶属度聚集、规则激活和输出总和3个过程。二维输入e与其变化率d e/d t的论域为（-3，+3），输出△KP、△KI、△KD的论域分别为（-0.3，+0.3）、（-0.01，+0.01）、（-3，+3），隶属度函数μNB（x）与μPB（x）分别采用zm f函数和sm f函数，μNM（x）、μNS（x）、μ0（x）、μPS（x）、μPM（x）都采用trim f函数。在设定隶属度函数时，应该保证重叠在0.2～0.6之间。

模糊推理规则可以用表达式概括为：IF（e=A and de/dt=B）THAN（dKp =C，dKi=D，dKd =E），其具体推理逻辑如表1～表3所示。

表1　ΔKP模糊规则表

表2　ΔKI模糊规则表

表3　ΔKD模糊规则表

通过模糊推理可以得到模糊量，然后要对其进行去模糊化，本模糊控制器采用质心法。

4　试验仿真与结论

图2　PID控制系统仿真图

采用传统PID控制器搭建Simulink仿真如图2所示，设定给定温度为60℃，温控箱传递函数拆分成一节环节Transfer Fcn和一个纯滞后环节Transport Delay。PID参数整定采用临界比例带法。当KP=0.225时出现临界震荡，临界比例带δk=4.44，Tk=235 s，可得δ=1.67 δk，Ti=0.5 Tk，Td=0.125 Tk。得到KP=0.134，Ti=117.51，Td= 29.37，最后再根据控制效果进行微调。

采用模糊PID控制器搭建Simulink仿真，如图3所示，原来PID参数保存不变，增加Fuzzy模块以及对应量化因子，输入输出部分对其进行限幅。

输入给定温度60℃，仿真时间为1 000 s，PID控制输出曲线与模糊PID响应曲线如图4所示。通过仿真结果可以知道，模糊PID与PID相比，其系统的控制所需要的调节时间更短，超调量更小，控制效果更好。系统误差最后稳定在0℃。

图3　模糊PID控制系统仿真图

图4　PID与模糊PID输出曲线

5　结论

本文介绍了老化测试箱的控制系统及其系统模型，随后描述PID和模糊PID控制。再对其进行系统的Simulink仿真，给定温度60℃，分别采用PID与模糊PID控制，得到对应输出温度曲线。实验结果表明，采用模糊PID控制器可以更好地满足系统温度控制的动态特性和稳态特性，在使用微机控制的场合，只需要优化其PID控制算法，而不需更改本身的外围电路，因而具有较大工程应用价值。

参考文献

［1］黄卫华.模糊控制系统及应用［M］.北京：电子工业出版社，2012.

［2］刘金琨.先进PID控制的Matlab仿真（第3版）［M］.北京：电子工业出版社，2011.

［3］杨晓武.李劲松，李干荣，等.基于MATLAB的锅炉液位模糊控制系统设计［J］.化学工程与设备，2014，16（1）：11-14.

［4］李晓丹.模糊PID控制器的设计研究［D］.天津：天津大学，2005.

单志勇（1971 -），男，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向：电磁学。

张亚冰（1989 -），通信作者，男，硕士研究生，主要研究方向：电力电子与电力传动，嵌入式系统与控制。E-mail：icestone@foxmail.com。

田洪普（1991 -），男，硕士研究生，主要研究方向：电磁学。

引用格式：单志勇，张亚冰，田洪普.老化箱的模糊PID控制［J］.微型机与应用，2016，35（10）：85-87 .

Fuzzy PID control of aging test box

Shan Zhiyong1，2，Zhang Yabing1，Tian Hongpu1
（1.College of Information Science&Technology，Donghua University，Shanghai201620，China；
2.Engineering Research Center of Digitized Textile&Fashion Technology，M inistry of Education，Shanghai201620，China）

Abstract：The aging test box of the temperature control is very important for electronic products aging test.In order to improve temperature control effect，the paper describes the system structure of temperature test chamber，then introduces the PID and fuzzy controller and the system of fuzzy PID control.The simulation system uses fuzzy control algorithm in temperature control to achieve good control，achieving satisfactory control effect.The simulation results show that the fuzzy controlmethod improves the system in stability and accuracy，and the project has a strong reference value.

Key w ords：fuzzy PID；MCU；temperature control system

作者简介：

收稿日期：（2016-01-19）

中图分类号：TP18

文献标识码：A

DOI：10.19358 /j.issn.1674-7720.2016.09.029