在线自整定模糊PID温度控制系统设计

应杰

摘要： 基于温度控制，其是一个包含时滞性、非线性的负载系统。传统方法对其进行控制效果不能很好地达到要求。因此，本研究设计一种通过使用模糊自整定控制的方法进而实现对温度进行控制的系统，并且可依据温度差异和变化率及时整定控制器的系数。系统以分布式控制系统（简称DCS系统，本文采用重庆川仪自动化股份公司PAS300分布式控制系统）为控制主体，利用温度传感器对温度进行收集，通过控制电加热炉加热时的功率或者蒸汽管道的流量从而控制温度。并在环境下，搭建模糊自整定控制器仿真模型，依据该仿真发现此方法比传统的控制方法具有更好的稳健性，能完成较好的温度管控。

关键词：在线自整定;模糊温度控制; 分布式控制系统

随着科学技术及工业技术的不断进步与发展，温度控制成为了工业生产领域的主要组成部分。在目前来说，我国工业生产的自动化程度较低，特别是温度控制PID的自控率较低，所以每一个步骤基本上都是通过人工进行的。由于人工的效率低，准确度不高进而影响到工业产品的生产效率和品质。如今，分布式控制系统技术被广泛应用到各个领域，为人们日常生产生活带来了方便。本研究将分布式控制系统应用到温度控制，对温度进行智能化管控，继而满足产品对于温度的需求，从而尽可能的提升产品品质和经济效益。另外，本研究还提出一种模糊自整定控制方法，利用模糊控制规则，对控制器三个参数进行平衡，从而使其达到最佳管控状态。

一、系统简介

在工业生产温度反应工程中，必须要经过热源的帮助才能对反应温度进行管控。一般工业生产情况下，使用电加热器或者热蒸汽作为热源，调整电加热器的加热功率或者热蒸汽流量大小对温度进行控制。重庆川仪自动化股份公司PAS300分布式控制系统控制器DUP6310/DP6410采用英国ARM Cortex-A8 32位高速处理器为中心，通过使用温度传感器对实时温度进行测量，通过温度模块采集，然后上传到控制器中，与之前设定好的温度进行相关计算，在控制器中会计算出一个控制信号，再经过D/A转换模块发送到温度控制器中，进而对电加热炉的加热功率进行有效控制，从而对产品温度进行调节。

二、系统硬件设计

温度控制系统硬件包含了温度采集模块、温度设定和显示模块、核心控制模块、D/A 转换模块（模拟量输出模块）。

（一）核心控制模块

本系统采用的DPU6310作为控制器，其是重庆川仪控制系统有限公司上海分公司所生产的一种低消耗、高功能的控制器，CPU采用ARM9 A8，主频达到600MHz，内存256MB。方便用户使用，在控制器芯片上拥有灵活的可编程，从而让控制器为更多的嵌入式管控应用系统提供敏捷、可靠的解决方案。

（二）温度采集模块

本研究通过使用6110温度模块实现温度信号的采集，可测得温度范围在-200℃～800℃准确度高达0.5%，满足系统对于温度的要求.信号采集如图1。

（三）模拟量输出模块

温度控制输出模块采用的是AO6110，模块每通道预留2位接线端子输出至现场信号，可输出4～20mA电流信号。信号输出如图2。

三、控制算法设计

（一）模糊论域及隶属度函数

对于温度真实值与目标值之间的误差和误差变化率都是模糊控制的输入参数，控制器的参数的修正量为输出参数。对于其语言变量模糊子集都选用。其中代表的是负大， 代表的是负中，代表的是负小， 代表的是零，代表的是正小，代表的是正中，代表的是正大。其次，它们的模糊论域均取为以及在模糊子集中对于隶属度函数选择了三角形，隶属度函数如图 3所示。

（二）制定控制规则

在传统的控制中，比例系数作用就是加快系统的反应速度，进而提高准确度;积分系数的作用是解除系统的平衡性误差;微分系数的作用是优化系统的灵活特性，进而有效的控制偏差向其他方向发生变化。对于模糊控制的规则来说，其是依据产品的温度要求规律以及相关人员积攒的经验，加之对温度控制进行综合性思考以及对不同环境因素其他方面的影响而创建的关系表。通过仔细的分析和研究，基于温度控制系统情况下采用控制器三个参数调整量的模糊规则。

（三）输出信息的解模糊

在温度控制过程中，经过对模糊逻辑进行相关缜密的推理之后，进而得到的三个控制参数的模糊集合，但是这三个参数不能当作准确值直接的输出而是需要通过解模糊之后才可以。本研究在解模糊的过程中选用的是重心方法，将输出量先进性性细化，然后再转化成精确量，随后把结果放入到模糊控制查询表中并存在控制器DPU6310中。在系统运行过程中，需要对表格进行查询进而对输出量进行确认，从而避免资源浪费，提升了整个系统的反应速度。

四、算法仿真及分析

（一）仿真模型

在使用环境当中要分别的创建模糊自整定控制系统和常规控制系统，然后对两者的仿真曲线进行相关性对比与研究，仿真模型如图4所示。

（二）仿真结果及分析

经过时常的仿真，得到如图 5 所示的温度曲线。通过图5所示仿真曲线，得出在仿真结果条件下，模糊自整定控制器所获得的系统响应曲线在峰值时间和超调量都要比传统的 控制器要好很多，说明了模糊自整定 控制器具有反应快、性能好的优点。

结论

综上所述，本文主要是在重庆川仪自动化股份有限公司PAS300分布式控制系统基础上实现了一个温度控制部分，该系统具有架构简单、性能较高的特点。对于复杂的温度控制系统来说，提出了模糊自整定控制算法，并在的环境中进行模型的建立和仿真。通过结果表明，模糊自整定控制器相较于常规控制器系统具有更好的稳定性能，符合当前对温度控制需求，具有较强的可行性。

参考文献

[1]冯华峰，潘海鹏，陈渭力.在线自整定模糊PID温度控制系统的设计[J].工业控制计算机，2019，32（08）：95-97.

[2]余歡乐，方永锋.基于模糊自整定PID的温室温度控制系统设计及仿真[J].江苏农业科学，2016，44（12）：383-386.

[3]薄俊青，彭钢，马永光，贾君茹.基于模糊自整定PID的中央空调温度控制系统设计[J].河北电力技术，2014，33（04）：14-17.

[4]重庆川仪控制有限公司，PAS300控制系统硬件手册2019.