基于模糊PID皮革收縮溫度測定儀控制系統設計

摘 要：針對皮革收縮溫度測定儀的溫度控制系統的控制效果不甚理想的問(wèn)題，提出一種參數模糊自整定PID控制方法，該方法集中了模糊控制和常規PID控制兩種控制的優(yōu)點(diǎn)。在重點(diǎn)介紹模糊PID控制器設計方法的基礎上，利用Matlab軟件分別進(jìn)行了參數模糊自整定PID控制系統和常規PID控制系統的仿真實(shí)驗。仿真實(shí)驗結果比較表明，參數模糊自整定PID控制方法使該儀器的溫控系統的性能得到很大改善。
關(guān)鍵詞：模糊PID控制器；皮革收縮溫度；測定儀；模糊控制

O 引 言
收縮溫度測定儀(以下簡(jiǎn)稱(chēng)儀器)是測量皮革樣品在受熱狀態(tài)下(通常以水或甘油作為加熱介質(zhì))沿長(cháng)度方向發(fā)生的收縮形變達到規定值時(shí)所對應的環(huán)境溫度(即為皮革收縮溫度)的一種專(zhuān)用儀器。儀器的溫度控制系統基本功能是控制加熱介質(zhì)的溫度按照所要求的升溫曲線(xiàn)變化。測量時(shí)，溫度從開(kāi)始升溫(規定要求升溫速度控制在3℃／min范圍內)，當溫度升到規定值時(shí)，要求溫度控制系統把溫度控制在一定的范圍內，儀器的溫度控制系統需要實(shí)現恒速升溫，恒溫控制等過(guò)程。在測量中，存在儀器溫度控制系統對溫度的控制滯后的問(wèn)題，會(huì )使皮革樣品收縮形變產(chǎn)生較大的變化，影響測試數據的準確性。為了獲取準確的數據，這就要求儀器溫度控制系統具有實(shí)時(shí)性、魯棒性和自適應性，但是在儀器中采用的可控硅溫度控制系統具有時(shí)變、非線(xiàn)性等不利因素。針對這種問(wèn)題，該文提出在儀器的溫控系統中使用參數模糊自整定PID控制器，它克服了常規PID控制與模糊控制的缺點(diǎn)，能使系統具有較高的控制準確度，又具有較強的適應性、魯棒性，提高了該儀器溫度控制系統的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能。

1 參數模糊自整定PID控制器設計
1．1 參數模糊自整定PID控制器的結構
利用模糊控制規則在線(xiàn)對PID控制器進(jìn)行參數修整，便構成參數模糊自整定PID控制器，其工作過(guò)程為：首先，將控制量的偏差e和偏差變化率ec作為二維模糊控制器的輸入變量，進(jìn)行模糊化處理；其次，對模糊化后的偏差e和偏差變化率進(jìn)行模糊邏輯決策(其依據模糊控制規則)，應用模糊推理算法得出模糊控制器的模糊輸出量；最后，解模糊化，即利用模糊控制規則在線(xiàn)清晰化得到精確值既為：PID控制器的3個(gè)輸入參數k1，kP，kD，進(jìn)行在線(xiàn)控制。模糊自整定PID控制器的結構如圖1所示。

1．2 參數模糊自整定PID控制器的設計思想
參數模糊自整定PID控制器是一種在常規PID控制器(控制規律為式1)的基礎上，應用模糊理論建立：

參數kP，k1，kD與偏差絕對值| e |和偏差變化率絕對值|ec|的二元連續函數關(guān)系見(jiàn)式(2)。t為采樣序號；μ(t)為第t次采樣時(shí)刻的控制器輸出量；e(t)為第t次采樣時(shí)刻的控制器輸入量的偏差信號；ec(t)為第t次采樣時(shí)刻的控制器的輸入量偏差變化率信號；kP為比例系數；k1為積分系數；kP為微分系數。

模糊PID參數自整定的設計思想是找到PID控制器三個(gè)參數與偏差|e|和偏差變化率|ec|之間對應的模糊關(guān)系(利用式(2)，可根據不同的偏差|e|和偏差變化率|ec|在線(xiàn)自整定參數kP，kI，kD)，在運行中通過(guò)不斷檢測|e|和|ec|,再根據模糊控制原理對3個(gè)參數kP，kI，kD進(jìn)行在線(xiàn)校正，以滿(mǎn)足在不同偏差|e|和偏差變化率|ec|時(shí)，對控制器參數的不同要求，從而使被控對象有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，而且計算量小，易于單片機的實(shí)現。