基于Fuzzy-PID的陀螺儀溫度控制系統設計

溫度控制系統的工作原理
---陀螺儀溫度控制系統主要由溫度傳感器、AT89C52單片機、A/D信號采集模塊、可控硅輸出控制及其他一些外圍電路組成。系統的被控對象是陀螺部件內的液體溫度，執行機構是可控硅觸發(fā)電路。工作溫度借助電橋測量。電橋的三個(gè)臂是配置在控制系統內的電阻，第四個(gè)臂是陀螺部件加熱溫度傳感器的電阻。來(lái)自電橋的信號值通過(guò)高精度集成運放OP07進(jìn)行差動(dòng)放大、濾波，然后再送給A/D采樣。根據測量的電流端和電壓端原理，電橋電壓信號的采集采用三線(xiàn)制接法，如圖1所示。這是一種最實(shí)用又能較精確測溫的方式，R4、R5和R6為連線(xiàn)和接觸電阻。由于采用上述三線(xiàn)制接法，調整R1即可使包括R5在內的電橋平衡，而R4可通過(guò)R6抵消，因此工業(yè)上常用這種接法進(jìn)行精密溫度測量?？刂撇糠植捎肍uzzy-PID的復合控制使單片機輸出PWM脈沖，進(jìn)而控制執行機構輸出到陀螺加熱器的電流量，實(shí)現陀螺加熱器的溫度自動(dòng)調節控制。由于采用了模糊自適應PID控制算法，系統就可以在沒(méi)有操作者干預的情況下根據控制系統的實(shí)際響應情況，自動(dòng)實(shí)現對PID參數的最佳調整，改變PWM輸出波形的占空比，合理地控制輸出，使陀螺加熱器的工作溫度保持恒定，實(shí)現自動(dòng)控制，這也是設計該溫控制系統的關(guān)鍵所在。

溫度控制系統的設計
---根據陀螺儀模糊控制系統的要求可知，加熱器工作時(shí)產(chǎn)生熱量，使陀螺部件內液體溫度升高，進(jìn)而使溫度傳感器的阻值增大(對于正溫度系數熱敏電阻)，則溫度檢測電路把溫度變化信號送回輸入端和給定的溫度進(jìn)行比較，再產(chǎn)生偏差、偏差變化率信號，經(jīng)模糊控制器進(jìn)行推理從而產(chǎn)生控制加熱器的信號，對加熱器進(jìn)行控制。Fuzzy-PID溫度控制系統的結構框圖如圖2所示。系統主要由被控對象、溫度傳感器檢測回路、Fuzzy-PID控制器和執行機構等組成。
● 數字PID控制設計
---利用脈沖響應法測量被控對象的傳遞函數為一階慣性環(huán)節加純滯后。

---其中，K為對象放大系數，K=300℃/100V；τ為純滯后時(shí)間，τ=50s；T為對象時(shí)間常數，T=200s。
---單片機控制是一種采樣控制，系統采用的增量式數字PID控制算法為：
---Δu(n)=U(n)-U(n-1)=a0e(n)-a1e(n-1)+a2e(n-2)
---a0=kp(1+T/T1+TD/T)
---a1=kp(1+2TD/T)
---a2=kpTD/T
---式中，T為采樣周期。參照響應曲線(xiàn)選擇，最后結合實(shí)驗確定為采樣周期。利用控制軟件實(shí)現增量式控制算法，并輸出控制量。由于該控制算法不需要累加，控制增量?jì)H與最近的n次采樣有關(guān)，所以誤動(dòng)作時(shí)影響小，而且較容易通過(guò)加權處理獲得比較好的控制效果。這也是系統采用此增量式PID控制算法，作為模糊PID控制器中PID調節器部分算法的主要理由。
● 模糊PID控制器設計
---首先根據模糊數學(xué)的理論和方法，將操作人員的調整經(jīng)驗和技術(shù)知識總結成為IF(條件)、THEN(結果)形式的模糊規則，并把這些模糊規則及相關(guān)信息(如初始的PID參數)存入計算機中。根據檢測回路的響應情況，計算出采樣時(shí)刻的偏差e及偏差的變化率ec，輸入控制器，運用模糊推理，進(jìn)行模糊運算，即可得到該時(shí)刻的Kp、Ki、Kd，實(shí)現對PID參數的最佳調整。
---Fuzzy-PID控制器是在PID參數預整定的基礎上，利用模糊規則實(shí)時(shí)在線(xiàn)整定PID控制器的三個(gè)修正參數△Kp、△Ki、△Kd，實(shí)現對溫度的優(yōu)化控制。模糊控制器的輸入、輸出變量都是精確量，模糊推理是針對模糊量進(jìn)行的，因此控制器首先要對輸入量進(jìn)行模糊化處理。在所設計的Fuzzy-PID控制器中，輸入、輸出變量的語(yǔ)言值均分為七個(gè)語(yǔ)言值：｛NB、NM、NS、O、PS、PM、PB｝，子集中元素分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中和正大。隸屬度函數采用靈敏性強的三角函數。為增強系統的魯棒性，提高隸屬度函數的分辨率，在0值附近的函數形狀取的更陡，形式如圖3所示。
---e的基本論域為[-100℃，100℃]；ec的基本論域為[-5，5]；△Kp的基本論域為[-1，1]；△Ki的基本論域為[-0．002，0．002]；△Kd的基本論域為[-1，1]。以上各變量的模糊量分別為E、EC、△KP、△KI和△KD，其論域均為[-6，-5， -4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]。輸入量e、ec的量化因子為：ke＝0.06，kec＝1.2。
---模糊控制設計是總結工程設計人員的技術(shù)知識和實(shí)際操作經(jīng)驗，參數的整定規則是控制器的核心，建立合適的模糊規則表，得到針對△Kp、△Ki、△Kd這3個(gè)參數分別整定的模糊控制表，見(jiàn)表1、表2和表3。
---對輸入的偏差e和偏差變化率ec，在取得相應的語(yǔ)言值后，根據整定規則表，經(jīng)過(guò)公式法模糊決策，分別得出三個(gè)修正參數△Kp、△Ki、△Kd的模糊量。經(jīng)過(guò)上述模糊推理后，Fuzzy－PID控制器整定的三個(gè)修正參數要進(jìn)行去模糊化取得精確量，以計算輸出控制量，既單位時(shí)間加熱器通斷電百分比。去模糊化有幾種方法，如最大隸屬度法、重心法等，對本控制器，采用重心法求取輸出量的精確值。由以下公式得出模糊判決后的輸出量c(k)。

---其中c(k)ku(ku為輸出量的比例因子)即為自整定之后的修正參數，各修正參數比例因子為：
---Ku(△Kp)=1/6，Ku(△Ki)=1/300，Ku(△Kd)=1/6
---輸入到PID控制器的參數由下列等式計算得出。
---Kp=Kp'+△Kp，Ki=Ki'+△Ki，Kd=Kd'+△Kd

溫度控制系統的實(shí)現
● 硬件實(shí)現
---對于陀螺儀模糊控制系統，考慮其功能需要，對系統的輸入和輸出功能做分開(kāi)處理，以確定系統的輸入輸出口的信號數目。對于系統的輸入情況，考慮下列信號。
---(1)溫度檢測，用于檢測系統的輸出溫度，即陀螺部件內液體的溫度，以便對加熱器的控制作出決策。
---(2)溫度設定，用于設定陀螺部件的工作溫度，對不同的要求設定的溫度不同。
---對于系統的輸出，考慮下列信號。
---(1)加熱器控制信號，由可控硅來(lái)控制加熱器的工作狀態(tài)。
---(2)向用戶(hù)顯示系統當前的溫度。
---陀螺儀溫控系統的硬件結構圖如圖4所示。
---控制系統中，采用了高精度集成運放OP07對鉑電阻的毫伏級熱電勢進(jìn)行差動(dòng)放大、濾波，然后將檢測的電壓信號送至模數轉換器AD0809，采樣數值并傳送給AT89C52。
---AT89C52的P0口是數據線(xiàn)，連接到AD0809、LCD的數據口上。P2口的5根控制線(xiàn)控制LCD，P1.0、P1.1控制報警指示燈，P1.2至P1.4口用于控制可控硅等。然后通過(guò)Fuzzy-PID控制器，計算得到PWM脈沖的占空比，對加載電壓進(jìn)行控制，最終完成對陀螺部件內液體的溫度控制。
● 軟件實(shí)現
---陀螺儀溫控系統的軟件框圖如圖5所示。在開(kāi)機復位時(shí)，系統進(jìn)行初始化。接著(zhù)檢測現場(chǎng)溫度，并在預熱階段由系統強制加熱一段時(shí)間。然后再根據檢測溫度產(chǎn)生輸出控制、報警指示、顯示等。整個(gè)程序主體部分采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，在控制算法部分調用了C語(yǔ)言編寫(xiě)的函數。系統將整個(gè)控制算法作為一個(gè)函數以備匯編語(yǔ)言調用。

結束語(yǔ)
---將Fuzzy-PID算法應用于陀螺儀溫度控制系統，設計目標是在同樣的控制精度條件下，使系統的過(guò)渡時(shí)間盡可能短，改善控制效果。采用復合控制，使系統能有效抑止純滯后的影響，而且魯棒性強，當參數變化較大及有干擾時(shí)，仍能取得較好的控制效果。

參考文獻
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2 諸靜等.模糊控制原理與應用.機械工業(yè)出版社. 2003
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