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1 引言
溫度的測量和控制在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用，尤其在石油、化工、電力、冶金等重要工業(yè)領(lǐng)域中，擔負著很重要的測控任務(wù)[1]。但是由于被控對象隨負荷變化或受干擾因素的影響，對象特性參數(shù)或結(jié)構(gòu)經(jīng)常發(fā)生變化，因此需要實時改變控制策略使得控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標保持在最佳范圍內(nèi)，顯然普通的PID控制難以勝任。本文采用在線實時模糊自整定PID控制策略，實現(xiàn)了對PID參數(shù)的最優(yōu)調(diào)整。
2 溫度采集與A/D轉(zhuǎn)換
溫度采集與A/D轉(zhuǎn)換電路如圖1所示。熱電偶采用鎳鉻－鎳硅熱電偶，分度號為EU，對0～1 000℃的溫度為：0～41.32mV。實際系統(tǒng)要求測溫范圍為400～1 000℃，熱電偶輸出16.4～41.32mV，經(jīng)毫伏變送器處理，輸出0～10mV然后經(jīng)過I/V變換電路轉(zhuǎn)換出0～5V電壓信號。采用8位A/D轉(zhuǎn)換器MAX118使量化誤差達到±2.34℃[2]。選用通道1作為模擬量輸入，工作在MODE0方式。即A/D芯片的啟動、轉(zhuǎn)換、讀數(shù)均由RD控制，INT為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，當A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后INT變?yōu)楦唠娖健纹瑱C通過查詢P1.2引腳狀態(tài)判斷A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束并通過P0口將轉(zhuǎn)換結(jié)果讀入AT89S52單片機中。
圖1 溫度采集與A/D轉(zhuǎn)換
3 模糊PID控制方案
控制方案原理圖如圖2所示。
圖2 模糊PID控制原理
模糊自整定PID是在PID算法的基礎(chǔ)上，計算當前系統(tǒng)誤差e和誤差的變化率ė并利用模糊規(guī)則進行模糊推理，查詢模糊矩陣表進行參數(shù)調(diào)整[3]。模糊控制設(shè)計的核心是總結(jié)工程設(shè)計人員的技術(shù)知識和實際操作經(jīng)驗，建立合適的模糊規(guī)則表，得到針對KP、KI、KD三個參數(shù)分別整定的模糊規(guī)則表。KP、KI、KD的模糊規(guī)則表如表1、表2、表3所示。
表1 KP的模糊規(guī)則表
表2 KI的模糊規(guī)則表
表3 KD的模糊規(guī)則表
其中，NB為負大，NM為負中，NS為負小，ZO為零，PS為正小，PM為正中，PB為正大。
KP、KI、KD的模糊規(guī)則表建立好后，可根據(jù)如下方法進行KP、KI、KD的自適應(yīng)校正，將系統(tǒng)誤差量E和誤差變化量EC變化范圍定義為模糊集上的論域：E,EC=-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5。
其模糊子集為：E,EC=NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB。設(shè)E,EC和KP、KI、KD均服從正態(tài)分布，因此可得出各模糊子集的隸屬度，根據(jù)各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型，應(yīng)用模糊合成推理設(shè)計PID參數(shù)的模糊矩陣表，查出修正參數(shù)帶入下式計算[4]。
KP=KP’+{Ei,ECi}p；KI=KI’+{Ei,ECi}I；KD=KD’+{Ei,ECi}D。
至于PID的初始化參數(shù)采用Ziegler-Nichols設(shè)定方法調(diào)整。令TP=0.1TU；TI=0.5TU；TD=0.125TU。
式中TU稱為臨界周期，在單純比例作用下（比例增益由小到大），使系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩的比例增益，稱為臨界比例增益KU，這時的工作周期為臨界周期TU，則KP=0.6KU；KI=0.2KP；KD=1.25KP。
在線運行過程中，AT89S52通過對模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理，查表和運算，完成對PID參數(shù)的在線自校正。
4 溫度控制電路和人機接口
溫度控制是通過對加熱電阻絲的電源通斷來實現(xiàn)的。本系統(tǒng)采用晶閘管調(diào)功方式，通過MOC3061光耦過零觸發(fā)驅(qū)動器實現(xiàn)晶閘管過零觸發(fā)。晶閘管串接在50Hz交流電源和加熱絲中，只要在給定周期內(nèi)改變晶閘管的接通時間，就能達到加熱功率可調(diào)的目的[5]，從而實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。電路圖如圖3所示。單片機P1.3口輸出能控制晶閘管通斷時間的脈沖信號。P1.3＝1時關(guān)斷晶閘管，P1.3=0時開啟晶閘管。
圖3 溫度控制電路
控制器人機接口由數(shù)碼管和按鈕組成。12只LED數(shù)碼管分成兩組顯示溫度測量值和設(shè)定值。3只按鈕用于溫度設(shè)定和PID參數(shù)設(shè)定。控制器的程序分初始化設(shè)置態(tài)和運行態(tài)兩種模式。通過按動面板上的“SET”，“▲”，“
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號