（机械电子工程专业论文）粘片机温控系统的设计与实验研究.pdf

搏要 摘要 随着大规模集成电路和超大规模集成电路技术的飞速发展，以i c 制造和封 装为主的微电子制造业，己成为发展迅速、影响越来越大的高科技产业。粘片机 是一种将晶源焊接到底座的微电子封装设备，温度控制系统是其较为重要的组成 部分。温控系统的控制精度、鲁棒性、稳定性，对提高硅片的焊接质量和可靠性 至关重要。 本文在研究p i d 控制及其自整定方法、模糊自适应p i d 控制方法、嵌入式 实时操作系统i , t c o s i i 的移植和软件开发等方面的基础上，设计了粘片机的温 控系统。论文研究工作主要包括： 结合z np i d 自整定公式和继电自整定控制方法，自动整定加热炉焊接 区的p i d 参数。在此基础上，运用模糊自适应p i d 控制方法，制定p i d 参数动 态修改的模糊规则，对p i d 参数进行在线自适应调整，使整个系统达到较好的鲁 棒性和稳态精度。 完成温控系统的硬件设计，包括k 型热电偶专用芯片m a x 6 6 7 5 的使用方 法、用户输入和功率输出电路设计、微处理器选择、串行通讯等几方面。 对嵌入式实时操作系统i , t c o s i i 的特点、组成和任务调度机制等进行介绍。 在熟悉a t m e g a l 2 8 微处理器的内核结构和i c c a v rc 编译器编译机制的基础 上，完成g c o s i i 在a t m e g a l 2 8 微处理器上的移植，并完成系统任务的编写。 最后，制作粘片机电加热炉，用v c 编写串e l 数据采集工具，对温控系统 进行实验，取到了较好的效果。 关键词：p i d ，模糊自适应p i d ，粘片机，温度，i t c o s - 1 1 苯课面两凉菲丽燕科学基金项目( 项目号：5 0 2 7 5 0 2 9 ) 、广东省科技攻关项目( 项目号 2 0 0 3 a 1 0 4 0 3 0 3 ) 和广州市科技攻关项目( 项目号：2 0 0 3 2 2 一d 9 0 2 1 ) 的联合资助。 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fl s ia n dv l s i ，m i c r o e l e c t r o n i c sm a n u f a c t u r i n g c h a r a c t e r i z e db yi cm a n u f a c t u r ea n d e n c a p s u l a t i o nh a sb e c o m e af a s t d e v e l o p i n ga n d i n f l u e n t i a lh i g h - t e c hi n d u s t r y d i eb o n d e ri sak i n do fm i c r o e l e c t r o n i c se n c a p s u l a t i o n d e v i c et h a tw e l d st r a n s i s t o r st ot h eb a s e t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mi so n ei m p o r t a n t p a r to f i t t h ec o n t r o la c c u r a c y , r o b u s t n e s sa n ds t a b l e n e s so f t e m p e r a t u r es y s t e m sa t e c r u c i a lt oi m p r o v et h ew e l d q u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f s i l i c o nc h i p s o nt h eb a s i so fr e s e a r c h i n gp i dc o n t r o la n di t s s e l f - t u n i n gm e t h o d s ，f u z z y s e l f - a d a p t i v ep i d c o n t r o lm e t h o d s ，t h et r a n s p l a n t a t i o na n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n to f e m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i o ns y s t e ma n do t h e ra s p e c t s ，at e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m i sd e s i g n e da n dt e s t e df o rt h e d i eb o n d e r t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e ： w i t hc o m b i n a t i o no fz np i ds e l f - t u n i n gf o r m u l aa n dr e l a ys e l f - a d a p t a t i o n c o n t r o lm e t h o d s 。t h ep i d p a r a m e t e r so fw e l da r e ao ff u r n a c ei sg i v e na u t o m a t i c a l l y o nt h eb a s i s ，f u z z ys e l f - a d a p t i v ep i dc o n t r o lm e t h o d sa r ea p p l i e d ，t h ef u z z yr u l e sf o r d y r n a m i cm o d i f i c a t i o no fp i dp a r a m e t e r s a r ee s t a b l i s h e dt oa d j u s tp i dp a r a m e t e r s o n l i n e t h o s ee n a b l et h es y s t e mw i mb e t t e rr o b u s t n e s sa n dp r e c i s e n e s so fs t a b l e s t a t u s t h eh a r d w a r eo ft h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d t h ei n t r o d u c t i o n o fk - t y p et h e r m o c o u p l ea n dt h eu s a g eo fm a x 6 6 7 5w h i c hi si t ss p e c i f i ci ca r e p r e s e n t e d t h eu s e ri n p u ta n dp o w e ro u t p u tc i r c u i ti sd e s i g n e d , a n dt h es e l e c t i o no f m i c r o p r o c e s s o r a n do t h e ra s p e c t sa r ei n t r o d u c e d t h e f e a t u r e s ，p a r t sa n d t a s ks c h e d u l i n gm e t h o do fe m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i o n s y s t e m 1 tc o s a r ei n t r o d u c e df i r s t o nt h eb a s i so ff a m i l i a r i t yw i t ht h ek e r n e l s t r u c t u r ea n dt h ep r i n c i p l eo fi c c a v rc c o m p i l e r , t h et r a n s p l a n t a t i o no f uc o s - i i t oa t m e g a l 2 8i sf i n i s h e da n dt h es y s t e mt a s k sa r ep r o g r a m m e d f i n a l l y , h e a t i n gf u r n a c ea n dt h es e r i a li n t e r f a c ed a t ac o l l e c t i o nt o o l sw r i t t e nb y v ca r ed e s i g n e dt ot e s tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n t r o ls y s t e m t h er e s u l t ss h o w t h a t t h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t sb e t t e r k e yw o r d s ：p i d ，f u z z ys e l f - t u n i n g p i d ，d i e b o n d e r ，t e m p e r a t u r e ，i x c o s i i 第一章绪论 第一章绪论帚一旱瑁化 1 1 课题来源与研究背景 本课题来自国家自然科学基金项目：高速高精度的多机构粘片机设计理论 研究( 项目编号：5 0 2 7 5 0 2 9 ) ，并得到广东省科技攻关项目( 项目号：2 0 0 3 a 1 0 4 0 3 0 3 ) 和广州市科技攻关项目( 项目号：2 0 0 3 2 2 一d 9 0 2 1 ) 的联合资助。 当前，世界正处于一个以新材料、新能源、生物工程、海洋工程、航空航 天技术和信息技术为代表的新技术革命时期，其中影响最大、渗透力最强、最具 有代表性的新技术革命就是以半导体为基础、以集成电路为核心的电子信息技 术。它己渗透到现代国防、现代工业及社会生活的各个方面。以硅为主体的半导 体技术是电子信息产业发展的主要驱动力“1 。在过去的3 0 多年中，硅芯片技术 日新月异，突飞猛进。自1 9 5 8 年美国德克萨斯公司试制成功世界第块集成电 路起，世界i c 产业经历了小规模、中规模、大规模、超大规模和特大规模集成 电路的发展阶段。近几年来，随着微细加工技术及相关i c 工艺和装备的不断进 步，i c 制造技术极限不断被打破，i c 元器件的特征尺寸不断缩小，并进一步朝 着小型化和高复杂度的方向发展，其对制造极限提出更高的要求和挑战。以i c 为主的微电子制造业，己成为迅速发展、影响越来越大的高科技产业。1 。目前， 在一些发达国家，信息产业产值己占到国民经济总产值的4 0 6 0 ，国民经 济总产值增长部分的6 5 都与微电子有关。i c 制造水平成为衡量一个国家综 合国力的重要标志，成为促进国民经济持续发展和保障国家安全的战略性基础产 业。 s e m i 协会对用于i c 制造的半导体设备进行了分类，即制版设备、晶片制 备设备、薄膜生长设备、图形加工设备、掺杂设备、微芯片封装设备、测试设备 等七大类。其中，微芯片封装设备又包括粘片机、引线键合机等。 粘片机是一种将晶源粘贴到基体的微电子封装设备，温度控制系统是其较 为重要的组成部分。温控系统的控制精度、鲁棒性、稳定性，对提高硅片的焊接 质量和可靠性至关重要。目前使用的单点温控系统，由于使整个电加热炉都处于 设定的焊接温度，使铜质管脚在焊接过程中出现了过热氧化，不能完全满足产品 质量要求。因此，自主研制适合粘片机用的温控系统，对满足粘片质量，降低设 备成本具有重要意义。 广东工业大学工学硕士学位论文 1 - 2 研究现状 1 2 1 功能及硬件实现 目前国内温控产品，以日本欧姆龙、松下电工及国内的上海亚泰仪表等几 个品牌居多。在现有的温控产品中，以单点控制方式居多，即采用单c p u 、单温 度传感器，实现单点控制功能。采用单点温度控制器，虽然能够使测温点达到比 较好的控制精度，但如果加热炉形状复杂、要求具备多个不同温度区域，则其不 能满足生产要求。市场上现有的多点温控器，采用多c p u 结构，即每个c p u 连接 一个温度传感器。控制一个加热点，相当于多个单点温控器的组合。这样虽然能 基本满足控制要求，但由于各c p u 相互独立，且各区域加热点的相互影响，整个 温控系统的稳定性和鲁棒性有待进一步提高。 1 2 2 软件结构 软件系统一般采用前后台式工作方式，即后台为主应用程序，前台为中断 处理程序；通常情况下执行主程序，若有中断发生时，则转向前台处理中断服务 程序。前台需要处理定时显示系统信息子程序，或按键中断处理子程序，然后根 据中断程序中所置的状态标志，由主程序判断其状态标志后再进入相应的子程 序，也就是主程序采用状态查询方式进行工作。这样在一定程度上不能保证整个 系统监控的实时性。因为主程序在执行其它程序时，不可能随时去检测这些状态 标志，尤其是处理多通道a i d 采样时，耗时较多。当工作的通道增加或减少时， 这种现象则表现得尤为明显，而且难以实现并行操作的相互通信。主程序各个子 模块横向联系所需交换信息在一般的前后台系统中很难实现。系统存在不稳定隐 患“1 。 1 2 3 控制算法 电加热炉温度控制技术的发展日新月异，经历了从模拟p i d 、数字p i d 、到 最优控制、自适应控制，再到智能控制的发展过程。每一个发展都使控制的性能 得到了改善。在现有的电加热炉温度控制方案中，p i d 控制和模糊控制应用最多， 也最具有代表性5 ，。 ( 1 ) p i d 是当前最为普遍采用的控制算法。根据控制对象的不同，适当 地调整p i d 参数，可以获得比较满意的效果。算法简单，参数调整方便，并且具 2 第一章绪论 有一定的控制精度。但p i d 算法只有在系统参数模型非时变的情况下，才能获得 理想的效果。而且p i d 三个参数的整定也是个繁琐的过程，单纯使用p i d 算法不 一定能取得较好的控制效果”1 。 ( 2 ) 模糊控制和p i d 调节器相比，无需建立被控对象的数学模型，对被 控对象的时滞、非线性和时变性具有一定的适应能力，鲁棒性较好。但模糊控制 器消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度“1 。 ( 3 ) 模糊自适应p i d 控制是一种较为理想的温度控制方法。由于电加热 炉纯滞后特性的存在，使得控制器参数调整工作量比较大，且不易调准，系统的 稳态精度不高。采用模糊自适应p i d 控制能发挥模糊控制鲁棒性强、动态响应好、 上升时间快、超调量小的特点，又具有p i d 控制器的动态跟踪品质和稳态精度， 能够实现p i d 参数的在线自调整，效果比较理想。1 。 1 3 温控系统设计方案 整个温控系统由各个温区控制算法的选择、系统硬件设计、系统软件实现 等几部分组成，系统的整体结构如图1 1 所示。 ( 1 ) 结合p i d 继电振荡自整定方法和模糊自适应p i d 控制算法，实现p i d 参数的在线自整定和根据被控对象的变化而在线模糊自适应调整p i d 参数值，从 而充分发挥p i d 控制和模糊控制各自的优点，使加热炉焊接区达到较好的控制精 度。对控制要求次高的加热区和保温区采用常规p i d 控制。 ( 2 ) 在硬件设计方面，微处理器采用a t m e l 公司a v r9 0 系列a t r a e g a l 2 8 高速嵌入式单片机；采用k 型热电偶专用集成电路m a x 6 6 7 5 实现温度信号的放大、 a o 转换与s p i 输出；采用双向可控硅b t a l 2 作为功率器件，并使用m o c 3 0 4 1 实 现b t a l 2 的过零触发；采用一个四位l e o 数码管和3 个l e d 进行系统输出显示； 采用串行接口实现单片机a t m e g a l 2 8 与上位p c 的通讯。 ( 3 ) 在系统软件设计方面，采用c o s i i 嵌入式实时操作系统，实现单 m c u ( a t m e g a l 2 8 ) 多路( 本系统中为3 路) 巡回控制方式。在对a t m e g a l 2 8 微处理器 的体系结构、存储空间的堆栈特性和i c c a v rc 编译器编译机制深入了解的情况 下，完成uc o s i i 在h t m e g a l 2 8 上的移植、1 tc o s i i 功能的裁减以及系统任 务和系统输入输出的软件实现。嵌入l - tc o s i i 实时处理内核，充分发挥其多任 务实时功能，能更好地满足监控测量实时性的需求，可使温度控制系统智能化程 度和测量精度更高，工作性能更加稳定。 3 广东工业大学工学硕士学位论文 暑孽一 l 雾差薰一 图1 1 温度控制系统结构图 fig u r e l 1t e m p e r a t u r eo o n t r ois y s t e ms t r u c t u r e 1 4 论文的安排 全文共分为四章。 第一章主要介绍课题来源、研究现状及系统的总体设计方案。 第二章研究粘片机加热炉各个温区的温度控制算法。 第三章进行温控系统的硬件设计，包括温度信号采集、微处理器选择、功 率输出电路、参数设定和显示输出电路、抗干扰可靠性设计等几方面。 第四章主要研究c o s o i i 嵌入式实时操作系统在a t m e g a l 2 8 单片机上的 移植以及系统任务的编写。 第五章介绍了加热炉的设计和实验结果。 4 第二章控制算法选择 第二章控制算法选择 2 1 p i d 控制的基本原理 p i d 控制是工业生产过程中被广泛采用的一种控制方法，是生产过程自动控 制的发展历程中历史最久、生命力最强的基本控制方式。即使现代技术飞速发展 的今天，仍有大约9 5 以上的控制回路采用p i d 控制。 p i d 控制具有以下特点： ( 1 ) 原理简单，使用方便。 ( 2 ) 适应性强。可以应用于化工、热工、冶金炼油以及造纸建材等各种生 产部门。 ( 3 ) 具有较好的鲁棒性，即其控制品质对被控对象特性的变化不敏感，而 且许多高级控制都是以p i d 控制为基础。 ( 4 ) 能否使系统工作在最佳状态主要取决于控制器的参数整定。 理论和实践证明，对过程特性为亍i k 万e 一4 或者石了干磺k 云丽。一8 的 受控对象，p i d 算法是一种有效的常规控制方法“。但是，当： ( 1 ) 对象特性的t i t 过大时； ( 2 ) 对象特性不能简单近似为上述两种特性时； ( 3 ) 对象特性具有时变、非线性特征时； p i d 算法就难以实现有效的控制。 在连续控制系统中，模拟调节器最常用的控制规律是p i d 控制，模拟p i d 控制系统原理框阿州如下： 图2 1p i d 控制系统原理框图 f i g u r e2 1 p i do o n t r o i s y s t e mp r i n c i p i e 5 广东工业大学工学硕士学位论文 p i d 控制规律为： 吣) 2 啦+ 毒出+ 半】 ( 2 ，) 或者写成传递函数的形式： g = 哿= 例+ 去哪) 式中e ( t ) ：调节器输入函数， u ( t ) ：调节器输出函数； k d ：比例系数； r n ：积分时间常数： t d ：微分时间常数 ( 2 2 ) 即给定量与反馈量( 输出量) 的偏差 2 1 1 p i d 控制器各参数对控制效果的影响 ( 1 ) 比例系数 比例控制器是一个放大倍数可调整的放大器，控制器的输出信号成比例地 反应输入信号。提高比例系数k p ，可以减小系统的稳态误差，从而提高控制精 度。对于一阶系统，提高r p ，还可以降低系统的惯性“。但是，比例系数k p 过 大会使系统产生较大超调，甚至导致不稳定：若k p 取得过小，能使系统减少超 调量，稳定裕度增大，但会降低系统的调节精度，调节时间延长“”。 比例调节的优点是简单、快速。缺点是对具有自平衡性的控制对象有静差： 对带有滞后的系统，可能产生振荡，导致动态特性较差。根据系统控制过程中各 个不同阶段的要求以及操作经验总结，通常在控制的开始阶段，把k p 取较小值， 以减小系统冲击：在控制过程中期，适当加大k p ，以提高快速性和动态精度， 而到过渡过程的后期，为了避免产生大的超调和提高静态精度稳定性，又将k p 调小。在控制系统中，常将比例控制规律与其他控制规律结合使用，以便使控制 系统的稳态性能和动态性能都得到改善。 ( 2 ) 积分系数 积分调节可提高系统的抗干扰能力，消除系统的静态误差，适用于有自平 衡性的系统。但它有滞后现象，使系统的响应速度变慢，超调量变大，并可能产 生振荡。加大积分系数k i ( 减小t i ) 有利于减小系统静差，但过强的积分作用会使 6 第二章控靠4 算法选择 超调加剧，甚至引起振荡；减小积分系数i ( i 虽然有利于系统稳定，避免振荡， 减小超调量，但又对系统消除静差不利。 通常在调节过程的初期阶段，为防止由于某些因素引起的饱和非线性等影 响而造成积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调量，积分作用应弱些，取 较小的k i ；在响应过程的中期，为避免对动态稳定性造成影响，积分作用应适 中；在过程后期，应以较大的值以减小系统静差，提高调节精度。 ( 3 ) 微分系数 微分调节作用主要是针对被控对象的大惯性改善动态特性，它能给出响应 过程提前制动的减速信号。它有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定；同 时加快系统的响应速度，减小调整时间，从而改善了系统的动态特性。k d 值对 响应过程影响非常大。若增加微分作用k d ，有利于加快系统响应，使超调量减 小，增加稳定性，但也会带来扰动敏感，抑制外干扰能力减弱，若k d 过大则会 使响应过程过分提前制动从而延长调节时间；反之，若k d 过小，调节过程的减 速就会滞后，超调量增加，系统响应变馒，稳定性变差。 对于时变且不确定系统，k d 不应取定值，应适应被控对象时间常数而随机 改变。在响应过程初期，适当加大微分作用可以减小甚至避免超调；在响应过程 中期，由于对k d 的变化很敏感，因此k d 应小些，且保持不变；在调节过程后 期，k d 要再小一些，从而减弱过程的制动作用，增加对扰动的抑制能力，使调 节过程的初期因k d 较大而导致的调节时间增长而得到补偿。 2 1 2 p i d 控制的几种组合形式 根据p i d 控制规律特点，可以组合成以下几种形式”： ( 1 ) 比例( p ) 控制器 比例控制器能迅速克服干扰的影响，或使被控变量能迅速跟踪设定值的变 化，过渡过程时间短，而且只有一个参数需要整定。但是，过渡过程结束后有余 差存在。因此，比例控制器适用于负荷变化较小、自衡能力较强、对象控制通道 中的纯滞后时间和时间常数之比( t t ) 较小、工艺上允许有余差存在、控制质 量要求不高的场合。 ( 2 ) 比例微分( p d ) 控制器 在比例控制的基础上引入微分作用后，增大了系统的稳定程度，使比例增 益可以加大，从而可以加快过渡过程，减小动态偏差和余差，对克服对象的容量 7 广东工业大学工学硕士学位论文 滞后有显著效果。但是，微分作用不能过强，否则会使系统对高频干扰特别敏感， 反而可能引起系统振荡程度加剧。因此，比例微分控制器适用于对象控制通道时 间常数较大、负荷变化较小、反应速度较慢的场合。但是，微分时间的设置要合 适。对于容量滞后很小、干扰作用频繁的系统，应尽可能避免使用微分作用；对 于存在测量噪声或周期性干扰的系统，则不宜采用微分控制。 ( 3 ) 比例积分( p i ) 控制器 在比例控制的基础上引入积分作用后，会减小系统的稳定程度，使比例增 益减小，从而使过渡过程变慢，动态偏差变大。但是，积分作用有其独特的优点， 就是可以消除余差。这使得比例积分控制器成为使用最广的一种控制器。比例积 分控制器适用于对象控制通道时间常数较小、负荷变化不很大、工艺要求没有余 差的场合。对容量滞后和纯滞后都比较大的系统，要尽量避免使用比例积分控制 器1 。 ( 4 ) 比例积分微分( p i d ) 控制器 比例积分微分控制器又称三作用控制器，它综合了以上各种控制器的特点， 既能克服对象的容量滞后，减小动态偏差，提高系统的稳定性，又能消除系统的 余差。如果能对比例系数k p ，积分时间t i 和微分时间t d 三个参数加以适当整 定，可以使系统具有良好的控制性能。p i d 控制器适用于控制对象负荷变化大、 对象容量滞后较大、工艺要求无余差、控制质量要求较高的系统。但是，对于纯 滞后很大、负荷变化很大的系统，三作用控制器同样无能为力“”“”。 2 2 数字p i d 控制 单片机控制是一种采样控制，只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因 此，连续p i d 控制算法不能直接使用，需要采用离散化方法，即采用数字p i d 控 制器。采用数字p i d 控制时，采样周期t 对系统影响很大。若t 过大，系统的稳 定性将变差。在设计和调试系统时，选择了较为合适的采样周期后一般便不再变 动。 数字p i d 控制分为位置式p i d 控制和增量式p i d 控制“”。 2 2 1 位置式p i d 控制 按模拟p i d 算法，以一系列的采样时刻点k t 代表联系时间t ，以矩形法数 值积分近似代替积分，以一阶后向差分近似代替微分，可以得到离散p i d 表达式： 8 第二章控制算法选择 “(七)=勋*error(k)+蔚4车prro州矿+kd*_error(k)-error(k-1)(23) 式中： k i = k p t i k d = k p t d t 为采样周期，k 为采样序号 e r r o r ( k ) 和e r r o r ( k - 1 ) 分别是k 和k - 1 时刻得到的偏差值。 2 2 2 增量式p i d 控制 由位置式p i d 算式( 2 3 ) ，根据递推原理可以得到增量式p i d 算式： a u ( k ) = r p4 ( e r r o r ( k ) 一e r r o r ( k 1 ) ) + k i 8 e r r o r ( k ) + 削。( 8 肿r ( ) 一2 p 肿，( k 1 ) + p 册r ( k 一2 ) ) ( 2 4 ) 由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期t ，所以一旦确定了k p 、l ( i 、 k d ，只要使用前后3 次测量值，即可由( 2 4 ) 求出控制增量。 2 2 3 位置式与增量式p i d 控制的比较与选择 采用增量式算法时，计算机输出的控制量u ( k ) 对应的是本次执行机构位 置的增量。对应实际控制量应由式( 2 3 ) 通过软件来完成。对整个系统而言， 位置式与增量式控制算法并无本质区别。 增量式控制虽然只是对算法做了一点改进，却带来不少优点“”： ( 1 ) 由于计算机输出增量，所以误动作时影响较小，必要时可用逻辑判断 的方法去掉。 ( 2 ) 手动自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发 生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故能仍然保持原值。 ( 3 ) 算式中不需要累加。控制增量u 的确定仅与最近几次采样有关，所 以较容易通过加权而获得比较好的控制效果。 但增量式控制也存在积分截断效应大、有静态误差、溢出的影响大等不足 之处。 在选择时p i d 的计算方法时，一般认为在以晶闸管为执行机构或在控制精 9 广东工业大学工学硕士学位论文 度要求高的系统中，采用位置式算法，而在以步进电机或电动阀门作为执行机构 的系统中，则采用增量控制算法“。 温控系统以双向可控硅作为输出功率调节的器件，适合采用位置式计算方 法。 2 3 p i d 参数自整定方法 p i d 参数的整定一般需要经验丰富的工程技术人员来完成，耗时耗力，加 之实际系统千差万别，使p i d 参数的整定有一定的难度，致使许多p i d 控制器参 数没有整定得很好，系统无法工作在满意的状态。 对于一阶惯性加纯延时的被控对象： g r s l ：垒二 ( 2 5 ) ? j + l k ：比例系数 t ：时间常数 t ：纯滞后时间 其p i d 控制器参数自整定方法主要有：i s t e 整定法、z - n 整定法、鲁棒控制法、 工程整定法等。实践和仿真证明：i s t e 法和鲁棒控制法产生的超调和振荡程度 小于其它方法，响应曲线比较平稳，具有较强的抑制扰动能力“”“”。 2 3 1 t s t e 整定法 i s t e 整定法是庄敏霞与a t h e r t o n 提出的p i d 控制器最优攘定算法，该算 法考虑的最优准则的一般形式为“”。： ，( p ) 2j ：【f e ( e ，f ) d t 2 一 ( 2 6 ) 其中e ( 0 ，t ) 为进入p i d 控制器的误差信号，向量0 为p i d 控制器参数构 成的集合。如果被控对象可以由式( 1 1 ) 中给出的形式表示，则典型的p i d 控制 器参数可以由下面的经验公式得出： 邸= 警仆志弛小丁”亿， 对不同的ti t 范围，可以通过查表2 1 来获得系数对( a ，b ) 的值再由式 ( 2 7 ) 设计出p i d 控制器。 1 0 第二章控制算法选择 表2 1p 1 0 控制器参数 t a bie 2 1p a r a m e t e ro fe o n t r oi | e r f 1 的范围o 1 - 11 1 - 2 a 11 0 4 21 1 4 2 b 10 8 9 70 5 7 9 a 20 9 8 70 9 1 9 b 20 2 3 8o 1 7 2 a 30 3 5 80 3 4 8 b 3o 9 0 60 8 3 9 i s t e 整定方法整定的p i d 控制器参数，其闭环控制系统的性能较好，具 有超调小、调节时间短等优点。在实际使用时的主要缺点是被控对象的传递函数 必须是已知的，若模型参数不准确，将达不到理想的控制效果，鲁棒控制也存在 同样的问题。 2 3 2 z n 整定法 该方法是基于一阶惯性加纯延时的模型提出，根据系统的临界振荡周期t c ( 由临界振荡频率w n 求得) 和临界比例增益k c ，可以按下表计算p i d 的三个参 数。“。”： 表2 2z n 整定法计算公式 t a b i e 2 - - 2f o r m u i ao fz ns e i f - t u n i n g 控制器k p t i m i nt d m i n p0 5 k c p 10 4 5 k c0 8 5 t c p i d0 6 5 k c0 5 t c0 1 2 5 t c 由于一般情况下，允许对临界稳定时振荡不大、周期较长的控制系统进行 临界稳定试验，z n 法对于许多工业被控对象适用。该方法虽然整定效果较i s t e 法和鲁棒控制法逊色，但由于不必知道系统的准确模型参数，因而比较适合温控 系统的参数自整定“”。 2 4 继电振荡p i d 参数自整定 由控制理论可得继电器环节的描述函数为： 广东工业大学工学硕士学位论文 n ( x ) ：竺a r c s i n 三( 2 8 ) 根据描述函数的定义可知，描述函数是对非线性环节的不精确描述，它忽 略了对象环节的高频响应分量，然而大多数工业控制对象具有低通特性，所以上 述描述函数反映了问题的本质。”。 由控制理论还可知，当满足g ( j w ) n ( x ) = 一l 时，闭环系统将出现极限环 振荡。其状态可用n y q u i s t 曲线描述。继电反馈系统的临界振荡点由一1 n ( x ) 和g ( j w ) 两曲线的交点决定。由临界振荡点可知其振荡幅度a 和临界振荡频率w n 。 由ln ( x ) g ( j w ) i = 1 ，可以计算对象的临界增益k u = 2 b a 以及临界振荡周期t c = 2n w n ，在实际中它们是通过系统的输出响应来确定，这样就得到对象的两个重 要特征参数。著名的z - - np i d 整定算法就是根据这两个参数得到。 继电振荡p i d 参数自整定的实现方法。”是：在控制系统中设置两种状态： 测试状态和调节状态。测试状态即自整定状态，由一个继电非线性环节来测试系 统的振荡频率和增益；在调节状态下，由系统的特征参数首先得出p i d 控制器， 然后，由此控制器对系统的动态性能进行调节。如果系统的测试发生变化，则需 要重新进入测试模态进行测试，测试完成之后，再回到调节状态进行控制。 图2 2p i d 继电振荡自整定原理框图 f i g u r e 2 2p i dr e i a ys e i f - t u n i n gp ri t i c i p i e 2 s 模糊控制简介 模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种控制手段，是模糊系统理论和模 糊技术与自动控制技术相结合的产物。模糊控制的核心是利用模糊集合理论，把 人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法， 这种方法不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的 被控对象进行有效的控制“1 。 模糊控制作为智能领域中最具有实际意义的一种控制方法，在近年来得到 1 2 第二章控制算法选择 了迅速的发展，已经在工业控制领域，家用电器自动化领域和其他很多行业中解 决了传统控制方法无法或者是难以解决的问题，取得了令人瞩目的成效。已经引 起了越来越多的控制理论的研究人员和相关领域的广大工程技术人员的极大兴 趣。 随着计算机及其相关技术的发展，模糊控制也由最初的经典模糊控制发展 到自适应模糊控制，专家模糊控制和基于神经网络的自学习模糊控制。其实现方 式也由最初在微型机( 单片机) 上用软件方法实现发展到应用模糊控制开发出模 糊计算机进行直接控制。 模糊控制的理论和应用虽然已经取得了很大的进展，但是就目前的状况来 看，尚缺乏重大的突破，因此模糊控制无论在理论和应用上都有待于进一步的深 入研究。 2 6 模糊控制的特点 模糊控制是建立在人工经验基础上的。对于个熟练的操作人员，他并非 需要了解被控对象精确的数学模型，而是凭借其丰富的经验加以总结和描述，并 用语言表达出来，它就是一种定性的、不精确的控制规则。如果用模糊数学将其 定量化就转化为模糊控制算法，从而形成了模糊控制理论。模糊控制器的具有一 些明显的特点。”： ( 1 ) 无需知道被控对象的数学模型 模糊控制是以人对被控制系统的控制经验为依据而设计的控制器，故无需 知道被控系统的数学模型，易于对不确定系统或非线性系统进行控制。 ( 2 ) 是一种反映人类智慧思维的智能控制 模糊控制采用人类思维中的模糊量，如“高”、“中”、“低”、“大”、“小” 等，控制量由模糊推理导出。这些模糊量和模糊推理是人类通常智能活动的体现。 ( 3 ) 易被人们所接受 模糊控制的核心是控制规则，这些规则是以人类语言表示的，如“衣服较 脏，则投入洗涤剂较多，洗涤时间较长”，很明显这些规则易被一般人所接受和 理解。 ( 4 ) 构造容易 用单片机等来构造模糊控制系统，其结构与一般的数字控制系统无异，模 糊控制算法用软件实现。 1 3 广东工业大学工学硕士学位论文 ( 5 ) 鲁棒性好 模糊控制系统无论被控对象是线性的还是非线性的，都能执行有效的控制， 对外界干扰有较强的抑制能力，具有良好的鲁棒性和适应性。 模糊控制是一种尚处于发展中的控制方式，其理论和方法还不完善，尚存 在以下不足之处： ( 1 ) 精度尚不够高 模糊控制是一种非线性控制，对语言变量值的划分不可能太多，无论采用 控制表或控制解析公式，都不可能过于复杂，因此对精度有一定的影响。模糊控 制实际上是非线性p 或p d 控制算法，没有引入积分机制，在理论上总存在静差。 ( 2 )自适应能力有限 一般模糊控制器没有规则和参数调整能力，当被控对象的参数随着时间和 环境的变化而变化时，不能及时调整自身参数去适应对象的变化，从而使控制质 量产生变异。 ( 3 ) 会产生振荡 在控制规则的结构不恰当时， 系统产生振荡。 ( 4 ) 控制规则优化尚有困难 控制规则是操作经验的总结， 行优化的好办法。 2 7 模糊控制的组成 或者比例因子和量化因子选择不当时，易使 但经验因人而异，目前还没有一种对规则进 模糊控制系统是一种采用计算机控制技术构成的一种具有闭环结构的数字 控制系统，其基本结构如图2 3 所示。 1 4 第二章控伟4 算法选择 ；一一一一一一一一一一一一一一一一一一。1 图2 3 模糊控制系统的基本结构 fig u r e2 3b a sics t r u c t u r eo ff u z z yc o n t r oi s y s t e m 由于模糊控制器是采用数字计算机来实现的，所以应具备下列三个重要功 能： 把系统的偏差从数字量转化为模糊量( 模糊化过程、数据库两块完成) 。 对模糊量由给定的规则进行模糊推理( 规则库、推理决策完成) 。 把推理结果的模糊输出量转化为实际系统能够接受的精确数字量或模拟量 ( 精确化接口) 。 2 8 模糊控制器的设计步骤 常规的模糊控制器的设计步骤如下： ( 1 ) 确定模糊控制器的结构，即确定其输入和输出变量。 ( 2 ) 输入、输出变量的模糊化。把输入的精确量转化为对应语言变量的模 糊集合。 ( 3 ) 模糊推理决策算法的设计。根据模糊规则进行模糊推理，从而决策出 输出变量。 ( 4 ) 对输出模糊量进行模糊判决，完成从模糊量到精确量的转换。 2 9 模糊控制器的设计方法 由模糊控制器的原理及设计步骤可知，设计模糊控制器，应先把系统偏差 e 、偏差变化率e 和控制量u 变化的精确量转化为模糊量，给模糊算法器进行处 理，模糊算法器根据系统控制规则决定的模糊关系r ，应用模糊推理合成算法， 推理决策出输出控制的模糊量，然后再经过模糊判决，给出输出控制量的确切值 1 5 广东工业大学工学硕士学位论文 去控制被控对象。 对于设计者给定的n 条模糊控制规则，可以得到n 个输入输出关系r 。、r 。 r n ，从而得到总的系统模糊关系： r = u r ( 2 1 0 ) 对于任何输入偏差a i 和偏差变化率b j ，对应输出的c 日为 c i j = ( a b ，) r ( 2 1 1 ) 由上式得到的模糊控制量c 日再进行精确化，即可以实行控制a 但实际应用 中，模糊关系r 一般是一个高阶矩阵。对于任意的输入偏差a i 和偏差变化率b j ， 利用式( 2 1 1 ) 对关系矩阵r 求合成运算来求取控制量c 日，将花费大量的计算时间， 由于在单片机运算速度有限，这样容易导致系统响应速度不够，实时性差。 在单片机模糊控制器中，通常采用查表法和公式法来克服实时计算量大的 缺点“。 2 9 1 查表法 根据设定的模糊规则，通过事先的离线计算，求得一个模糊控制表，然后 将模糊控制表存放在微处理器的内存中，微处理器只需直接根据采样和论域变换 得来的以论域元素形式表现的e ( x i ) $ a a e ( y 0 ，由控制表的第i 行和j 列找到相对应 的同样以论域元素形式表现的控制量u ，将u 乘以比例因子，即求出对被控对象 的输出量。 2 9 2 公式法 对于一个模糊控制系统，设其三个论域如下 e x = 一3 ，一2 ，一1 ，0 ，1 ，2 ，3 ) a e y = 一3 ，一2 ，一1 ，0 ，1 ，2 ，3 ) u z = 一3 ，一2 ，一l ，0 ，1 ，2 ，3 ) 在这些论域中定义相同的模糊子集：n b 、n m 、n s 、z e 、p s 、p m 、p b ， 并与论域中的元素相对应，即n b = - - 3 ，n m m 一2 ，p b = 3 ，则控制规则可 以如下表示： 1 6 第二章控制算法选择 “= ( 2 1 2 ) 其中，q 【 表示一个与x 同号，绝对等于x 的绝对值四舍五入取整后得到的 整数。n 取0 1 之间的值。当n 取不同的值时，意味着对偏差e 和偏差变化率 e 的加权不同，从而得到不同的模糊控制规则。通过调整系数a ，可以实现模 糊控制规则的在线调整。 一般取= o 5 。 2 1 0 模糊自适应p i d 控制 经典的模糊控制器f l c 与常规的p i d 控制器相比，具有无须建立被控对象 的数学模型、对被控对象的非线性和时变性具有一定的适应能力，即鲁棒性较好 等特点。但它也有一些需要进一步改进和提高的地方。例如，常规的二维模糊控 制器是以误差和误差变化作为输入变量，因此，一般认为这种控制器具有模糊比 例和微分控制作用，但缺少模糊积分控制作用。这种模糊控制系统的稳态性不能 令人满意。由于控制动作欠细腻，模糊控制器消除系统稳态误差的性能较差，难 以达到较高的稳态控制精度，特别在离散有限论域设计时更为明显。稳态精度欠 佳是经典模糊控制的一个弱点 2 7 1 1 2 ”。 模糊自适应p i d 控制利用人工智能的方法将操作人员的调整经验抽象为模 糊规则，运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊集表示， 并把这些模糊控制规则以及有关信息( 如评价指标、初始p i d 参数等) 作为知识 存入计算机知识库中，然后微控制器根据控制系统的实际响应情况( 即专家系统 的输入条件) ，运用模糊推理，自动实现对p i d 参数的最佳调整”“。 模糊自适应p i d 控制器以误差e 和误差变化e c 作为输入，根据前面所描述 的k p 、k i 、k d 三个参数的作用，利用模糊集合理论建立参数k p 、尉、k d 与e 和e c 的二元联系函数关系： k p =