（计算机系统结构专业论文）新型模糊pid温度控制器.pdf

论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的 研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 作者签名：脚 论文使用授权声明 日期：! 竺= = ! ：1 2 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名：i 塾i 苎。丝导师签名： 日期： 【摘要】 第1 页 摘要 随着控制技术的不断发展，高抗干扰、高灵敏度的自动控制技术越来越受 到社会的广泛关注。尤其是在温度控制领域，一方面，经典的p i d 控制器以其 高稳定性、高可靠性、结构简单、调整方便等优点而得到最广泛的使用。另一 方面，由于模糊控制技术不需要对象的精确模型，对参数漂移的鲁棒性强，因 此越来越受人瞩目。二十世纪八十年代以来，模糊控制技术的应用首先在日本、 美国等国家出现，进而获得了广泛的推广，取得了良好的效果。目前，在温度 自动控制领域，模糊控制技术也毫无疑问有着至关重要的地位。然而，在稳定 性的判别、隶属函数的确定、模糊规则的确立、采样时间的最优化等方面，模 糊控制技术还需要进一步的研究和完善，特别是如何与其他先进智能控制方法 或传统控制方法相结合，取长补短，从而形成最佳的控制策略，是目前国内外 许多学者研究的方向。本文介绍了一种新型温度控制器，它主要采用模糊控制 与p i d 控制算法相结合的设计优化了控制策略。 本文的工作主要分为两个部分。在理论部分。首先介绍了模糊p i d 控制技 术的基本原理和构成方式，接下来描述了设计一个模糊p i d 控制器所应该考虑 的各方面的理论问题，最后给出了基本的模糊p i d 控制器的数学模型。 在此基础上，本文进一步对基本的模糊p i d 温度控制器进行优化。为了兼 顾p i d 控制算法和f u z z y 技术各自的优点，首先要考虑对模糊控制器的输入量 进行修正，然后讨论了控制的时间最优性。接下来，本文通过对控制器硬件原 理图的介绍，解释了控制器硬件电路工作原理。最后给出了p c b 线路板的设计 思想和软件结构并实际制作了新型模糊p i d 温度控制器的样机。该样机的实物 图在第四章中给出。 在完成了模糊p i d 温度控制器的样机制作以后，本文设计了一个单闭环温 度调节系统，对所制作的温度控制器样机行了实际测量，绘制了在阶跃扰动下 和白噪声干扰下对应的各种控制曲线，给出了实测数据，同时对数据进行了分 析，证实了该设计比传统p i d 温度控制器优越的各种性能指标。 最后，本文对采用模糊算法的温度控制器的研究做出了展望。 关键词：p i d ，模糊控制，温度控制器 国成林：新型模糊p i d 温度控制器 二零零七年五月 第2 页 a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to fc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y , h i g ha n t i - j a m m i n g h i g h s e n s i t i v ei sm o r ec o n c e r n e dt h a na n yt i m ei nt h ep a s t ，e s p e c i a l l yi nt h ea r e ao f t e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n g b e c a u s eo ft h es t a b i l i t ya n ds i m p l e n e s s ，t h ee a s i l ya d j u s t e d p i dc o n t r o l l e r sa r es ow i d e l yu s e d o nt h eo t h e rh a n d ，t h ef u s s yc o n t r o l l e r sw h i c h a r er o b u s tt ot h ee x c u r s i o no fp a r a m e t e r sn e e dn op r e c i s em a t h e m a t i cm o d e l ，a r e m o r ea n dm o r ep o p u l a r f u s s yc o n t r o lu n d o u b t e d l yp l a y st h es i g n i f i c a n tr o l e e s p e c i a l l yi nt h ef i e l do ft e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n g s i n c ef i r s t l yc o m m e r c i a l l yu s e di n j a p a na n da m e r i c a i n8 0 s ，f u s s yc o n t r o lm a t t g t sm o r e b u te v e nt o d a y , f u s s yc o n t r o l l e f t sm a n yp r o b l e m ss u c ha st h ed i s t i n g u i s hs t a b i l i t y , h o wt og e ts u b j e c tf u n c t i o n s a n df u s s yr u l e sa n do p t i m i z a t i o ns a m p l et i m i n ge s p e c i a l l yh o wt oc o m b i n ew i t h t r a d i t i o n a lt e c h n o l o g i e s i nt h i sp a p e r , an e wf u s s y - p i dt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e ri s p r e s e n t e d t h i sp a p e ri n v o l v e di nt h ef o l l o w i n gt w op a r t s i nt h ef i r s th a l f , w ei n t r o d u c e t h eb a s i ct h e o r ya n da r c h i t e c t u r eo faf u s s y p i dc o n t r o l l e rw h i c hi n c l u d e se v e r y p r i m a r ya s p e c to f t h ef u s s y - p i dc o n t r o l l e rd e s i g n i n g l a s tw ed e d u c et h es i m p l i f i e d m a t h i m a t i cm o d e lo f f u s s y p i dc o n t r o l l e r b a s e do nt h i s ，w eo p t i m i z et h eb a s i cf u z z y - p i dt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e rf u r t h e r i no r d e rt os a v et h em e r i to ft h et r a d i t i o n a lp i dt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r , w ef i r s t r e v i s et h ei n p u tp a r a m e t e r s ，t h e ng i v eas u f f i c i e n ta n a l y s i so nt i m ec o n s u m i n g w e e x p l a i nt h ep r i n c i p l eo f t h eh a r d w a r eb yg i v i n go u tt h ec i r c u i td i a g r a m ss u b s e q u e n t l y f i n a l l y , w eb r i e f l yi n t r o d u c et h ep c bp r o b l e m sa n df i r m w a r ea r c h i t e c t u r e t h e p r o t o t y p eo ft h en e wf u z 科- p i dt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e ri ss h o w e di nt h ec h a p t e r f o u r a f t e r m o d e l i n ga n dm a n u f a c t u r i n gt h ec o n t r o l l e r , w ed e s i g n e d as i n g l e c l o s e l o o pt e m p e r a t u r es y s t e mt om e a s u r et h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n t r o l l e r t h e d i a g r a m so ft h ep e r f o r m a n c eu n d e rd i s t u r b sa r es h o w n w ec a ns u r et h en e w f u s s y p i dt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e ri ss u r e l yb e t t e rc o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a lo n e s f i n a l l y , w eg i v eap r o s p e c to f f u z z y - p i dt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r s k e y w o r d s ：p i d ，f u z z yc o n t r o l ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r 国成林；新型模糊p i d 温度控制器 二零零七年五月 【第一章引言】 第3 页 第一章引言 本章介绍温度控制器的应用、发展过程以及现状，并给出本论文的结构安排 和内容概述。 第一节温度控制器简介 1 1 1温度控制的基本理论 自动控制技术是研究自动控制共同规律的技术科学，是衡量各行各业现代化 水平的一个重要标志。随着生产和科学的进步，以反馈理论为基础的自动调节技 术逐渐发展成为一门独立的学科控制论。根据研究对象的不同，控制论又可 以划分为工程控制论、生物控制论和经济控制论三个子类。主要研究自动控制系 统中的信息变换和传送的一般理论及其在工程设计中的应用的理论总称为工程 控制论。其中，自动控制原理是工程控制论很重要的一个分支，是研究控制系统 分析和设计的一般理论。根据自动控制技术发展的不同阶段，自动控制原理又可 以相应分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。l i j 经典控制理论是指二十世纪五十年代末所形成的控制理论体系，它主要是研 究单输入单输出线性定常系统的分析和设计问题，其理论基础是描述系统输入和 输出关系的传递函数。多年来，经典控制理论已经在各种工程实践中得到了广泛 而成功的应用。 现代控制理论是指在二十世纪六十年代初期，为适应宇航技术发展的需要而 产生和发展的新理论。它的发展很大程度上得益于现代应用数学的研究和电子计 算机的应用。目前现代控制理论正在向着大系统理论和人工智能理论等方面深入 发展。现代控制理论主要是研究具有高性能、高精度的多输入多输出、变参数系 统的分析和设计问题，如最优控制、最优滤波、自适应控制等。描述系统的方法 是基于系统状态这一内部特征量的状态空间法。 值得指出的是，现代控制理论的发展虽然解决了很多经典控制理论所不能解 决的许多理论问题和工程问题，但这绝不意味着经典控制理论已经过时。相反， 由于经典控制理论便于实际工程应用，今后还将继续发挥其理论指导作用，而现 代控制理论则可以补其不足。两者相辅相成，才能不断推动自动控制理论和应用 的发展。【2 】- 【7 】 温度自动控制技术是自动控制技术研究的一个重要方面，是经典控制理论和 现代控制理论研究的重点。温度控制系统基本上可以分成开环和闭环系统两类。 开环温度控制系统( o p e n - l o o pt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ) 开环温度控制系统是指被控温度对象的输出( 被控制量) 对温度控制器 国成林：新型模糊p i d 温度控制器 二零零七年五月 【第一章引言】 第4 页 r c o n t r o l l e r ) 的输出没有影响的温度控制系统。在这种温度控制系统中，不将被控 量作为温度控制器的输出。 闭环温度控制系统( c l o s e d 1 0 0 pt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ) 闭环温度控制系统的特点是系统被控温度对象的输出( 被控制量) 会反送回 来，并根据此输出来进一步改善温度控制器的输出，形成一个或多个封闭环路的 温度控制系统。闭环控制系统又可分为正反馈和负反馈两类。若反馈信号与系统 给定值信号相反，则称为负反馈( n e g a t i v ef e e d b a c k ) 系统，若极性相同，则称为 正反馈系统。一般闭环温度控制系统均是负反馈系统，又称负反馈温度控制系统。 本文所设计新型模糊p i d 温度控制器就是一个闭环控制系统。 1 1 2温度控制器的发展及现状 进入二十一世纪以后，现代温度控制器正朝着高精度、多功能、总线标准化、 高可靠性及安全性、开发虚拟温度控制器和网络温度控制器、研制单片测温控温 系统等方向迅速发展。 提高温度控制器测温精度和分辨力 最早在二十世纪九十年代中期开发出来的智能温度控制器，采用的是八位 a d 转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到2 。c 。当前，国内外已相继推出 多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是9 - 1 2 位a d 转换器，分辨 力一般可达o 5 0 0 6 2 5 0 c 。为了提高多通道智能温控器的测温精度，硬件上多采 用先进的a d 转换器，例如采用高速逐次逼近式a d 转换器。i s 增加温度控制器的功能 现代新型温度控制器的新功能也在不断增强，例如测试功能等等。采用 d s l 6 2 9 型单线智能温度传感器就增加了实时日历时钟( r t c ) ，使其功能更加完 善。d s l 6 2 4 型温度传感器还增加了存储功能，利用芯片内部2 5 6 字节的e 2 p r o m 存储器，甚至还可存储用户的短信息。另外，现代温度控制器正从单通道向多通 道的方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好的基础条件。 现代新型温度控制器一般都具有多种工作模式可供用户选择，例如单次转换 模式、连续转抉模式和待机模式等等，有的温度控制器还增加了低温极限扩展模 式，工作模式的选择操作都非常简单。对某些现代温度控制器而言，主机( 指外 部微处理器或单片机) 还可通过相应的寄存器来设定其a d 转换速率，分辨力及 最大转换时间。1 9 1 总线技术的标准化与规范化 目前，现代新型温度控制器的温度传感器的总线技术也基本上实现了标准化 和规范化，所采用的总线主要有单线( 1 w i r e ) 总线、1 2 c ( i n t e l - i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 总 国成林：新型模糊p 1 d 温度控制器 二零零七年五月 【第一章引言】 第5 页 线、s m b u s ( s y s t e mm a n a g e m e n tb u s ) 总线和s p i ( s e f i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ) 总线。 采用的温度传感器可以通过专用的总线接口同主机进行通信。1 1 0 l 安全性和可靠性设计 传统的温控a d 转换器一般采用积分式或逐次比较式转换技术，其噪声容 限低，抑制混叠噪声及量化噪声的能力比较差。而现代新型温度控制器则普遍采 用了高性能的一式a d 转换器，它能够以很高的采样速率和很低的采样分 辨力将模拟信号转换成数字信号，再利用过采样、噪声整形和数字滤波技术，来 提高有效分辨力。一式a d 转换器不仅能够滤除量化噪声，而且对外围元 件的精度要求不高。由于采用了数字反馈方式，因此无论是比较器的失调电压还 是零点漂移都不会影响温度的转换精度。这种新型温度控制器兼具有抑制串模干 扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。【1 1 l 为了避免在温度控制器系统受到噪声干扰时产生误动作，在 a d 7 4 1 6 7 4 1 7 7 8 1 7 、l m 7 5 7 6 、m a x 6 6 2 5 6 6 2 6 等现代新型温度传感器的内部， 都设置了一个可编程的“故障排队( f a u l tq u e u e ) ”计数器，专用于设定允许被测温度 值超过上、下限的次数。仅当被测温度出现连续超过上限或低于下限的次数达到 或超过所设定的次数( 一般值为l 4 ) 的情况下，才会触发中断端。若故障次数不 满足上述条件或故障不是连续发生的，故障计数器就复位而不会触发中断端。这 意味着假定计数器的值被设置为3 时，偶然受到一次或两次的噪声干扰，都不会 影响温控系统的正常工作。 1 2 1 a c p i ( a d v a n e e dc o n f i g u r a t i o na n dp o w e ri n t e f f a c e ) ，即符合先进配置与电源 接口规范的温度控制系统。这种系统具有完善的过热保护功能，可用来监控c p u 及主电路的温度，一旦c p u 或主电路的温度超出所设定的上、下限时，可以通 过硬件产生中断，再通过电源控制器发出信号，迅速将主电源关断起到保护作用。 此外，当温度超过c p u 的极限温度时也能直接关断主电源，并且该端还可通过 独立的硬件电路来切断主电源，以防主电源控制失灵。上述三重安全性保护措施 已成为国际上设计新型温度控制系统的新观念。 为防止因静电放电( e s d ) 而损坏芯片。一些现代新型温度控制器还增加了 e s d 保护电路，一般可承受1 0 0 0 - - 4 0 0 0 v 的静电放电电压。通常人体等效于由 1 0 0 p f 电容和1 2 k 欧姆电阻串联而成的电路模型，当静电放电时，t c n 7 5 型智 能温度传感器的串行接口端、中断、比较器信号输出端和地址输入端通常可以承 受高达1 0 0 0 v 的静电放电电压。【1 3 】 虚拟温度控制器 虚拟温度控制器是基于温度控制器硬件和计算机平台，并通过软件开发而实 现的新型温度控制器。利用软件可完成温度控制器的标定及校准，以实现最佳的 国成林：新型模糊p i d 温度控制器二零零七年五月 【第一章引言】第6 页 性能指标。使用时，传感器可以通过数据采集器按至计算机，首先从计算机输入 该传感器的产品序列号，再从磁盘上读出有关数据，然后自动完成对传感器的检 查、传感器参数的读取、传感器设置和记录工作。 网络温度控制器 网络温度控制器是包含数字传感器、网络接口和微处理单元的新一代智能温 度控制器。它通过数字传感器，首先将被测温度转换成数字量，再送给微控制器 作数据处理，最后将测量结果传输给网络，以便实现各传感器之间、传感器与执 行器之间、传感器与系统之间的数据交换及资源共享。同时，在更换传感器时无 须进行标定和校准，可做到即插即用( p l u ga n dp l a y ) ，这样就极大地方便了用户。 1 4 l 单片测温控制系统 单片系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 是二十一世纪的高新科技新秀。它是在芯片 上集成一个系统或子系统，其集成度将高达1 0 2 子系统片，这将给i c 产业及i c 应用带来划时代的进步。 半导体工业协会( s i a ) 对单片系统集成所作的预测见表1 - 1 。目前，国际上一 些著名的i c 厂家已开始研制单片测温系统，有些已经投入使用。【1 5 】 2 0 0 1 芷2 0 0 2 年2 0 0 7 笠 最小线宽( u m ) o 1 80 1 3 o 1 包含晶体管数量片 1 3x 1 0 82 5x 1 0 85x 1 0 8 成本( 晶体管m c e n t ) 0 t 2o 10 0 5 芯片尺寸( n u n 2 ) 7 5 09 0 0 1 1 0 0 电源电压( v ) 1 8 1 51 2 芯片i o 数2 0 0 0 2 6 0 03 6 0 0 表1 1 单片温度控制系统集成电路发展预测 1 1 3p i d 温度控制器的工作原理 反馈是自动控制理论最重要的概念之一。现代自动控制技术基本上都是基于 反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。即用测量得到 的数据同期望值进行比较，用比较的结果来调节控制系统的响应，进而获得更好 的控制效果。因此反馈自动控制理论应用的关键就是：做出正确的测量和比较后， 如何才能更好地调节系统的响应。p i d ( 比例积分微分) 控制器就是采用比例、 积分、微分的关系来调节系统响应的自动控制器。 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制， 简称p i d 控制，又称p i d 调节。p i d 控制器问世至今已有近八十年的历史，它以 国成林：新型模糊p i d 温度控制器 二零零七年五月 【第一章引言】第7 页 其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。 当被控温度对象的结构和参数不能完全掌握或得不到精确的数学模型时，控制理 论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来 确定。p i d 控制，实际中也有p i 和p d 控制这两种。 1 6 1 【1 8 1 p i d 控制器由比例单元( p ) 、积分单元( i ) 和微分单元( d ) 组成。 比例( p ) 环节 根据偏差两成比例调节系统控制量，减少偏差。此环节的作用是加快系统的 响应速度。比例系数越大，系统响应速度越快，系统调节精度越高，但是同时也 容易产生超调，甚至会导致系统的不稳定。比例系数如果过小，会减慢系统的响 应速度，降低系统调节精度，调节时间交长，系统特性变坏。 积分( 1 ) 环节 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自 动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差 的或简称有差系统( s y s t e m w i t hs t e a d y s t a t e e r r o r ) 。为了消除稳态误差，在控制 器中必须引入积分环节。积分环节对误差的处理取决于时间的积分，随着时间的 增加，积分环节会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加 大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例 + 积分( p i ) 控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分( d ) 环节 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分( 即误差的变化率) 成 正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其 原因是由于存在有较大惯性组件( 环节) 或有滞后( d e l a y ) 组件，具有抑制误差的 作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超 前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中 仅引入比例控制环节往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而微分 环节的作用则是可以预测误差变化的趋势，这样，具有比例和微分环节的控制器， 就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严 重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控温度对象。比例微分( p d ) 控制器能改善 系统在调节过程中的动态特性。 1 1 4p i d 控制器的特点 p i d 控制器的传递函数为： g 2 等= k e 去毋) 扑， 国成林：新型模糊p i d 温度控制器 二零零七年五月 【第一章引言】第8 页 需要指出的是，在很多实际应用中，控制器并不一定具有全部的三个单元。 可以根据实际情况设置其中一个或两个单元，但比例控制单元通常是必不可少 的。 p i d 控制器是线性控制器。但是虽然很多工业过程中遇到的被控对象是非线 性或时变的，但可以通过对其简化变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统 来进行研究，这样就可以采用p i d 控制了。 p i d 控制器的使用非常简便。实践中只需要设定三个参数( k ，k i 和& ) 就 可以了。但是控制器的参数整定是比较复杂的，它是根据被控对象的动态特性而 确定的。如果被控对象的动态特性发生了变化，例如由于负载的变化而引起了系 统动态特性的变化，p i d 参数就需要重新确定。 p i d 控制器的应用非常的广泛。在很多情况下针对特定的系统设计的p i d 控 制器都工作的很好，但是仍然存在这一些问题需要解决： 难以建立过程模型 通过建立过程的数学模型来自整定系统参数是比较困难的。闭环控制时，通 常通过在过程中插入一个测试信号的方法来确定参数，但是这个方法会引起扰 动，所以基于模型的p i d 参数自整定在工业应用不是非常好。 超调干扰 如果系统参数自整定是基于控制律的话，常常难以把由于负载干扰引起的影 响和过程动态特性变化引起的影响区分开来。所以由于受到干扰的影响，控制器 会产生超调，产生一个不必要的自适应转换。另外，因为基于控制律的系统没有 成熟的稳定性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题。 鉴于此，许多自身整定参数的p i d 控制器经常工作在自动整定模式而不是连 续的自身整定模式。自动整定一般是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计 算p i d 参数。 复杂系统 p i d 控制器在控制非线性、时变、耦合以及参数和结构不确定的复杂系统时， 工作的并不是太好。在很多非线性时变系统中，无论怎么调节控制其参数都不能 够达到一个较好的控制结果。 尽管有上述种种缺点，p i d 控制器仍然是一种简单有效的，在某些情况下甚 至是最好的一种控制器。 1 9 1 4 2 3 l 1 1 5p i d 控制器的参数整定 p i d 控制器的参数整定是设计p i d 控制器的核心内容。它是根据被控过程的 特性来确定p i d 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。p i d 控制器参 国成林：新型模糊p i d 温度控制器 二零零七年五月 【第一章引言】第9 页 数整定的方法很多，概括起来有两大类： 理论计算整定法 这种参数整定方法主要是先建立系统的数学模型，再经过理论计算确定控制 器参数。但是通过这种途径所得到的计算数据未必可以直接使用，还必须通过工 程实践进行进一步的调整和修改。 工程整定方法 这种参数整定方法主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行。这种 方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。p i d 控制器参数的工程整定方 法，主要可以分为临界比例法、反应曲线法和衰减法。这三种方法各有其特点， 其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论 采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完 善。以临界比例法为例，该方法进行p i d 控制器参数的整定步骤如下：( t 1 首先 预选择一个足够短的采样周期让系统工作；( 2 ) 仅n a i l 例控制环节，直到系统 对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；( 3 ) 在一定的控制度下通过公式计算得到p i d 控制器的参数。【2 4 】，【2 5 】 在实际调试中，只能先大致设定一个经验值。然后根据调节效果修改。 p ( ) i ( 分)d ( 分) 温度系统2 0 6 03 1 00 5 3 压力系统4 0 1 0 0o 1 一l 1 - 2 流量系统 3 0 - 7 0o 4 3o 5 l 液位系统2 0 8 01 51 2 表1 2p i d 控制器的参数设定经验值 第二节本课题完成的工作和论文的内容安排 1 2 1本课题完成的工作 l 、回顾并讨论了温度控制器的发展和现状。根据p i d 控制技术的基本原理， 讨论了p i d 控制器的特点，并且对p i d 控制器的参数调节进行了分析。 2 、描述了设计一个模糊p i d 控制器所应该考虑的各方面的理论问题，并基 于这些讨论给出了基本模糊p i d 控制器的数学模型。 3 、对模糊控制器的输入量进行了修正，然后讨论了控制器的时间最优性， 完整提出了温度控制优化算法。 4 、进行了硬件设计和p c b 设计，并编写单片机控制软件，并简单给出固件 程序和p c 端程序的流程图。 国成林：新型模糊p i d 温度控制器二零零七年五月 【第一章引言】 第1 0 页 5 、利用研制的新型模糊p 1 d 温度控制器样机构建测试平台，对新型模糊p i d 温度控制器进彳亍了基准测试和性能规划测试。 1 2 2论文的内容安排 在本文的第二章中描述了设计一个模糊p i d 控制器所应该考虑的各方面的 理论问题，并基于这些讨论给出了基本模糊p i d 控制器的数学模型。 在本文的第三章中，首先考虑了对模糊控制器的输入量进行修正，然后讨论 了控制器的时间最优性。接下来，本文讨论了控制器硬件，给出了硬件原理图， 并解释了电路原理。同时，针对p c b 制作过程中遇到的问题介绍了本设计中所 采用的解决方法。最后，给出了软件程序流程。 第四章中介绍了新型模糊p i d 温度控制器的测试平台。并对新型模糊p i d 温度控制器的各种性能进行测量。 第五章中展望了模糊p i d 温度控制器未来的研究和发展方向。 国成林：新型模糊p i d 温度控制器 二零零七年五月 【第二章理论建模】第1 1 页 第二章理论建模 模糊温度控制己成为现代自动化温度控制研究中最为活跃而又最富有成果 的领域。其中，模糊p i d 温度控制技术占据了十分重要的地位，而且仍将成为 未来研究与应用的重点技术之一。传统和现代温度控制技术的研究、应用发展的 历史完全可以证明这一点。然而到目前为止，现代温度控制理论虽然已经在许多 控制应用中获得了大量成功的范例，但是在工业温度过程控制中，p i d 类型控制 技术的应用仍然占有着主导地位。特别是在化工、冶金等工业过程控制中，众多 数量大、面广的温度控制过程基本上仍然是应用着p i d 类型的控制单元。虽然 可以预言，现代控制技术应用领域会变的越来越宽广、被控对象会变的越来越复 杂，相应的控制技术也会变的越来越精巧。但是由于本章随后谈到的各种原因。 以p i d 为原理的各种控制器仍然将是过程控制中不可或缺的基本控制单元之一。 与此同时，近年来模糊温度控制技术的研究与应用已经得到了迅猛地发展。 但是，在众多新的模糊温度控制技术方法不断涌现和实际应用之后，人们更加清 楚地认识到模糊温度控制研究中面临的许多理论问题。例如，模糊温度控制技术 并未在工业过程控制中得到如同家电产品一样的广泛应用。这种情况己经成为模 糊温度控制技术广泛应用的严重障碍。本章主要在设计模糊p i d 温度控制器的 各个理论方面进行探讨，讨论设计控制性能优于传统p i d 温度控制器的模糊温 度控制器的关键因素，并进而完成理论建模。【2 6 】【2 9 】 本文各节内容如下。第一节对目前已经发展的各种模糊p i d 控制器方法进 行介绍。第二节至第五节针对模糊p i d 型控制技术研究中面临的四个理论问题 分别进行讨论。本章着重阐述了设计模糊p i d 温度控制器的基本原理，理论上 的建模也是在此基础上展开。 第一节模糊p i d 温度控制器的基本形式 模糊温度控制技术研究发展历经了“理论一应用一理论”的交替过程。自从 1 9 6 5 年z e d e h 开创了模糊数学研究之后，模糊系统与模糊控制的基本概念及基 础理论得到了迅速的发展和完善。 3 0 1 ， 3 l 】从1 9 7 4 年m a m d a n i 建立的第一个模糊 控制器标志了模糊控制的实际应用的开始，到目前为止，大量的模糊技术产品己 经在工业及民用方面得到了广泛的应用。由于m a m d a n i 所设计研究的模糊控制 器一般被称为传统模糊控制器，曾一度被以后的研究工作者所广泛借鉴和使用。 这种模糊控制器的基本特点是：二维输入( 误差及误差率变量输入) 和一维输出、 模糊规则前件与后件为模糊语言变量、交规则方式( i n t e r s e c f i o nr u l e c o n f i g u r a t i o n ，i r c ) 、采用m a x m i n 法进行模糊推理和采用重心法进行解模糊。 国成林：新型模糊p i d 温度控制器二零零七年五月 【第二章理论建模】第1 2 页 3 2 j ，【) 卅 二十世纪八十年代末，学者们首次严格地讨论了模糊控制器与传统控制器之 间的关系。这个时期进行的工作中特别重要的是证明了m a m d a n i 模糊p i ( 或p d l 型控制器是一种具有变增益的非线性p i d 控制器。这些工作为模糊控制理论与 传统p i d 控制理论的结合建立了桥梁。开拓了模糊控制非线性理论研究的新途 径一一“分析解方法( a n a l y t i c a la p p r o a c h ) ”。通过应用结构极限分析( l i m i t i n g s t r u c t u r et h e o r y ) 可以定性地表明，简单地增加规则并不一定会给控制过程带来益 处。阴】 图2 - 1 模糊温度控制器的分类 为了便于讨论，本文将模糊温度控制器分为两大类型：模糊p i d 型( f u z z yp i d ) 和模糊非p i d 型( f u z z yn o n p i d ) 。如果模糊温度控制器的推理计算是限于比例一 积分一微分三个控制分量或增益范围以内的控制作用量，则属于模糊温度p i d 控制器类型。否则，属于模糊非p i d 类型。根据模糊推理机输出量的直接物理 含义，模糊p i d 型温度控制器又可进一步分成直接控制量型( d i r e c t - a c t i o n ) 、增益 调整型( g a i n - s c h e d u l i n g ) 和混合型三种。图2 1 显示了控制器的分类。当然，这 种分类有时本身就会存在模糊性。以下对各种形式模糊p i d 温度控制器进行讨 论，其目的也是为了理解它们之间的本质差异，本文其后对模糊p i d 温度控制 算法的改进也在此基础上展开。【3 5 】f 3 7 】 2 1 1 增益调整型( g a i n s c h e d u l i n g ) 模糊p i d 温度控制器 增益调整型模糊温度控制器中推理机输出的物理量直接对应于增益参数，通 过应用模糊规则实现对三个增益参数进行调整。一种是基于性能监督 ( p e r f o r m a n c es u p e r v i s e d ) 的增益调整型模糊p i d 温度控制器，如式2 - 1 所示： 国成彬新型模糊p i d 温度控制器 二零零七年五月 【第二章理论建模】第1 3 页 i f i “p e r f o r m a n c e i n d e x ”i o ) t h e n l 4 k p 皓) a n d ( ik i i s ) a n d ( 彳k d i s ) 式2 1 系统的性能指标( p e r f o r m a n c ei n d e x ) 主要包括超调量、稳态误差等静、动态 特性。由于这些性能指标需要一个完整控制过程得到，因此本类控制器可以采用 自整定或自适应的方式对增益进行动态调整。基于性能监督的增益调整型模糊 p i d 控制器并不能保证非线性特征。因为在自整定或自适应调整间隔期间，控制 器的增益参数可能是常数。 增益调整型的另一种形式是基于误差驱动( e r r o r - d r i v e ) 的模糊p i d 温度控制 器。其规则形式如下： i f l e l i s ) a n d l 4e j i s b h e n ( k p i s j f 4k i i s l ( a k d i s ) 式2 2 基于误差驱动的模糊p i d 温度控制器的增益参数将是误差e 或误差变化的非 线性函数。如非线性比例增益可以记为：k p = f ( e ，d 0 。虽然e 与误差变化均是时 间的函数，但是k d 取值只由e 与误差变化的具体值决定，而与处在什么时刻无 关。因此，基于误差驱动的模糊p i d 温度控制器本质上是一个静态( 或定常) 非线 性系统，并可以实现各个非线性增益的独立整定。温度控制器模糊推理计算规则 中的单因子参数和各增益参数都是e 和d 。的函数。因此，基于误差驱动的模糊 p i d 温度控制系统无法独立调整各个非线性增益。 传统的p i d 温度控制技术已经对各个增益参数的物理意义或者控制效果有 了明确的解释。如调整比例增益可以加快系统动态响应速度，但同时可能会产生 较大的超调量以至引起系统失稳。这些均可以作为专家知识纳入模糊规则式2 - 1 中。然而，对于应用式2 - 2 的非线性增益设计，到目前也未有成熟的模糊规则可 以借鉴。例如，当误差变小时，k 。的取值变化至今为止仍然还没有确定性的结 论。1 3 s l ，【3 9 l 2 1 2直接控制量型( d i r e c t - a c t i o n ) 模糊p i d 温度控制器 如果模糊推理机的输出是p i d 原理范围内的控制作用量，则该温度控制器 属于直接控制量型模糊p i d 温度控制器。学者们归纳了该类控制器的1 2 种结构 单元( s t r u c t u r a ld e m e n t s ) 。i 柏l 由于各单元在控制作用效果上不完全等效，可以进 一步认为每个单元是独立的( i n d e p e n d e n t ) 。图2 2 中给出了不同的单元名称。 从图2 2 可以看出，各单元名称不仅与输入变量误差e 、误差变化e 、误差 的二次变化2 e 以及误差累计e 。的信号内容相关，而且由输出变量的形式所决 国成林：新型模糊p i d 温度控制器 二零零七年五月 【第二章理论建模】第1 4 页 定。由这些结构单元可以组合成各种形式的模糊p i 、p d 、p i d 温度控制器。应 用先验知识，可以排除一些组合，以便实现合理的控制器设计。基本上存在如下 两条准则： 1 )由于稳态的误差累计量通常是未知的，致使设计者无法以此变量建立 规则，因此，可以取消包括误差累计变量输入的结构组合。 2 )比例控制分量是控制作用中不可或缺的控制量。因此，任何模糊p d 控制器至少应该包括比例控制分量成分。 有一种称之为“增益角色变换( g a i n - r u l ec h a n g e ) ”的概念。即在有时延的设 定值过程控制中，以增量形式输出的p i d 温度控制器。这种温度控制器的积分 增益在初始时延范围内将承担比例增益的角色，而设定的比例增益在此阶段不产 生任何作用。如果这成为设计考虑因素，则可以取消包括以增量形式输出的模糊 p i d 温度控制器结构单元。【4 1 】。【4 3 l 一维： 丹廿丹心 毋廿 二维： 野毋野野 三维： 母好 图2 2 模糊p i d 温度控制器结构单元 通常我们将模糊推理机的输入变量个数定为模糊控制器的维数。虽然 m a m d a n i 发展的二维模糊温度控制器已经成为模糊控制技术中最常见形式的控 制器并为设计者所熟悉。但是有关其结构特性和应用特点的研究仍然是不足的。 学者们进一步研究了模糊知识表达与祸合规贝l j ( c o u p l i n gr u l e s ) 的关系，由此可以 推证出m a m d a n i 型模糊温度控制器是有祸合影响( c o u p l i n gi n f l u e n c e ) 的。同时， 人们还对模糊p i d 控制器的推理机维数进行了进一步的研究，并将一维模糊p i d 控制器称为“独立控制量型( i n d i v i d u a l a c t i o n ) ”，传统的二维或三维模糊p i d 控制 器称为“合成控制量型( c o m p o s e d a c t i o n ) ”，并认为合成控制量型模糊p i d 控制 器还存在以下功能缺陷：如控制分量合成( c o n t r 0 1 a c t i o nc o m p o s i t i o n ) 、输入祸合影 响( i n p u tc o u p l i n g ) 、增益相关( g a i nd e p e n d e n c y ) 和规则指数增长( r u l eg r o w t h ) 。这 国成林：新型模糊p i d 温度控制器二零零七年五月 【第二章理论建模】 第1 5 页 些缺陷对于各控制量物理意义进行分析并整定调整参数是不利的。【4 5 1 4 7 1 2 1 3 混合型( h y b r i d ) 模糊p i d 控制器 混合型模糊p i d 控制器存在着各种形式。如增益调整型与直接控制量型的 结合或者传统线性p i d 控制器与模糊p i d 控制器的结合。一些学者提出了应用 模糊p i d 进行初始的快速响应调整，之后采用传统线性p i d 控制器进行细节调 整。然而，什么时候以及如何实现无扰( b u m p l e s s ) 切换将是应用中的又一个