基于单片机的模糊PID温度控制系统设计-文献综述

文 献 综 述温度控制在热处理工艺过程中,是一个非常重要的环节。控制精度直接影响着产品质量的好坏。实验室人员根据材料的烧成制度来调节电炉的输出电压以实现对电炉的温度控制。一般的有两种方法:第一种就是手动调压法,第二种控制方法在主回路中采取双向可控硅装置,并结合一些简单的仪表,使得保温阶段能够自动,但这两种方法的升温过程都是依赖于试验者的调节,并不能精确的按照给定的升降温速度来调节。本文提出的以参数自整定PID 控制为基础的温控系统简单、可靠,大大提高了控制质量及自动化水平,具有良好的经济效益。电炉是热处理生产中应用最广的加热设备，通过布置在炉内的电热元件将电能转化为热能,借助辐射与对流的传热方式加热工件。通常可用以下模型定性描述 02tKVXdtT式中 X电炉内温升（指炉内温度与室温温差)K放大系数t加热时间T时间系数V控制电压 0纯滞后时间但在实际热力过程中，由于被加热金属的导热率、装入量以及加热温度等因素的不同，直接影响着 K 、T 、 0等参数的变化，因此电炉本身具有很大的不确定性。温度控制在热处理工艺过程中,是一个非常重要的环节。控制精度直接影响着产品质量的好坏。根据不同的目的，将材料及其制件加热到适宜的温度。在工业生产过程中，电炉随着负荷变化或干扰因素的影响，其对象特性或结构发生改变。电炉温控具有升温单向性、大时滞和时变的特点，如升温靠电阻丝加热，降温依靠自然冷却，温度超调后调整慢，因此用传统的控制方法难以得到更好的控制效果。另外对于 PID 控制，若条件稍有变化，则控制参数也需调整。自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数，实时改变其控制策略，使控制系统指标保持在最佳范围内。但由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示，而模糊理论正是解决这一问题的有效途径。人们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及有关信息(如评价指标、初始 PID 参数等)作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况运用模糊推理，实现自动对 PID 参数的最佳调整。模糊数学和模糊控制的概念是由美国加利福尼亚大学著名教授查德(L.A.Zadeh)在他的Fuzzy Sets, Fuzzy Algorithm和A Retionnale for Fuzzy Control等著名论著中首先提出。1972 年 2 月，日本以东京工业大学为中心，发起成立“模糊系统研究会” ，1973 年公开使用“模糊控制工程”这一概念；1974 年在加利福尼亚大学的美日研究班上，开始了有关“模糊集合及其应用”的国际学术交流。1978 年国际上开始发行Fuzzy Setsand Systems专业杂志。1984 年，在夏威夷首次召开国际会议，商讨成立国际学会事宜，同年年底“国际模糊系统学会” (IFSA-International Fuzzy System Association)成立，学会下设“智能系统”(Intelligent Systems)和“经营与生产中的模糊系统”(Fuzzy Systems in Business and Manufacturing)。首届 IFSA 国际学术会议于 1985 年在西班牙召开;1987 年在日本东京召开了第二届 IFSA 国际会议。1992 年，IEEE Fuzzy Systems 国际会议开始举办，每年一次; 1993 年， IEEE Trans. on Fuzzy Systems开始出版。尽管模糊控制理论的提出至今只有 30 多年，但其发展迅速。在模糊控制理论与算法、模糊推理、工业控制应用、模户硬件与系统集成，以及稳定性理论研究等方面都取得了重大进展。应用范围日益广泛，并且不断与计算机技术、半导体技术相互融合。模糊控制适用于非线性、数学模型不确定的控制对象，对被控对象的时滞非线性和时变性具有一定的适应能力，同时对噪声也有较强的抑制作用，即鲁棒性较好。但模糊控制器本身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。而 PID 控制正好可以弥补其不足，近年来已有不少将模糊技术与传统技术结合起来设计模糊逻辑控制的先例。在文献中介绍了多种能提高 PID 控制精度的模糊 PID 混合控制方案，例如：引入积分因子的模糊 PID 控制器；混合型模糊 PID 控制器；另外将其与其它先进控制技术结合又有模糊自适应 PID 控制、神经网络模糊 PID 控制等。本设计控制的是电炉的温度的系统，在此我们选用了模糊自整定 PID 控制器，以提高控制的精度，灵活性，适应性。模糊自整定 PID 控制应用在具有明显的纯滞后、非线性、参数时变类似于电炉这样特点的控制对象可以获得很好的控制性能。大量的理论研究和实践也充分证明了用模糊自整定 PID 控制电炉温度是一非常好的解决方法。它不仅能发挥模糊控制的鲁棒性好、动态响应好、上升时间快和超调小的特点，又具有 PID 控制器的动态跟踪品质和稳态精度。因此在温度控制器设计中，采用 PID 参数模糊自整定复合控制，实现 PID 参数的在线自调整功能，可以进一步完善 PID 控制的自适应性能，在实际应用中也取得了较好的效果。模糊自整定 PID 控制是在一般 PID 控制系统的基础，加上一个模糊控制规则环节，利用模糊控制规则在线对 PID 参数进行修改的一种自适应控制系统。它以误差 e和误差变化 ec 作为输入，可以满足不同时刻的 e 和 ec 对参数自整定的要求。它将模糊控制和 PID 控制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强，调节速度快的优点，又具有 PID 控制无静差、稳定性好、精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。如图。模糊自整定 PID 控制是在一般 PID 控制系统的基础上，加上一个模糊控制规则环节，利用模糊控制规则在线对 PID 参数进行修改的一种自适应控制系统。它以误差e和误差变化ec作为输入，可以满足不同时刻的e和ec对参数自整定的要求。它将模糊控制和 PID 控制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有 PID 控制精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。参考文献1 徐建林,陈超.模糊控制在热处理电阻炉中的应用研究.热加工艺,2002,(5):58-602 Z.R.Radakovic, V.M.Milosevic, S.B.Radakovic. Application of Temperature Fuzzy Controller in an Indirect Resistance Furnace. Applied Energy, 2002:167-1823 St.Boschert,P.Dold,K.W.Benz.Modelling of the Temperature Distribution in a Three-zone Resistance Furnace: Influence of Furnace Configuration and Ampoule Position.Journal of Crystal Growth,1998:140-1494 王家桢编著.调节器与执行器.北京:清华大学出版社,2001:68-72,47-575 徐学峰主编.传感器变送器测控仪表大全.北京:机械工业出版社,1998:2236 谢新民,丁锋编著.自适应控制系统.北京:清华大学出版社,2002:1-5,158-1617 李士勇.模糊控制和智能控制理论与应用.哈 尔 滨:哈尔滨工业大学出版社,1990:78-808 诸静等.模糊控制原理与应用.北京:机械工业出版社,1995:338-344;258-2619 李卓基于模糊推理的自调整 PID 控制器控制理论与应用，997,(2):238-24310 王忠勇,蔡远利,刘文江,等.单参数 Fuzzy-PID 控制器.工业仪表与自动化装置,1997,(4): 18-2111 江新琴,陈树棠,陆向成.一种单参数模糊 PID 控制的微机励磁调节器.福建电力与电工,2002,(2):12-1312 李卓,萧德云,何世忠.基于神经网络的模糊自适应 PID 控制算法.控制与决策,1996,(3):340-34513 纪纯.唐钢中型厂 650 加热炉智能模糊控制系统.北京工业大学工学硕士论文.1997: 53-60,14-1514 刘应爽.高温电阻炉接点控制改为无接点的可控硅控制.工业计量,2001,增刊:153-15415 顾明文.可控硅温控器的工作原理及故障维修.实验室研究与探索,1995,(3):74-7516 郑雪梅,姜成国,周广铭.模糊 PID 控制器结构.大庆石油学院报,2000,24(3):46-5017 张化光,何希勤.模糊自适应控制理论及其应用.北京:北京航空航天大学出版社,2002:167-169,26-2818 Jen Yang. Chen. Rule Regulation of Sliding Mode Controller Design:Direct Adaptive Approach. Fuzzy Sets and Systems, 2001,120:159-16819 刘金锟著.先进 PID 控制及其 MATLAB 仿真.北京:电子工业出版社,2003:1-12,7-12,67-8120 张守元,黎利红.动态过程中 PID 控制参数模糊整定的探索.矿冶工程,2000,(2):22-2421 张建民,王涛,王忠礼编著.智能控制原理及应用.北京:冶金工业出版社,2003:60-6422 刘豹主编.现代控制理论.北京:机械工业出版社,2000:251-25323 何衍庆,姜捷,江艳君,等.控制系统分析、设计和应用MATLAB 语言的应用.北京:化学工业出版社,2002:291-296,194-20524 谢元旦,夏淑艳.PID 调节器参数的继电自整定方法.控制与决策,1993,8(1):77-7925 谢元旦,昊胜.PID 继电自整定几种算法的比较.自动化与仪器仪表，1993,(4)：20-2426 汪洋,褚键.一种基于递推参数估计的 PID 参数自整定方法.息与控制,1996,(4)： 182-18527 徐科军,陈荣保,张崇巍著.自动检测和仪表中的共性技术.北京:清华大学出版社,2000:31-3428 丁玉美,高西全,彭学愚.数字信号处理.西安:西安电子科技大学出版社，2000： 73-9329 楼顺天,胡昌华,张伟. 基于 MATLAB 的系统分析与设计模糊系统.西安:西安电子科技大学出版社,2001:61-12230 孟繁盛,杨月军,崔岩等.60S2Mn 钢“零保温”淬火工艺的试验研究.阜新矿业学院学报(自然科学版),1994,13(4):64-6831 山东工业大学编著.热处理设备.山东:山东工业大学.1984:57-7132 王学前.奥氏体状态控制及零保温加热工艺.四川工业学院学报，1994，13(4)23-2433 王学前,霍金山.加热过程控制及透烧检测.四川工业学院学报,1997,16(1):1-834 李家昌主编.自动控制仪表.武汉:武汉工业大学出版社,1990:11-2335 李明.热电偶的冷端补偿及线性处理.煤炭科学技术,1996,24(2):20-2436 毕训银.热电偶参考端的几种补偿方法.仪表技术与传感器,1998,(3):29-3137 张庆玲.热电偶传感器测温系统的设计应用.西北轻工业学院学报,2000,18(1):82-8538 王珏,王玉田编著.集成检测电路