模糊PID控制算法恒温石英晶体振荡器的应用

1、模糊推理多种Fuzzj推理模型.都可以转化为简单Fuzzy推理模型*_tHH即FMPB-乩屋)1其中A和/是论域。的Fuzzy子集，B和H'是论域I的FimyT集.为了实现Fu%推理，有2个问题需要解决,(1)关系生成算法：A是L的Fu"y子集,8是V的Fu项子集,4fH通常看作从到F的一个FuZ2y关系Kn来自和I的一对元素(i.9,)如果使Fu卬关系/?=1f*取值为广(工，¥)-(.4BI(x,t)=0.998.就表明，与f有关系/?=4一月的程度为0.99&应当给出算法，使能利用/(幻fflB(y)算出即(乂->£)(*,力.把遗样的

2、算法叫做关系生成算法口这里指出,存在着多种不同的关系生成算法;(2)推理合成算法：R=A一出是从。到的Fuz”美系是1.的Fuzz)子集.还应当给出算法士:使能由/?=A一丹和.合成推理结果B一它是V的Fuzzy子集押A'二(A-丑)=4R=牙把这样的克法炉叫做推埋合成算法.这里指出.存在着不同的推理合成算法.关系生成算法和推理合成算法一旦确定，-种Fuy推理克法就确定了.给出不同的关系生成算法和推理合成律法.就得到不同的Fur推恒温晶体振荡器是目前频率稳定度最高的晶体振荡器，作为精密时频信号源被广泛应用在全球定位系统、通信、计量、频谱及网络分析仪等电子仪器中。现代通信的迅速发展对恒温

3、晶体振荡器的稳定度提出了更高的要求。为了获得较高的频率稳定度，必须采用高品质的石英谐振器以及良好的控温系统实现恒温控制。传统的PID控制算法简单、鲁棒性好、可靠性高，并且可以消除稳态误差。而在实际中被控对象往往具有非线性、不确定性难以建立精确地数学模型，因此应用传统的PID控制器难以达到理想的控制效果。鉴于模糊控制具有快速性的特点，同时还可以保持较小的超调量。文中将模糊控制与PID控制算法相结合，从而得到一种控制规则简单，控制性能良好的控制方法。1恒温晶体振荡器硬件原理由于晶体振荡器的频率温度特性主要由石英谐振器的频温特性决定。因此在制作恒温晶体振荡器前，首先要选择性能良好的高品质谐振器，不同

4、切型的谐振器频率温度系数也不同，AT切谐振器的振荡频率与温度的关系呈近似三次函数关系，具有零温度系数点。因而把控制温度设定在谐振器频率温度曲线拐点温度处即可实现振荡器输出稳定频率的目的。由高品质的谐振器和稳定的振荡电路所组成的恒温晶体振荡器基本框图如图1所示。外槽泄度控制电躇内层加热电路外星加埔电路主振电路温度图I恒温晶体施薄器羲本至竹山国它的工作原理是：在外层加热电路中，控制芯片根据片内传感器所测得的温度对外槽内控制加温至接近石英谐振器拐点温度处实现基础加温控制；内层加热电路中，控制芯片根据温度传感器所测得的温度对内槽控制加温，使内槽温度稳定在石英谐振器拐点温度处从而实现精确加温控制。内槽在

5、制作上选用导热系数高的紫铜，提高内槽的传热性能；外槽在制作上选用导热系数较低的聚氨酯泡沫塑料灌注，使其和元器件粘在一起，不仅保温性好而且有防震的功能。控温部分采用单片机c8051f330来控温，它主要通过软件实现，结合硬件电路，构成数字化精确控温。这里主要介绍控温算法的实现以及MATLAB仿真测试结果。2 PID控制器的控制原理PID控制器是一种线性控制器，其原理如图2。式(1)中Kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。在PID控制过程中，首先根据被控对象的数学模型确定PID,然后再用偏差作为输入，计算出控制量，并驱动相应的执行机构来减小误差，直到被控对象稳定在允许的范围内。3

6、模糊PID控制器的控制设计模本SPID控制器以偏差E和偏差变化率Ec作为输入，可以满足不同时刻的和Ec对PID参数自整定的要求，利用模糊规则在线对PID参数进行修改，便构成了模糊自整定PID控制器，其结构如图3所示。模糊推理毒度传感胃S3模拗P1D控制原开阳3 .1模糊控制规则的设计将偏差E和偏差变化率Ec作为模糊控制器的输入，PID控制器的三个参数Kp、Ki、Kd作为输出。根据项目实际情况，E和Ec模糊子集为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大,记为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB,将E和Ec量化到(-3,3)的区域内。同时Kp、Ki、Kd的模糊子集负大、负中、负小、零、正小、正中

7、、正大,记为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB,分别量化到(-0.40.4)(-0.060.06)(-33)区域内，输入采用高斯型隶属度函数，输出采用三角形隶属度函数，其隶属函数如图4、图5所示。图5Kp、Ki、Kd隶属函带*3. 2模本PID控制器所遵循的调整规则PID参数模糊自整定是找出PID三个参数与偏差E和偏差变化率Ec之间的模糊关系，在运行中不断检测E和Ec,根据模糊推理对三个参数进行在线修改，以满足不同E和Ec对控制参数的不同要求，从而使被控对象具有良好的动、静态性能。模糊PID控制器的调整规则是：(1)当E较大时，为加快系统响应速度，应取较大的Kp和较小的Kd,由于积分太强

8、会使系统超调加大，因而要对积分作用加以限制，通常取Ki=0或者较小值；(2)当E和Ec中等大小时，为减少系统超调和保证一定的响应速度，Kp应适当取小些，同时对Kd的取值对系统影响很大，也应取小些，Ki的取值要适当；(3)当E较小时，为减小稳态误差，Ko与Ki应取得大些，在这种情况下，Kd的取值要适当，取值不当会引起系统震荡。其原则是：当Ec较小时，Kd取大些，当Ec较大时，Kd取较小的值，通常Kd为中等大小。根据PID参数整定规则，可设计一个2输入3输出地Mamdani型模糊控制器。真值的计算采用Mamdani算法，合成法采用Z-N算法。解模糊化采用面积中心(Centroid)法。根据工程技术

9、人员技术知识和实际操作经验基础上，列出输出变量Kp、Ki、Kd的控制规则如表1、2、3所示。嘉却的横需蜿则圈EPHMBNMNSZOPSPMNBPHPBPMPMPSzoZON.M1rBPBPMPS解ZQNSNSPMPMFMPSzoNSNSZ0PMPMPSZONSNMNM得PSPSzoNSNSNMMMPM年zoNSMMN,PB20zoNM六可FMMiND根据表1、2、3整理出49条模糊控制规则进行Kp、Ki、Kd3个参数的自整定。采用中心法解模糊化后，在MATLAB模糊控制规律观察器中可调整相应输入组合分别得出相应的解模糊输出Kp、Ki、Kd的值。3. 3模糊推理Mamdani推理法是一种在模糊控

10、制中普遍使用的方法，可用Mamdani提出的推理法来解决这个问题.用一个由X到Y得模糊关系Ra-e来表示模糊条件语旬：ifAthenB,当输入为A*时，输出B*可由下式求得：其中表示模糊关系的合成的运算。模糊Ra-e关系根据Mamdani定义：pRA-B(x,y)=网A)A出(y)所以根据上式if$制器的输出B*的隶属度函数为：Mr*(y)=supAw(7)4. 4去模糊化把模糊量转换为精确量的过程称为清晰化，又称为去模糊化，或成为模糊判决。为了获得准确的控制量，就要求模糊方法能够很好地输出隶属度函数的计算结果。本文采用工业控制中广泛使用的去模糊化方法一加权平均法，是取隶属度的加权平均值输出地

11、清晰值。假设输出模糊集可表示为U=EuU（xi）/xi,按公式计算,最后输出清晰量：植6）氐,见（X）由4模糊PID控制系统仿真及结果分析由于恒温晶体振荡器控制系统加热部分本身具有滞后性、非线性、时变性的特点，将其近似为一个二阶滞后环节的描述为：G二话备订5. 1模糊PID控制系统仿真在Matlab的CommandWindow窗口运行Fuzzy函数进入模糊逻辑，确定模糊控制器类型，编辑输入输出变量的隶属度函数，建立模糊控制规则，生成*fis文件并导入到仿真系统中的模糊控制器命名为md.fiso接下来返回到CommandWindow窗口，输入Simulik进入Simulik环境下。建立如图6所示

12、的完整模型。然后再双击FuzzyLogicController图标，在弹出对话框中输入md即可。仿真实验结果如图7所示。4. 2PID控制系统仿真在Matlab的Simulink环境中建立如图8所示的PID控制仿真框图，得到仿真结果如图9所示。由仿真结果可明显看出模糊自整定PID调节较之常规PID调节，系统的快速性和稳定性得到了提高，总结起来模糊自整定PID主要有以下几个优点：(1)模糊自整定PID算法初值为零，不需要人工给定初始整定值，也能通过自整定获得参数的最优值，且实现简单，而常规PID算法需要操作者根据以往的累积经验以及实际的系统输出经多次试调之后获得较优值。(2)模糊自整定PID算法

13、的超调量和调整时间均小于常规PID算法。(3)模糊自整定PID控制器使系统的快速性和各项性能指标得到显著提高，说明了该方法的有效性。5结束语文中设计了一种基于模糊PID控制算法的恒温晶体振荡器。该系统利用c8051f300单片机为控制核心实现了晶体振荡器温度的实时控制，并用Matlab进行了仿真。仿真结果表明，该系统既能保证温度调节的快速性，又能满足系统达到晶体谐振器拐点温度时系统的稳定性，可以保证频率稳定度的恒温控制。1812DC2DeviceControl2（设备控制2）R1913DC3DeviceComml3（设备控制3）XOFF（TranimhOff）S2014DC4DeviceCon

14、trol4（设备控制4）T2115NAKNegativeAcknowledgemem（拒绝接收无侬应）U2216SYNSynchronousId旗同步空闲）V2317ETBEndofTranstheBlock（传输法结束）W2418CANCanceK取消）X2519EMEndofMedium（已到介质末仁介更存储已注）Y261ASUBSubstitute替补，替铁）Z27IBESCEscape（滋出,选慈取消）281CFSFileSeparaig文件分割符）29IDGSGroupSeparaior（分组符）30IERSRecordSeparaior（记录分阳符）A（Shit*6）31IFUSL

15、/nilSepdru：ur.:一i-（Shift-）3220SPWhitespaceSpace1277FDELDelete（删除）Delete注（）:】,转义字号：黑在C语言中或其他中方如何表示，2,用键盘输入用刊字符：其中,32是空格美.127是Delete爰.都不熹要忙CM键,即可直接输入，3.匚以通过“CM对应按理.实现上述抨帝.字符的卷入，你可能遇到的一些.匕如:用Ctrl-V输入SYNC.CtrFM输入Emer（当然也可以直接用Enter键.但是在WindowsT.其可能会发送两个字符卜CRI：LF）.Qri+Q输入XON,CtrHS输入XOFF答等a其具体每人控制字符的含义，详就介

16、绍如下：ASCII中的IuncticnCci”n4Cmk功能字符的惮细含义】0-NUL-NULI字符i空字行ASCH字符集中的空字符.NULL.起初本意可以看作为NOP（中文意为空操作.就是啥鲂不做的意思）,此位置可以忽略一人字符，之所以有这人空字符，主要是用于计算厂.旦期的记录信息的册皆,此处留人、IL字符，意思是先占这小位置，以待后用,比如你耳天想起来了.在这人位置在放一个家的啥字符之类的.后夫呢.NLL字符被用于C语言中.字符市的终结符,当一个字符申中间出现NULNULL,代码里面表现为。的时候,就意味着这个是一个字符中的结尾丁这样就方便按照自己需求去定义字符申,多长茄行,当然只要你内存

17、放得下,然后最后加一人Q即空字符,意思是当的字符用到此结束61 -SOH-StartOfHeading标9开始如吴信息沟通交泛主要以、令和消息的形式的N.SOH就可以用于标记每个涓息的开始.1963年.最开始ASCII标准名.壬此字符定义为SMofMes品联.后来又改为比在的SartOfHeading«现在，这人SOH雷工于主从（inaster-slave）虚式的RS232的通信*,一人左设备,以SOH开头.和从设备出行通信，这样方便从设备在数据传输出现错次的讨候,在大一次逋信之前,云实现重新可步（resynchronize）8如吴没有一人清淅的类屹不SOH这样的标记.去标记每个先令

18、的起始或开头的话.瓦么重新同步.就根难实现了.2 -5TX-SianOfText文本开始3 -ETX-EndOfText文本结束一二W种通讯协议去传输的一个数据（L.，片会包含一人工,头，包含了寻址信息,即你是要发给谁,要发送到目的地是印军,其后强者耳王要发送的数据内容,国STX,就用于标记这个数据内容的开始.接卜.来是要传输的数据,最后是ETX.表明数据的结束，其丰，中间其体物的数推内容，ASCH玩范并没有去定义,其本你所用的传输办议,具体自己耍号叶么数抵有关，成头数据或文本内容SOH（表:吱头开始）（帐头信息，比如包含了目的地址.表明你发送给谁等等）STX（表明数据开始）Z左东要传输的数据）ETX（表明数据结束）不过其中有趣的是.1963年.ASC