邱云蘭

摘要：采用常規(guī)方法對低溫電阻爐的溫度進(jìn)行控制，難于獲得期望的效果。該文采用模糊自適應(yīng)PID的控制方法，建立了一種溫度優(yōu)化控制系統(tǒng)，仿真結(jié)果證明了該控制系統(tǒng)能夠達(dá)到快速響應(yīng)、低超調(diào)、穩(wěn)態(tài)誤差小的要求。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；溫度控制；模糊自適應(yīng)；電阻爐

中圖分類號：TP18文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2012)23-5685-03

Low-Temperature Resistance Furnace Temperature Fuzzy Adaptive PID Control

QIU Yun-lan

(Fujian Electric Vocational and Technical College,Quanzhou 362000,China)

Abstract：Conventional methods of low-temperature resistance furnace temperature control, difficult to obtain the desired effect. In this paper, a fuzzy adaptive PID control method, a temperature optimal control system, simulation results show that the control system can achieve fast response, low overshoot, small steady state error requirements.

Key words：microcontroller；temperature control；fuzzy self-tuning；resistance furnace

低溫電阻爐廣泛應(yīng)用于實驗室、工礦企業(yè)、科研單位作元素分析測定和一般小型鋼件淬火、退火、回火等熱處理加熱用，是冶金、鑄造等行業(yè)的重要熱處理設(shè)備，其采用對流傳熱方式加熱，最高工作溫度在600℃附近，控溫精度要求不大于±1℃。

采用常規(guī)的控制方法很難能獲得期望的效果，要解決這個問題可以采用自適應(yīng)控制的方法。

該文以電阻爐為研究對象，針對電阻爐的模型，采用模糊自適應(yīng)PID控制方法，設(shè)計了一種新型的溫度測控系統(tǒng)。

式中ec(k)：系統(tǒng)誤差變化率；e(k)：系統(tǒng)誤差；KI：積分作用系統(tǒng),它影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度；KP：比例系數(shù),它影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度；KD：微分作用系數(shù),它影響系統(tǒng)的動態(tài)特性。

利用模糊的集合理論建立參數(shù)KI、KP和KD與系統(tǒng)誤差變化率絕對值|ec|和誤差絕對值|e|之間的二元連續(xù)函數(shù)關(guān)系，并用模糊控制器根據(jù)不同的|e|和|ec|在線自適應(yīng)PID參數(shù)，是該控制系統(tǒng)設(shè)計的核心。

該文中電阻爐模糊控制器的輸入變量有兩個，即用二維模糊控制器。輸入變量為偏差e和偏差變化率ec，模糊控制器輸出變量為DKP、DKD，得到計算式（3）、（4）

KP = KP+{e,ec}p

（3）

KI＝KI+{e, ec }I（4）

其中KP、KI為PID參數(shù)的初始值, KP、KI為最終PID參數(shù)的取值。Fuzzy-PID能夠在線調(diào)整參數(shù)KP, KI, KD,使得這些參數(shù)最優(yōu),并使系統(tǒng)取得最佳的控制效果。

1.4模糊判決

模糊控制算法器輸出的控制量U是一模糊集，一開始必須先經(jīng)過模糊判決，將輸出量U變成控制論域中的精確量u*。然后再將u*轉(zhuǎn)為控制量基本論域中有物理意義的精確量u,用u對被控對象進(jìn)行控制。

設(shè)計中模糊決策采用Mamdanis（min－max）決策法，解模糊采用的是重心法（centroid）。

當(dāng)系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化時，PID控制曲線的超調(diào)較大，并劇烈振蕩。而模糊PID控制器雖然也有6.25%的超調(diào)，但是系統(tǒng)會很快進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，并且系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為零，也可以滿足低溫電阻爐控溫精度不大于±1℃的要求。由此可以看出，傳統(tǒng)的PID控制調(diào)節(jié)特性比系統(tǒng)變化前相差很多，而模糊PID控制系統(tǒng)在參數(shù)變化前后控制性能差別不大。

根據(jù)帶滯后、時變、非線性的低溫電阻爐系統(tǒng)，根據(jù)低溫電阻爐控溫精度不大于±1℃的要求，提出了參數(shù)自適應(yīng)的模糊PID控制算法，運(yùn)用Matlab的simulink進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示該控制算法可以根據(jù)實際情況進(jìn)行自動調(diào)節(jié)參數(shù)。對PID控制和參數(shù)模糊自適應(yīng)PID控制兩種方案的仿真研究和分析，明顯看出，PID控制響應(yīng)曲線超調(diào)量較大，參數(shù)模糊自適應(yīng)PID控制方法可實現(xiàn)調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)誤差為零等非常理想的性能指標(biāo)。因此，我們選擇這種方法實現(xiàn)低溫電阻爐的溫度控制，使其更好地在實驗室、工礦企業(yè)、科研單位作元素分析測定和一般小型鋼件淬火、退火、回火等熱處理加熱用。