基于模糊PID皮革收縮溫度測定儀控制系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：針對皮革收縮溫度測定儀的溫度控制系統(tǒng)的控制效果不甚理想的問題，提出一種參數(shù)模糊自整定PID控制方法，該方法集中了模糊控制和常規(guī)PID控制兩種控制的優(yōu)點。在重點介紹模糊PID控制器設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，利用Matlab軟件分別進(jìn)行了參數(shù)模糊自整定PID控制系統(tǒng)和常規(guī)PID控制系統(tǒng)的仿真實驗。仿真實驗結(jié)果比較表明，參數(shù)模糊自整定PID控制方法使該儀器的溫控系統(tǒng)的性能得到很大改善。
關(guān)鍵詞：模糊PID控制器；皮革收縮溫度；測定儀；模糊控制

O 引 言
收縮溫度測定儀(以下簡稱儀器)是測量皮革樣品在受熱狀態(tài)下(通常以水或甘油作為加熱介質(zhì))沿長度方向發(fā)生的收縮形變達(dá)到規(guī)定值時所對應(yīng)的環(huán)境溫度(即為皮革收縮溫度)的一種專用儀器。儀器的溫度控制系統(tǒng)基本功能是控制加熱介質(zhì)的溫度按照所要求的升溫曲線變化。測量時，溫度從開始升溫(規(guī)定要求升溫速度控制在3℃／min范圍內(nèi))，當(dāng)溫度升到規(guī)定值時，要求溫度控制系統(tǒng)把溫度控制在一定的范圍內(nèi)，儀器的溫度控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)恒速升溫，恒溫控制等過程。在測量中，存在儀器溫度控制系統(tǒng)對溫度的控制滯后的問題，會使皮革樣品收縮形變產(chǎn)生較大的變化，影響測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為了獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，這就要求儀器溫度控制系統(tǒng)具有實時性、魯棒性和自適應(yīng)性，但是在儀器中采用的可控硅溫度控制系統(tǒng)具有時變、非線性等不利因素。針對這種問題，該文提出在儀器的溫控系統(tǒng)中使用參數(shù)模糊自整定PID控制器，它克服了常規(guī)PID控制與模糊控制的缺點，能使系統(tǒng)具有較高的控制準(zhǔn)確度，又具有較強(qiáng)的適應(yīng)性、魯棒性，提高了該儀器溫度控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和靜態(tài)性能。

1 參數(shù)模糊自整定PID控制器設(shè)計
1．1 參數(shù)模糊自整定PID控制器的結(jié)構(gòu)
利用模糊控制規(guī)則在線對PID控制器進(jìn)行參數(shù)修整，便構(gòu)成參數(shù)模糊自整定PID控制器，其工作過程為：首先，將控制量的偏差e和偏差變化率ec作為二維模糊控制器的輸入變量，進(jìn)行模糊化處理；其次，對模糊化后的偏差e和偏差變化率進(jìn)行模糊邏輯決策(其依據(jù)模糊控制規(guī)則)，應(yīng)用模糊推理算法得出模糊控制器的模糊輸出量；最后，解模糊化，即利用模糊控制規(guī)則在線清晰化得到精確值既為：PID控制器的3個輸入?yún)?shù)k1，kP，kD，進(jìn)行在線控制。模糊自整定PID控制器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．2 參數(shù)模糊自整定PID控制器的設(shè)計思想
參數(shù)模糊自整定PID控制器是一種在常規(guī)PID控制器(控制規(guī)律為式1)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用模糊理論建立：

參數(shù)kP，k1，kD與偏差絕對值| e |和偏差變化率絕對值|ec|的二元連續(xù)函數(shù)關(guān)系見式(2)。t為采樣序號；μ(t)為第t次采樣時刻的控制器輸出量；e(t)為第t次采樣時刻的控制器輸入量的偏差信號；ec(t)為第t次采樣時刻的控制器的輸入量偏差變化率信號；kP為比例系數(shù)；k1為積分系數(shù)；kP為微分系數(shù)。

模糊PID參數(shù)自整定的設(shè)計思想是找到PID控制器三個參數(shù)與偏差|e|和偏差變化率|ec|之間對應(yīng)的模糊關(guān)系(利用式(2)，可根據(jù)不同的偏差|e|和偏差變化率|ec|在線自整定參數(shù)kP，kI，kD)，在運行中通過不斷檢測|e|和|ec|,再根據(jù)模糊控制原理對3個參數(shù)kP，kI，kD進(jìn)行在線校正，以滿足在不同偏差|e|和偏差變化率|ec|時，對控制器參數(shù)的不同要求，從而使被控對象有良好的動、靜態(tài)性能，而且計算量小，易于單片機(jī)的實現(xiàn)。