基于Fuzzy-PID的陀螺儀溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

溫度控制系統(tǒng)的工作原理
---陀螺儀溫度控制系統(tǒng)主要由溫度傳感器、AT89C52單片機、A/D信號采集模塊、可控硅輸出控制及其他一些外圍電路組成。系統(tǒng)的被控對象是陀螺部件內(nèi)的液體溫度，執(zhí)行機構(gòu)是可控硅觸發(fā)電路。工作溫度借助電橋測量。電橋的三個臂是配置在控制系統(tǒng)內(nèi)的電阻，第四個臂是陀螺部件加熱溫度傳感器的電阻。來自電橋的信號值通過高精度集成運放OP07進行差動放大、濾波，然后再送給A/D采樣。根據(jù)測量的電流端和電壓端原理，電橋電壓信號的采集采用三線制接法，如圖1所示。這是一種最實用又能較精確測溫的方式，R4、R5和R6為連線和接觸電阻。由于采用上述三線制接法，調(diào)整R1即可使包括R5在內(nèi)的電橋平衡，而R4可通過R6抵消，因此工業(yè)上常用這種接法進行精密溫度測量。控制部分采用Fuzzy-PID的復(fù)合控制使單片機輸出PWM脈沖，進而控制執(zhí)行機構(gòu)輸出到陀螺加熱器的電流量，實現(xiàn)陀螺加熱器的溫度自動調(diào)節(jié)控制。由于采用了模糊自適應(yīng)PID控制算法，系統(tǒng)就可以在沒有操作者干預(yù)的情況下根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應(yīng)情況，自動實現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整，改變PWM輸出波形的占空比，合理地控制輸出，使陀螺加熱器的工作溫度保持恒定，實現(xiàn)自動控制，這也是設(shè)計該溫控制系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計
---根據(jù)陀螺儀模糊控制系統(tǒng)的要求可知，加熱器工作時產(chǎn)生熱量，使陀螺部件內(nèi)液體溫度升高，進而使溫度傳感器的阻值增大(對于正溫度系數(shù)熱敏電阻)，則溫度檢測電路把溫度變化信號送回輸入端和給定的溫度進行比較，再產(chǎn)生偏差、偏差變化率信號，經(jīng)模糊控制器進行推理從而產(chǎn)生控制加熱器的信號，對加熱器進行控制。Fuzzy-PID溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)主要由被控對象、溫度傳感器檢測回路、Fuzzy-PID控制器和執(zhí)行機構(gòu)等組成。
● 數(shù)字PID控制設(shè)計
---利用脈沖響應(yīng)法測量被控對象的傳遞函數(shù)為一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后。

---其中，K為對象放大系數(shù)，K=300℃/100V；τ為純滯后時間，τ=50s；T為對象時間常數(shù)，T=200s。
---單片機控制是一種采樣控制，系統(tǒng)采用的增量式數(shù)字PID控制算法為：
---Δu(n)=U(n)-U(n-1)=a0e(n)-a1e(n-1)+a2e(n-2)
---a0=kp(1+T/T1+TD/T)
---a1=kp(1+2TD/T)
---a2=kpTD/T
---式中，T為采樣周期。參照響應(yīng)曲線選擇，最后結(jié)合實驗確定為采樣周期。利用控制軟件實現(xiàn)增量式控制算法，并輸出控制量。由于該控制算法不需要累加，控制增量僅與最近的n次采樣有關(guān)，所以誤動作時影響小，而且較容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。這也是系統(tǒng)采用此增量式PID控制算法，作為模糊PID控制器中PID調(diào)節(jié)器部分算法的主要理由。
● 模糊PID控制器設(shè)計
---首先根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的理論和方法，將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗和技術(shù)知識總結(jié)成為IF(條件)、THEN(結(jié)果)形式的模糊規(guī)則，并把這些模糊規(guī)則及相關(guān)信息(如初始的PID參數(shù))存入計算機中。根據(jù)檢測回路的響應(yīng)情況，計算出采樣時刻的偏差e及偏差的變化率ec，輸入控制器，運用模糊推理，進行模糊運算，即可得到該時刻的Kp、Ki、Kd，實現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整。
---Fuzzy-PID控制器是在PID參數(shù)預(yù)整定的基礎(chǔ)上，利用模糊規(guī)則實時在線整定PID控制器的三個修正參數(shù)△Kp、△Ki、△Kd，實現(xiàn)對溫度的優(yōu)化控制。模糊控制器的輸入、輸出變量都是精確量，模糊推理是針對模糊量進行的，因此控制器首先要對輸入量進行模糊化處理。在所設(shè)計的Fuzzy-PID控制器中，輸入、輸出變量的語言值均分為七個語言值：｛NB、NM、NS、O、PS、PM、PB｝，子集中元素分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中和正大。隸屬度函數(shù)采用靈敏性強的三角函數(shù)。為增強系統(tǒng)的魯棒性，提高隸屬度函數(shù)的分辨率，在0值附近的函數(shù)形狀取的更陡，形式如圖3所示。
---e的基本論域為[-100℃，100℃]；ec的基本論域為[-5，5]；△Kp的基本論域為[-1，1]；△Ki的基本論域為[-0．002，0．002]；△Kd的基本論域為[-1，1]。以上各變量的模糊量分別為E、EC、△KP、△KI和△KD，其論域均為[-6，-5， -4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]。輸入量e、ec的量化因子為：ke＝0.06，kec＝1.2。
---模糊控制設(shè)計是總結(jié)工程設(shè)計人員的技術(shù)知識和實際操作經(jīng)驗，參數(shù)的整定規(guī)則是控制器的核心，建立合適的模糊規(guī)則表，得到針對△Kp、△Ki、△Kd這3個參數(shù)分別整定的模糊控制表，見表1、表2和表3。
---對輸入的偏差e和偏差變化率ec，在取得相應(yīng)的語言值后，根據(jù)整定規(guī)則表，經(jīng)過公式法模糊決策，分別得出三個修正參數(shù)△Kp、△Ki、△Kd的模糊量。經(jīng)過上述模糊推理后，F(xiàn)uzzy－PID控制器整定的三個修正參數(shù)要進行去模糊化取得精確量，以計算輸出控制量，既單位時間加熱器通斷電百分比。去模糊化有幾種方法，如最大隸屬度法、重心法等，對本控制器，采用重心法求取輸出量的精確值。由以下公式得出模糊判決后的輸出量c(k)。

---其中c(k)ku(ku為輸出量的比例因子)即為自整定之后的修正參數(shù)，各修正參數(shù)比例因子為：
---Ku(△Kp)=1/6，Ku(△Ki)=1/300，Ku(△Kd)=1/6
---輸入到PID控制器的參數(shù)由下列等式計算得出。
---Kp=Kp'+△Kp，Ki=Ki'+△Ki，Kd=Kd'+△Kd

溫度控制系統(tǒng)的實現(xiàn)
● 硬件實現(xiàn)
---對于陀螺儀模糊控制系統(tǒng)，考慮其功能需要，對系統(tǒng)的輸入和輸出功能做分開處理，以確定系統(tǒng)的輸入輸出口的信號數(shù)目。對于系統(tǒng)的輸入情況，考慮下列信號。
---(1)溫度檢測，用于檢測系統(tǒng)的輸出溫度，即陀螺部件內(nèi)液體的溫度，以便對加熱器的控制作出決策。
---(2)溫度設(shè)定，用于設(shè)定陀螺部件的工作溫度，對不同的要求設(shè)定的溫度不同。
---對于系統(tǒng)的輸出，考慮下列信號。
---(1)加熱器控制信號，由可控硅來控制加熱器的工作狀態(tài)。
---(2)向用戶顯示系統(tǒng)當(dāng)前的溫度。
---陀螺儀溫控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
---控制系統(tǒng)中，采用了高精度集成運放OP07對鉑電阻的毫伏級熱電勢進行差動放大、濾波，然后將檢測的電壓信號送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD0809，采樣數(shù)值并傳送給AT89C52。
---AT89C52的P0口是數(shù)據(jù)線，連接到AD0809、LCD的數(shù)據(jù)口上。P2口的5根控制線控制LCD，P1.0、P1.1控制報警指示燈，P1.2至P1.4口用于控制可控硅等。然后通過Fuzzy-PID控制器，計算得到PWM脈沖的占空比，對加載電壓進行控制，最終完成對陀螺部件內(nèi)液體的溫度控制。
● 軟件實現(xiàn)
---陀螺儀溫控系統(tǒng)的軟件框圖如圖5所示。在開機復(fù)位時，系統(tǒng)進行初始化。接著檢測現(xiàn)場溫度，并在預(yù)熱階段由系統(tǒng)強制加熱一段時間。然后再根據(jù)檢測溫度產(chǎn)生輸出控制、報警指示、顯示等。整個程序主體部分采用匯編語言編寫，在控制算法部分調(diào)用了C語言編寫的函數(shù)。系統(tǒng)將整個控制算法作為一個函數(shù)以備匯編語言調(diào)用。

結(jié)束語
---將Fuzzy-PID算法應(yīng)用于陀螺儀溫度控制系統(tǒng)，設(shè)計目標(biāo)是在同樣的控制精度條件下，使系統(tǒng)的過渡時間盡可能短，改善控制效果。采用復(fù)合控制，使系統(tǒng)能有效抑止純滯后的影響，而且魯棒性強，當(dāng)參數(shù)變化較大及有干擾時，仍能取得較好的控制效果。

參考文獻
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