基于模糊自适应PID的恒温箱控制系统设计.pdf

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工业仪表与自动化装置
2013年第6期
基于模糊自适应PID的恒温箱
控制系统设计
汤方剑,和卫星,张红丽
江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013
摘要:湿度控制系统是时变、非线性、多千扰的复杂系统,传统PID算法含有积分环节,导致系
统响应缓慢,累积误差大。该文通过对婴儿恒温箱的杌理分析,建立数学模型,结合PID算法和模
糊控制技术,设计出基于模糊自适应PD的车载婴儿恒温箱。实验结果表明,模糊自适应PID控制
较传统PID控制,系统控制精度高,稳定性好,动态响应速度快,抗千扰能力强。
关键词:车载婴儿恒温箱;模糊自适应PID控制;动态响应速度;抗干扰能力
中图分类号:R318.6文献标志码:A文章编号:1000-0682(2013)06-0046-04
Design of incubator control system based on fuzzy adaptive PID
TANG Fangjian, HE Weixing, ZHANG Hongli
( School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University, Jiangsu Zhenjiang 212013, China y
Abstract: Temperature control system is a time-variant, non-linear and multi-disturbance com-
plex system, traditional PID algorithm with integral part, resulting in a slow system response, large accu
mulated error. In this paper, the control system of vehicle-mounted infant incubator is anal ysed, ac
cording to which the mathematical model is constructed. urthermore, an optimized design of vehicle
mounted infant incubator based on fuzzy adaptive PID is presented, combined with PID) algorithm and
fuzzy control technology. The experimental result shows that the proposed system is more precision, more
stability, faster in dynamic response speed, and the anti-jamming ability is better than the traditional
PID contro
Key words vehicle - mounted infant incubator; fuzzy adaptive PID; dynamic response speed
anti-jamming ability
0引言
行热交换。令Qz为箱体加热板的总加热量,Q、为箱
体向外散发的总散热量,那么总加热量和温度的关
系统的被控对象是车载婴儿恒温箱,因其用途系近似为
的特殊性,要求其动态响应速度快,控制精度高,稳
定性好。采用传统的PID控制无法满足要求,而将
Q2-Q2。=MCd
模糊控制和PID控制两者结合起来,扬长避短,既有其中:M为被加热箱体空气的总质量;Cp为被加热
模糊控制灵活适应性强的优点又有PID控制精度空气的比热容;C为箱体内空气的热容量;T为空气
高的特点,能满足系统的控制需求。
温度。
婴儿恒温箱温控系统数学模型的建立
由于箱体会不断地向外界散失热量,该热量可
以表示为
在实际工程中,为了对被控对象的数学模型进
Q2、=kA(Z-To
(2)
行简化,温度常常被作为集中参数来处理。要控制其中:K表示传热系数:A表示箱体与外界热交换的
箱体内的温度值,同时箱体内温度必然会与外界进表面积;T表示箱体外界的空气温度。箱体外壳会
收稿日期:2013-05-11
降低热量向周围空气散失的速率,其散热阻力被称
作者简介:汤方剑(1986),男,硕士研究生,主要从事智能检测
为热阻。
技术和特种电子仪器的研究。
另外,箱体外壳散热面积和传热系数越大,其热
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工业仪表与自动化装置
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阻值越小,现用R表示热阻,则:
温度的变化量。由于输人量没有增量,即令ムQ2=
R
3
再对△T进行归一化,由飞升曲线得到K=
将式(2)和式(3)带入式(1)中,可得到该模型
0.62
的增量微分方程式:
该曲线的微分方程为:
RC
d△Ts+ATy
Tr()=7r(∞o)(1
≥
dt
R△Qx+△To
考虑到实验室空气温度不变,则△T=0,由式
()=T(t),则可得:
T
(4)可得
d△Tn
Tァ(な)=
(10)
RC
△Twr=R△Q
t≥7
再对式(5)进行拉氏变换得:
因此在飞升曲线图中选取2个时刻o.3和
R
K
tos,toa2>t03>r,其中T(o)表示整个箱体温
W
RCS+1 Ts +1
度上升的稳态值。
其中:K为放大系数;T为时间常数。
将上述选取的2个时刻代入式(10)可得
在控温过程中,加热板产生热量是一个过程性
的传递,这就导致了输入和响应之间存在时间的延
迟和滞后。其中箱体的体积是决定滯后时间长短的
W(to.62)=1-e
重要因素之一。因此,根据式(6)和上述情形分析
推出T=2(to62-oa3
0.39
632
得到恒温箱的最终理想模型为
结合图1和公式可得
T(t.3)=13.34+21=34.34;
R
W(s)
K
S
RC、s+1Ts+1
0.632
21.61+21=42.61。
其中:K是对象的静态增益;T是对象的时间常数;r
进而推出:Tr(t3)所对应的时间t.y=12
是对象的纯滞后时间
min;Tr(os2)所对应的时间o62=22.5min。最
该设计选取额定功率为350W的加热板,工作后可得
频率为50Hz,工作电压为20V。通过测量箱体的
T=2(toa-top)=2x(22.5-12)=2lmin
飞升曲线,得到系统的数学模型,测量时未设定温度
r=2o.3s-o.62=2×12-22.5=1.
5 minc
值,使其满功率加热,时隔1min对温度记录一次,
因此可确定被控对象的传递函数为:
所得飞升曲线如图1所示。显然该实验曲线是一条
S型非周期线。其次利用飞升曲线,求取对象参数
Miop)
根据飞升曲线PID参数,得表1所示整定表。
该试验选用的是PID控制器类型,经计算后得到系