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基于PID决策模糊控制器的差示扫描量热仪温控系统的实现
口武斌口杨林□段成涛
上海大学机电工程与自动化学院上海200072
摘要:将PID控制器和模糊控制器结合在一起,并应用于差示扫描热仪的温度控制系统中,实验結果表明,此方
法克服了随着温度变化引起加热丝和外界热量交换的変化,明显提高温度控制系统的精度。
关键词:PID决策模糊控制差式扫描量热仪
中图分类号:TH831.4;TP399
文献标识码:A
文章编号:1000-4998(2012)03-0075-03
差示扫描量热仪是在程序温度控制下测量物质与控制模块是温控系统的数据处理中心,并把数据传送
参比物之间单位时间的能量差或功率差随温度变化的给上位机实时显示,其基本原理如图1所示。
技术。核心是对温度的测量和控制,近年来,随着热分
温控系统的硬件电路可分为温度测量部分和温度
析技术的应用越来越广泛,对热分析仪器精度和灵敏控制两部分,温度测量部分由热电偶、信号放大模块
度的要求也越来越高。为了提高差示扫描量热仪温控温度数据采集模块组成,温度控制部分由温度控制模
系统的精度,本文采用ARM处理器对加热炉的温度块和激励模块组成。
进行控制,并对采集的温度数据进行处理,对炉温的调1.1温度测璗电路
节和运算则采用了PID决策模糊控制器进行决策模
测温元件选用铂铑一铂型热电偶来检测炉温、试
糊控制。
样温度和参比物温度,这种类型热电偶的温度值已经
1温控系统硬件设计
线性化,在使用范围内,能获得良好的线性。由于测温
热电偶输出的信号是微伏级的,必须对信号进行放大
温控系统主要由加热炉、信号放大模块、温度数据便于模数转换器处理,放大电路采用美国AD公司推
采集模块、ARM处理器控制模块、激励模块组成,温度出的一种适用于髙速数据采集系统的精榃仪表放大器
AD624,该放大器具有低噪声、低漂移和抗干扰能力强
激励电路
的特点,输入阻抗高,能有效地抑制信号源与传输网络
阻抗不对称引入的误差。放大后的电压信号经过AD
转换后,变成温度控制模块的微处理器可以识别的数
加热炉
信号放大电路
数据采集电路
处理器
字信号,通过查表法得到当前的温度值。
1.2温度控制电路
根据实验要求预先设定的升温速度和多次测量得
到的炉温,温度控制模块按照PID决策模糊控制器计
▲图1硬件结构
算出的控制量,由ARM产生不同占空比的PWM信
收稿日期:2011年10月
号,控制固态交流继电器的导通与否,从而控制加热炉
过「1)实现计算机与单片机结合,这样使整个测试[1]夏巨谌,张启動材料成形工艺[M北京:机被工业出版
的操作更为简单。T作人员无须再对着仪表盘按
社,2005:10-11.
钮进行操作,只要通过鼠标的点击即可轻松完成实验。[2](美)沃森内格尔.C#人门经典(第3版M]、北京:清华大
(2)计算机进行PID温度控制,并负责对结果的
学出版社,2006:17-18
处理,使系统性能更稳定,实验结果更加精确,仪器成[3]吴丰顺,熊晓红,万里,等,材料成形装备控制技术[M].北
本更为降低,同时通用性更强,大大增加了产品的竞争
京:机械工业出版社,2008:126-129.
[4]GB/T2684-2009铸造用砂及混合料试验方法[S].2009.
参考文献
(编辑功成
Nラ机被制造50卷第S71期
2012/3
设为[a2b],并将其转換到[-n,n]:
2pD控制器
E
(3)
EC=
ec
模」模
解
し概模上“k
规「推
被控对象
在该模糊控制器中,取e和ec的边界
de
划辅!糊
都为[-1.2,1.2],二者的量化因子都取为
dt
2.3隶属函数的选择
▲图2PID决策模椈控制器
模糊量的隶属函数的形状在理论上是
钟型的,但是考虑到处理器的计算能カ,D
的温度变化,使温度曲线趋于线性化
及实现的复杂度方面,在实际控制过程中往往简化为
2温控系统软件设计
简单又能反映模糊推理结果的隶属函数,本文选取三
角形隶属函数来对钟型隶属函数的进行简化。
本文温度控制系统是一种采样控制,当温控热电2.4模规则的制定
偶的热电势和程序计算出的电压值有偏差时,说明炉
用已有的PID整定方法确定最佳参数,由于被控
温偏离了给定值,此偏差值经放大后送入PD决策模对象的温度变化跨度大,为提高精度,采取分段设计的
糊控制器,根据徧差值计算控制量,在经过激励电路调方法,即根据被控对象的温度在不同区间的特性,分别
整加热炉的加热参数,从而消除偏差,使炉温按照实验确定相应的最佳参数k、ka、kD。然后,确定模糊控制规
设定的曲线升温、恒温或降温
则的一个很小的子集,使得当系统偏差较小时,模糊控
2.1PID决策模糊控制器原理
制器的输出接近于经验控制信号k。
ID控制器是最常用的一种控制器,其结构简单
2.5模糊推理和解模糊
参数易于调整,常用于工业过程控制。常规PID控制
设某时刻的偏差e=0.74,偏差变化率ec-=0.32,模
是一种线性控制器,控制规律表示为离散化的形式
糊推理如下:
(k)=ke(ん)+ん∑e()+ko[e(k)-e(k-1)](1)
1)通过量化因子转换,得到相应的E=3.7,EC
式中:k表示采样序号;(k)为第k次采样时刻的输出
2)根据模糊规则和隶属度,采用最大最小推理法
控制;e(h)为第ん次采样时输入的偏差值; kp kl HD分得到u3(a)=0.3,ル(a)=0.6
别为比例系数、积分系数、微分系数。
3)利用重心法,即加权平均法去模糊化得知:=
典型的二维模糊控制器可以用下面的PID描述-3.67
数来描述。
4)乘相应的比研因子,得到最后的输出控制量。
L()=kdk3、f(E,EC)e(n)+kxkf(E,EC)ムe(n)(2
式中:k1、k2为量化因子;k3为决策因子;E为输入偏
差;EC为输人偏差变化率;a为控制量输出
500
基于模糊控制的方法,并吸取PID在系统偏差较
小时性能优良的优点,通过PID参数整定方法确定当
≥3
前系统偏差较小时的最佳PID参数,并制定模糊规则
380
表的一小部分,使得对应于不同的温度段,该控制器的
输出和PID的输出成某种比例关系。同时,通过细分
300
0.07.014.021.028.035.042.049,056.063.070.0
论域空间,选择适当的量化因子ん1、k2等措施来提高性
时间/min
能。这样的模糊控制器称之为PID决策模糊控制器,
▲图3升温一傾温一升温曲线
如如图2所示
2.2量化因子的整定
470.5
在该温度控制器中,把输人的采样温度值和实验
470明
设定的温度程序相应时刻的温度设定值相比较得到偏
0.07.014.021.028.035.042.049.056.063.070.0
差e和偏差的变化率ec,并进行模糊化处理得到E和