基于模糊PID的电阻炉温度控制系统

3 系统的软件设计
控制系统软件部分主要包括主程序、采样子程序、模糊PID控制程序、定时子程序等。程序采用C语言编写，调试工具采用单片机AT89C 52的配套调试软件KEIL C51。
3．1 主程序设计
系统上电或复位后，在单片机的控制下自动进入控制系统主程序。首先对单片机及各种芯片进行初始化操作，包括各个端口的初始化、变量的初始化、定时器的初始化及编写模糊整定查询表等。待输入目标温度值后，进入后续程序。主程序把其余部分联接起来，构成一个无限循环图，控制系统的所有功能都在这个循环中周而复始地或有选择地执行。各种子程序都挂接在主程序上，主程序流程如图4所示。

3．2 A／D采样及处理
A／D采样及处理属于数据采集部分，其作用是完成对炉温的实时检测(每1秒钟采样一次)，将检测到的电压值(经温度变送器和精密电阻转换)经过A／D转换部分进行模数转换，变成相应的数字量送入单片机AT89C52，保存在事先定义好的数组(10个元素)单元中。重复检测十次，将数值存满数组。为了去除干扰，进行均值滤波，去掉其中的一个最大值和一个最小值，将剩余的八个检测值求出平均值，为该时刻的检测值，存入相应单元。该部分主要程序代码如下：


3．3 液晶显示与按键驱动部分
液晶显示屏和按键是最常用的输出和输入设备。该系统中采用3个独立的按键作为输入控制键，LCD12864液晶显示屏作为输出设备。作为输入处理部分的3个按键的功能分别为选择、调整和确认。系统上电运行时，可以通过选择键循环选择设定温度的3个位和OK选项，当其中某项被选择后，其下面出现横线来标识。在设定温度的3个位上，可以通过调整键进行0～9的循环选择，当选中合适的数字后，可以按确认键进行值的确认。三位都调整确认完毕后，通过选择键选中“OK”，按确认键，这样系统将启动运行。
3．4 模糊PID计算
模糊PID计算是整个系统的核心部分，主要是设计模糊PID控制器，其中的e和ec的论域均为-3～+3。在实际的控制过程中，在加热至e为150之前，占空比为1，全速加热，当进入e≤150的区域后，才启动模糊PID进行计算，通过不断调整△Kp、△Ki和△Kd的大小，控制输出量u的大小，最后使电阻炉的温度达到平衡。

4 仿真实验
系统中分别采用常规PID控制、纯模糊控制和模糊PID控制3种控制方法，利用MATLAB进行仿真实验，从调节时间、超调量和稳态误差方面比较它们的控制性能。
通过前两种控制方法的仿真实验，对于常规PID控制，当给定温度值为500时，调节时间约为1 200 s，超调量约为22．9％，稳态误差为零；对于纯模糊控制，给定温度值为500时，调节时间约为1 000 s，超调量为20℃，最终的稳态误差较大，约为10℃。
最后对模糊PID控制方法进行仿真实验，对各输入参数进行模糊化处理，取e的量化因子Ke=0．02，ec的量化因子Kec=0．1。对输出量进行解模糊化，得到△Kp、△Ki和△Kd的比例因子均为0．1。选取经过优化后的初始PID参数，使Kp=0．15、Ki=0．001、Kd=1．7。得到的模糊PID控制仿真曲线如图5所示。

由系统的仿真曲线图可见，模糊PID控制的性能指标为：调节时间约等于3 500 s，超调量约为7．5％，稳态误差为零。
经过对常规PID控制、纯模糊控制和模糊PID控制3种控制方案的仿真研究和分析，明显看出，PID控制响应曲线超调量最大、调节时间较长、最终的稳态误差为零；纯模糊控制响应曲线超调量最小、调节时间最短、但是最终的稳态误差却很大；将两种控制算法结合在一起的模糊PID控制策略可实现减小超调量、稳态误差为零等非常理想的性能指标。温度控制的延迟是变化的，对于温度控制这样的非线性、有延迟的复杂的控制对象，模糊PID控制器显示了明显的优越性，性能指标要比常规PID控制器改善很多。

5 结论
文中将模糊控制算法引入传统的电阻炉温度控制系统构成模糊PID控制系统。通过将常规PID控制方法、纯模糊控制方法和模糊PID控制方法进行仿真对比，发现模糊PID控制方法具有较好的动静态响应特性和较强的鲁棒性，还能够消除系统余差，这对具有非线性、时变和延迟等特征的控制对象尤为适用。并且该方法设计比较简单，易于实现，适合于工业控制应用。