摘 要：小型溫控系統(tǒng)在高科技產(chǎn)品中有著廣泛的應(yīng)用，PID控制算法是避免溫度控制系統(tǒng)超調(diào)的一種行之有效的算法；然而對(duì)于小型溫度系統(tǒng)，往往要求控制時(shí)間迅速，在90 s以內(nèi)要求溫度即可回歸制定區(qū)域，PID控制算法不能勝任。本文對(duì)PID控制算法進(jìn)行優(yōu)化，使之能夠達(dá)到快速控制的目的。

關(guān)鍵詞：PID控制 小型溫控系統(tǒng) 模糊控制

中圖分類號(hào)：TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）12（a）-0011-01

1 小型溫控系統(tǒng)的構(gòu)成

采用TEC制冷器作為溫度控制元件，鉑電阻作為溫度傳感器進(jìn)行溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)具備體積?。?8 mm×48 mm×18 mm）、質(zhì)量輕（300 g）、效率高（75%以上）的特點(diǎn)。系統(tǒng)組成原理框圖如圖1所示。

其中：x（t）是設(shè)定的系統(tǒng)溫度控制區(qū)間，y（t）是輸出電壓信號(hào)，e（t）是輸出產(chǎn)生的誤差信號(hào)。對(duì)于該系統(tǒng)，其PID控制方程可表示為一般形式：

y（t）=kp[e（t）+1/ti（∫e（t）dt）+tdde（t）/d（t）]

其中：

kp是調(diào)節(jié)的比例系數(shù)；

ti是調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間；

td是調(diào)節(jié)的微分時(shí)間。

2 PID算法的優(yōu)化

小型溫控系統(tǒng)中，由于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的積分時(shí)間與微分時(shí)間較長，系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度又十分迅速，所以無法實(shí)現(xiàn)真正意義上的PID控制。在PID的三個(gè)參數(shù)：比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)生成之前，引入模糊邏輯理論，對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的PID三個(gè)參數(shù)會(huì)應(yīng)外界環(huán)境變化自動(dòng)調(diào)節(jié)，以保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

優(yōu)化算法中，不僅考慮偏差e（t），并且考慮偏差的變化率v（t）。將e（t）與v（t）作為輸入量，經(jīng)過多次試驗(yàn)，形成kP，ki，kd的控制規(guī)則矩陣，在程序計(jì)算中的每個(gè)采樣周期采用查表法輸出kp，ki，kd的值。其數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

系統(tǒng)應(yīng)用中控制算法由軟件實(shí)現(xiàn)，首先對(duì)y（t）、e（t）、v（t）等PID參數(shù)進(jìn)行數(shù)字離散化，得到y(tǒng)（n）、e（n）、v（n）等。利用迭代法將前一時(shí)刻的參數(shù)值存進(jìn)數(shù)組，下一時(shí)刻的參數(shù)值與前一時(shí)刻進(jìn)行比較，從而得到誤差變化率。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

經(jīng)過實(shí)際檢驗(yàn)，利用優(yōu)化后的PID算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制，當(dāng)被控對(duì)象表面溫度在-55 ℃～+70 ℃之間變化時(shí)，系統(tǒng)可于100 s之內(nèi)將被控對(duì)象溫度調(diào)節(jié)至0～20 ℃區(qū)域。滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

利用matlab對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行階躍響應(yīng)仿真，如圖3所示。

由仿真結(jié)果可明顯看出相對(duì)于傳統(tǒng)意義上的PID調(diào)節(jié)，引入模糊控制理論優(yōu)化后的系統(tǒng)，系統(tǒng)響應(yīng)迅速，不存在溫度超調(diào)現(xiàn)象。

4 結(jié)語

采用模糊控制理論對(duì)傳統(tǒng)PID控制理論進(jìn)行優(yōu)化，有些列幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）系統(tǒng)響應(yīng)迅速，優(yōu)化后的算法超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間均小于常規(guī)PID算法。（2）算法中的比例系數(shù)、微分系數(shù)、積分系數(shù)均動(dòng)態(tài)變化，具有自適應(yīng)的特性。（3）由于查表法在程序上簡(jiǎn)單、易行，該方法可降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件成本。

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