基于模糊PID皮革收縮溫度測定儀控制系統設計

摘 要：針對皮革收縮溫度測定儀的溫度控制系統的控制效果不甚理想的問題，提出一種參數模糊自整定PID控制方法，該方法集中了模糊控制和常規PID控制兩種控制的優點。在重點介紹模糊PID控制器設計方法的基礎上，利用Matlab軟件分別進行了參數模糊自整定PID控制系統和常規PID控制系統的仿真實驗。仿真實驗結果比較表明，參數模糊自整定PID控制方法使該儀器的溫控系統的性能得到很大改善。
關鍵詞：模糊PID控制器；皮革收縮溫度；測定儀；模糊控制

O 引 言
收縮溫度測定儀(以下簡稱儀器)是測量皮革樣品在受熱狀態下(通常以水或甘油作為加熱介質)沿長度方向發生的收縮形變達到規定值時所對應的環境溫度(即為皮革收縮溫度)的一種專用儀器。儀器的溫度控制系統基本功能是控制加熱介質的溫度按照所要求的升溫曲線變化。測量時，溫度從開始升溫(規定要求升溫速度控制在3℃／min范圍內)，當溫度升到規定值時，要求溫度控制系統把溫度控制在一定的范圍內，儀器的溫度控制系統需要實現恒速升溫，恒溫控制等過程。在測量中，存在儀器溫度控制系統對溫度的控制滯后的問題，會使皮革樣品收縮形變產生較大的變化，影響測試數據的準確性。為了獲取準確的數據，這就要求儀器溫度控制系統具有實時性、魯棒性和自適應性，但是在儀器中采用的可控硅溫度控制系統具有時變、非線性等不利因素。針對這種問題，該文提出在儀器的溫控系統中使用參數模糊自整定PID控制器，它克服了常規PID控制與模糊控制的缺點，能使系統具有較高的控制準確度，又具有較強的適應性、魯棒性，提高了該儀器溫度控制系統的動態性能和靜態性能。

1 參數模糊自整定PID控制器設計
1．1 參數模糊自整定PID控制器的結構
利用模糊控制規則在線對PID控制器進行參數修整，便構成參數模糊自整定PID控制器，其工作過程為：首先，將控制量的偏差e和偏差變化率ec作為二維模糊控制器的輸入變量，進行模糊化處理；其次，對模糊化后的偏差e和偏差變化率進行模糊邏輯決策(其依據模糊控制規則)，應用模糊推理算法得出模糊控制器的模糊輸出量；最后，解模糊化，即利用模糊控制規則在線清晰化得到精確值既為：PID控制器的3個輸入參數k1，kP，kD，進行在線控制。模糊自整定PID控制器的結構如圖1所示。

1．2 參數模糊自整定PID控制器的設計思想
參數模糊自整定PID控制器是一種在常規PID控制器(控制規律為式1)的基礎上，應用模糊理論建立：

參數kP，k1，kD與偏差絕對值| e |和偏差變化率絕對值|ec|的二元連續函數關系見式(2)。t為采樣序號；μ(t)為第t次采樣時刻的控制器輸出量；e(t)為第t次采樣時刻的控制器輸入量的偏差信號；ec(t)為第t次采樣時刻的控制器的輸入量偏差變化率信號；kP為比例系數；k1為積分系數；kP為微分系數。

模糊PID參數自整定的設計思想是找到PID控制器三個參數與偏差|e|和偏差變化率|ec|之間對應的模糊關系(利用式(2)，可根據不同的偏差|e|和偏差變化率|ec|在線自整定參數kP，kI，kD)，在運行中通過不斷檢測|e|和|ec|,再根據模糊控制原理對3個參數kP，kI，kD進行在線校正，以滿足在不同偏差|e|和偏差變化率|ec|時，對控制器參數的不同要求，從而使被控對象有良好的動、靜態性能，而且計算量小，易于單片機的實現。