單志勇1,2,，張亞冰1，田洪普1
?。?.東華大學 信息科學與技術(shù)學院,，上海 201620；2.教育部數(shù)字化紡織服裝技術(shù)工程研究中心,，上海 201620）
摘要：對電子產(chǎn)品進行老化測試時,，老化測試箱的溫度控制效果至關(guān)重要。為了改善老化測試箱的溫度控制,，介紹了溫度測試箱的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),，隨后介紹了PID和模糊控制，最后對系統(tǒng)進行模糊PID控制的仿真,。仿真系統(tǒng)采用模糊控制算法對溫度進行控制,，實現(xiàn)了很好的控制,，達到了滿意的控制效果。仿真結(jié)果表明,，模糊控制方法提高了控制的實時性,、穩(wěn)定性和精確度，對于工程實際應用具有較強的借鑒意義,。
關(guān)鍵詞：模糊PID ,；MCU；溫度控制系統(tǒng)
0引言
在現(xiàn)代電子測試中,，老化測試箱被廣泛應用,，溫度控制對電子設備的測試具有決定性影響，測試箱溫度控制系統(tǒng)具有大滯后,、非線性、時變等特性,。采用一般PID控制會出現(xiàn)加熱時間長,、超調(diào)量大等問題。要取得好的控制效果,，需要調(diào)節(jié)比例,、積分、微分控制作用,。模糊PID控制技術(shù)是一門非常具有潛力的控制技術(shù),，它模擬人的思維方式，能有效解決傳統(tǒng)PID控制方法無法解決的問題,，模糊PID技術(shù)已在工業(yè)控制領(lǐng)域,、家電自動化領(lǐng)域和其他領(lǐng)域得到了廣泛的應用［1］。本文嘗試將模糊PID控制技術(shù)應用在老化測試箱的溫度控制當中,。
1老化箱的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
老化箱的溫度控制系統(tǒng)是以微處理器為核心,，采用PID控制，使得溫度可以控制在測試范圍當中,，加熱絲的加熱功率為2 000 W,，溫控箱的溫度范圍為0~150℃，實用的電壓為市電交流220 V,。整個系統(tǒng)由4個模塊組成,，如圖1所示，采用MUC控制,，其內(nèi)部包括A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊,、繼電器和輔助繼電器驅(qū)動電路。老化測試箱內(nèi)部有用于溫度檢測的PT100,，以及用于加熱的加熱絲,。
由于老化箱一般可以看作帶有純滯后環(huán)節(jié)的一階對象,，其傳遞函數(shù)可以用以下公式表示：
通過測量系統(tǒng)溫度的飛升曲線，可以得到老化箱的傳遞函數(shù)的參數(shù):放大系數(shù)K=120,，時間常數(shù)T=1 000,，滯后時間τ=60 s。得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：
2PID控制
由于PID控制算法具備結(jié)構(gòu)簡單,、魯棒性好,、可靠性高等優(yōu)點，因此在工業(yè)控制領(lǐng)域中得到廣泛應用［2］,。尤其當微控制器應用在控制領(lǐng)域后,，PID控制算法使用起來更加方便，實現(xiàn)了軟件的數(shù)字PID控制算法,。數(shù)字PID控制器比傳統(tǒng)模擬PID控制器的控制性能更好,，廣泛應用在工業(yè)生產(chǎn)過程中。它是將比例,、積分,、微分控制并聯(lián)在一起。假定在系統(tǒng)給定與反饋出現(xiàn)偏差：
e(t)=r(t)－y(t)(3)
可以用如下表達式表示：
其中,u（t）為控制器的輸出,Kp為比例系數(shù),Ti為積分時間系數(shù),Td為微分時間系數(shù),。
由式（3）可以得到PID控制器的傳遞函數(shù)為：
由式（4）可知：
?。?）比例環(huán)節(jié)：其主要作用是放大誤差作用，當給定和輸出出現(xiàn)偏差,，控制器使偏差放大,，比例系數(shù)越大，控制過程的過渡越快,，但是過大的比例系數(shù)也會引起過高的超調(diào)量,。
（2）積分環(huán)節(jié)：為了消除誤差,，控制器必須引入積分環(huán)節(jié),，積分環(huán)節(jié)的引入，隨著時間的增加,，積分項會增大,，它的輸出增大將進一步減小穩(wěn)態(tài)誤差。
?。?）微分環(huán)節(jié)：由于微分具備對誤差提前報告的作用,，適當?shù)奈⒎窒禂?shù)可以微分加快系統(tǒng)響應過程。
3模糊控制
模糊邏輯控制是以集合論,、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的現(xiàn)代智能控制技術(shù),。模糊控制系統(tǒng)的設計一般可概括為模糊化、模糊規(guī)則設計,、模糊推理機設計,、去模糊化［3］,。早在1974年英國的MAMDANI E H首次使用模糊控制語句組成控制器，并且把它運用到工業(yè)控制當中,，獲得了成功,。模糊控制本質(zhì)上是非線性控制，模擬人類思維方式,，將人的控制轉(zhuǎn)換成邏輯語句,，最后轉(zhuǎn)換成計算機控制［4］。
3.1模糊化
模糊化首先把輸入的信號轉(zhuǎn)換成模糊量,，方便輸入到推理機進行處理,。假定輸入的信號為，X1,e1∈［－x,，+x］,，模糊論域為U={－3，－2,，－1,，0，1,，2，3},，采用7級的模糊子集NB,、NM、NS,、0,、PS、PM,、PB,，則需要量化因子：
ke=3x（6）
3.2隸屬度函數(shù)
本模糊控制器采用Mamdani模糊推理方法，其推理過程包括隸屬度聚集,、規(guī)則激活和輸出總和3個過程,。二維輸入e與其變化率de/dt的論域為（-3，+3）,，輸出△KP,、△KI、△KD的論域分別為（-0.3,，+0.3）,、（-0.01，+0.01）,、(-3,，+3),，隸屬度函數(shù)μNB（x）與μPB（x）分別采用zmf函數(shù)和smf函數(shù)， μNM（x）,、μNS（x）,、μ0（x）、μPS（x）,、μPM（x）都采用trimf函數(shù),。在設定隸屬度函數(shù)時，應該保證重疊在0.2~0.6之間,。
模糊推理規(guī)則可以用表達式概括為：IF (e=A and de/dt=B) THAN (dKp=C, dKi=D, dKd=E) ,，其具體推理邏輯如表1~表3所示。
通過模糊推理可以得到模糊量,，然后要對其進行去模糊化,，本模糊控制器采用質(zhì)心法。
4試驗仿真與結(jié)論
采用傳統(tǒng)PID控制器搭建Simulink仿真如圖2所示,，設定給定溫度為60℃,，溫控箱傳遞函數(shù)拆分成一節(jié)環(huán)節(jié)圖3模糊PID控制系統(tǒng)仿真圖
Transfer Fcn和一個純滯后環(huán)節(jié)Transport Delay。PID參數(shù)整定采用臨界比例帶法,。 當KP=0.225時出現(xiàn)臨界震蕩,，臨界比例帶δk=4.44，Tk=235 s,，可得δ=1.67δk,，Ti=0.5Tk，Td=0.125Tk,。得到KP=0.134,，Ti=117.51，Td=29.37,，最后再根據(jù)控制效果進行微調(diào),。
采用模糊PID控制器搭建Simulink仿真，如圖3所示,，原來PID參數(shù)保存不變,，增加Fuzzy模塊以及對應量化因子，輸入輸出部分對其進行限幅,。
輸入給定溫度60℃,，仿真時間為1 000 s，PID控制輸出曲線與模糊PID響應曲線如圖4所示,。通過仿真結(jié)果可以知道,，模糊PID與PID相比，其系統(tǒng)的控制所需要的調(diào)節(jié)時間更短,，超調(diào)量更小,，控制效果更好,。系統(tǒng)誤差最后穩(wěn)定在0℃。
5結(jié)論
本文介紹了老化測試箱的控制系統(tǒng)及其系統(tǒng)模型,，隨后描述PID和模糊PID控制,。再對其進行系統(tǒng)的Simulink仿真，給定溫度60℃,，分別采用PID與模糊PID控制,，得到對應輸出溫度曲線。實驗結(jié)果表明,，采用模糊PID控制器可以更好地滿足系統(tǒng)溫度控制的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性,，在使用微機控制的場合，只需要優(yōu)化其PID控制算法,，而不需更改本身的外圍電路,，因而具有較大工程應用價值。
參考文獻
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