基于模糊自适应pid控制的高精度恒温控制器及方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于自动化控制技术领域，具体涉及一种基于模糊自适应PID控制的高精 度恒温控制器和控制方法。
【背景技术】
[0002] 温度控制在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位，是工农 业生产及生活中较为常见和基本的工艺参数之一。在化工生产过程中，温度是非常关键的 控制对象。目前，大量采用的依然是PID算法，PID参数的整定方法非常多，但大部分是以 对象为基础的。PID控制器问世至今凭借其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等优点 成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握、得不到精确的数 学模型时，采用PID控制技术最为方便。在控制对象有很大的时变性和非线性的情况下，一 组整定好的PID参数远远不能满足系统的要求。
[0003] 而模糊PID控制算法能改善这个问题，所谓模糊PID控制器，即利用模糊逻辑算法 并根据一定的模糊规则对PID控制的比例、积分、微分系数进行实时优化，以达到较为理想 的控制效果。模糊PID控制包括参数模糊化、模糊规则推理、参数解模糊、PID控制器等几 个重要组成部分。随着计算机的发展，人们将专家的知识和操作人员的经验作为知识存入 微机中，根据现场的实际情况，自动调整PID的三个参数。计算机根据所设定的输入和反馈 信号，计算实际位置和理论位置的偏差e以及当前的偏差变化e。，并根据模糊规则进行模糊 推理，最后对模糊参数进行解模糊，输出PID控制器的比例、积分、微分系数。
[0004] 如果能将模糊PID算法应用在温度控制中，则可能满足高精度恒温控制需求。
【发明内容】
[0005] 为解决上述问题，本发明公开了 一种基于模糊自适应PID控制的高精度恒温器及 控制方法，根据温度实际值与设定值的偏差，由模糊PID与自适应算法经卡尔曼滤波得出 实际温度值，并由此控制恒温控制器的工作，最终实现高精度恒温控制。
[0006] 为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0007] 基于模糊自适应PID控制的高精度恒温控制方法，包括如下步骤：
[0008] 步骤A，对加热与冷却模块的一端施加阶跃控制信号，并测取其阶跃响应，再由其 响应曲线结合Cohn-Coon公式得到加热与冷却模块的传递函数模型；
[0009] 步骤B，采用温度误差和温度误差的变化率作为模糊输入变量，采用模糊PID自 适应控制方法得到控制加热与冷却模块的供电电压，并自动调整PID调节器的三个参数， 进行实时优化，通过所述供电电压与步骤A得到的加热与冷却模块的模型得到模糊自适应 PID控制的理论温度值。
[0010] 步骤C，采用卡尔曼滤波算法对模糊自适应PID控制的理论温度值与热电偶所测 得温度值进行数据融合，获取准确温度值；
[0011] 步骤D，根据预先设定的温度值和步骤C中获得的融合后温度值控制恒温控制器 工作。
[0012] 进一步的，所述步骤B具体包括如下步骤：
[0013] 步骤B-1，确定模糊控制器的输入变量温度误差e (t) = rin (t) Iciut (t)，其中rin为 温度输入值，7_为经步骤C得到的温度输出值，温度误差的变化率e。通过温度误差积分得 到，输出变量为控制加热冷却模块的供电电压U，输出的供电电压由下式表示：
[0014]
[0015] 步骤B-2,根据模糊控制规则进行推理；
[0016] 步骤B-3,根据不同的误差e及误差变化率e。对恒温控制器模型的PID三个参数 kP，1^及kd进行实时优化，三个参数优化公式如下：
[0017] kp= f ! (I e I，I ec I)，Ic1 = f 2 (I e I，I ec I)，kd= f 3 (I e I，I ec I)。
[0018] 进一步的，所述步骤D中控制恒温控制器工作过程包括：
[0019] 当融合后温度值〈预先设定的温度值时，驱动加热模块进行加热，当融合后温度 值〉预先设定的温度值时驱动降温模块进行降温，直至反应炉中的温度值无限接近设定值。
[0020] 基于模糊自适应PID控制的高精度恒温控制器，包括：主控芯片、温度数据采集模 块、加热与冷却模块、输入与显示模块；所述温度数据采集模块用于将采集到的温度值传输 至主控芯片；所述主控芯片用于采用模糊PID自适应控制方法得到控制加热与冷却模块的 供电电压，并自动调整PID调节器的三个参数，进行实时优化，通过所述供电电压与加热与 冷却模块的模型得到模糊自适应PID控制的理论温度值；并采用卡尔曼滤波算法对模糊自 适应PID控制的理论温度值与温度数据采集模块所测得温度值进行数据融合，获取准确温 度值；根据预先设定的温度值和融合后温度值控制恒温控制器工作；所述输入与显示模块 用于输入参数、显示融合后温度值。
[0021] 进一步的，所述加热与冷却模块包括辐射管和通风机。
[0022] 与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
[0023] 本发明将模糊自适应PID控制的理论温度值与热电偶所测量的温度值经过卡尔 曼滤波算法进行数据融合，并驱动加热与冷却模块实现温度的精准控制，确保了恒温控制 器的高度可靠性，有利于产生正常的化学反应，提供更为可靠的科学实验依据。本恒温控制 器控制效果非常精确，误差率仅为〇. 02%。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明提供的恒温控制器结构示意图；
[0025] 图2为恒温控制器中模糊PID自适应控制原理图。
【具体实施方式】
[0026] 以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体 实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
[0027] 本发明基于如图1所示的恒温控制器实现，系统采用模块化设计，由 STM32F103VET6主控芯片、温度数据采集模块、加热与冷却模块、输入与显示模块4部分组 成。其中，温度数据采集模块采用热电偶温度传感器来测量加热炉中的炉温，加热与冷却模 块由6根细小、高精度、加热功率可调的辐射管实现加热功能，辐射管的材质为氧化铝；由 变频电机通风机实现冷却功能，其额定转速为2300 (r/min)。STM32F103VET6主控芯片中集 成有本发明需要的运算控制方法，主控芯片应具备RS485通讯等常规通讯接口。输入与显 示模块中包括用来显示温度的显示器、以及用于输入控制参数的输入单元，控制模块可采 用键盘操作，也可以采用触摸显示器集成人机交互功能。控制信号由主控芯片发出，通过光 电隔离，驱动固态继电器，控制加热与冷却模块来调节反应炉中的温度。主控芯片根据温度 实际值与设定值的偏差，由模糊PID与自适应算法经卡尔曼滤波得出融合后温度值，根据 预先设定的温度值和融合后温度值控制恒温控制器工作。
[0028] 本发明控制方法包括以下步骤：
[0029] 步骤A，确定加热与冷却模块的数学模型，为模糊PID控制提供对象。先对加热与 冷却模块的一端施加阶跃控制信号，并测取其阶跃响应，再由其响应曲线确定加热与冷却 模块的传递函数模型。本发明采用辐射管进行加热，在可控气氛的各种热处理炉中，为了避 免燃料燃烧产物与工件的接触，或是为了避免炉气对电热元件的侵蚀，将燃料燃烧或电能 转变的过程放在耐热钢管中进行，让热量通过管壁辐射给工件。给定阶跃信号250°C，用热 电偶来测量辐射管的温度值，每分钟测量一次，测得的温度值如下表1所示。
[0030]
[0031] 表1每分钟温度米样值一览表[0032] 根据Cohn-Coon公式得到如下参数公式：
[0033]
[0034]
[0035]
[0036] 其中，ΔΜ为系统阶跃输入；AC为系统的输出响应，ta2S是对象飞升曲线为 0. 28 Δ C时的时间（分），ta 623是温度达到稳态值时的时间。 h-(,
[0037] 分别求出以上参数k、Τ、τ，确定恒温控制器的模型为：<3(4: = ^^：-·Γ。 7,v +1
[0038] 步骤Β，采用模糊PID自适应控制方法得到控制对象加热与冷却模块的控制参数， 并自动调整PID调节器的三个参数，进行实时优化。模糊PID自适应控制方法模型图如图 2所示。
[0039] 步骤Β-1，首先确定模糊控制器的输入、输出变量，模糊控制器采用3个模糊变量： ①温度误差e，②温度误差的变化率e。，③控制加热冷却模块的供电电压U。其中，温度误差 通过控制界面输入的温度输入值（图2中r in)和最终得到的温度输出值（图2中yciut)相 减得出，即e(t) =rin(t)-yciut(t);温度误差的变化率如图2所示，通过温度误差积分得到； 而输出的供电电压由下式表示：
[00