基于Fuzzy-PID的陀螺儀溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) [日期：2005-7-4] 來(lái)源：今日電子 作者：上海海事大學(xué)應(yīng)用電子研究所 孫崗 曾連蓀 姚 楠 [字體：?jiǎn)纹瑱C(jī)作為溫度控制系統(tǒng)的核心部件，采用模糊PID算法以及其他的軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一套溫度采集和控制的設(shè)計(jì)方案。
關(guān)鍵詞：溫度控制；Fuzzy-PID；陀螺儀 引言
---在艦船中，陀螺儀是關(guān)鍵的部件，陀螺球體與陀螺殼體之間的空間內(nèi)充滿懸浮液體。陀螺球體質(zhì)量和懸浮液體比重的選擇，應(yīng)確保在懸浮液體加熱到工作溫度以后，陀螺球體可以擁有中性浮力。所以溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)保證加熱和保持充入陀螺部件的液體的常值工作溫度為70±0.2℃，因?yàn)樵谶@個(gè)溫度上陀螺球體具有中性浮力。
---傳統(tǒng)控制方法(包括經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制)在處理具有非線形或不精確特性的被控對(duì)象時(shí)十分困難。而溫度系統(tǒng)為大滯后系統(tǒng)，較大的純滯后可引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。大量的應(yīng)用實(shí)踐表明，采用傳統(tǒng)的PID控制穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性較好，但難以得到滿意的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。模糊控制的優(yōu)點(diǎn)是能夠得到較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，并且無(wú)需知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，適應(yīng)性強(qiáng)，上升時(shí)間快，魯棒性好。但模糊控制也存在固有的缺點(diǎn)，容易受模糊規(guī)則有限等級(jí)的限制而引起誤差。本設(shè)計(jì)中采用AT89C52作為控制內(nèi)核，并采用了Fuzzy-PID復(fù)合控制。彌補(bǔ)了單純采用PID算法的不足。對(duì)PID參數(shù)的模糊自適應(yīng)整定進(jìn)一步完善了PID控制的自適應(yīng)性能，在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果。

溫度控制系統(tǒng)的工作原理
---陀螺儀溫度控制系統(tǒng)主要由溫度傳感器、AT89C52單片機(jī)、A/D信號(hào)采集模塊、可控硅輸出控制及其他一些外圍電路組成。系統(tǒng)的被控對(duì)象是陀螺部件內(nèi)的液體溫度，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是可控硅觸發(fā)電路。工作溫度借助電橋測(cè)量。電橋的三個(gè)臂是配置在控制系統(tǒng)內(nèi)的電阻，第四個(gè)臂是陀螺部件加熱溫度傳感器的電阻。來(lái)自電橋的信號(hào)值通過(guò)高精度集成運(yùn)放OP07進(jìn)行差動(dòng)放大、濾波，然后再送給A/D采樣。根據(jù)測(cè)量的電流端和電壓端原理，電橋電壓信號(hào)的采集采用三線制接法，如圖1所示。這是一種最實(shí)用又能較精確測(cè)溫的方式，R4、R5和R6為連線和接觸電阻。由于采用上述三線制接法，調(diào)整R1即可使包括R5在內(nèi)的電橋平衡，而R4可通過(guò)R6抵消，因此工業(yè)上常用這種接法進(jìn)行精密溫度測(cè)量�？刂撇糠植捎肍uzzy-PID的復(fù)合控制使單片機(jī)輸出PWM脈沖，進(jìn)而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出到陀螺加熱器的電流量，實(shí)現(xiàn)陀螺加熱器的溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。由于采用了模糊自適應(yīng)PID控制算法，系統(tǒng)就可以在沒有操作者干預(yù)的情況下根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)整，改變PWM輸出波形的占空比，合理地控制輸出，使陀螺加熱器的工作溫度保持恒定，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，這也是設(shè)計(jì)該溫控制系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
---根據(jù)陀螺儀模糊控制系統(tǒng)的要求可知，加熱器工作時(shí)產(chǎn)生熱量，使陀螺部件內(nèi)液體溫度升高，進(jìn)而使溫度傳感器的阻值增大(對(duì)于正溫度系數(shù)熱敏電阻)，則溫度檢測(cè)電路把溫度變化信號(hào)送回輸入端和給定的溫度進(jìn)行比較，再產(chǎn)生偏差、偏差變化率信號(hào)，經(jīng)模糊控制器進(jìn)行推理從而產(chǎn)生控制加熱器的信號(hào)，對(duì)加熱器進(jìn)行控制。Fuzzy-PID溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)主要由被控對(duì)象、溫度傳感器檢測(cè)回路、Fuzzy-PID控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。
● 數(shù)字PID控制設(shè)計(jì)
---利用脈沖響應(yīng)法測(cè)量被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后。

---其中，K為對(duì)象放大系數(shù)，K=300℃/100V；τ為純滯后時(shí)間，τ=50s；T為對(duì)象時(shí)間常數(shù)，T=200s。
---單片機(jī)控制是一種采樣控制，系統(tǒng)采用的增量式數(shù)字PID控制算法為：
---Δu(n)=U(n)-U(n-1)=a0e(n)-a1e(n-1)+a2e(n-2)
---a0=kp(1+T/T1+TD/T)
---a1=kp(1+2TD/T)
---a2=kpTD/T
---式中，T為采樣周期。參照響應(yīng)曲線選擇，最后結(jié)合實(shí)驗(yàn)確定為采樣周期。利用控制軟件實(shí)現(xiàn)增量式控制算法，并輸出控制量。由于該控制算法不需要累加，控制增量?jī)H與最近的n次采樣有關(guān)，所以誤動(dòng)作時(shí)影響小，而且較容易通過(guò)加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。這也是系統(tǒng)采用此增量式PID控制算法，作為模糊PID控制器中PID調(diào)節(jié)器部分算法的主要理由。
● 模糊PID控制器設(shè)計(jì)
---首先根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的理論和方法，將操