摘 要：在周?chē)h(huán)境溫度不同的情況下，通過(guò)實(shí)驗的方法得出了3個(gè)恒溫箱的數學(xué)模型。針對恒溫箱這個(gè)時(shí)變的系統，建立了一個(gè)可以對恒溫箱實(shí)現高精度控制的控制算法數學(xué)模型，并應用在所建立的3個(gè)恒溫箱模型中。該控制器不僅保持了常規PID控制器的優(yōu)點(diǎn)，而且具有很強的魯棒性和適應性。仿真結果表明系統可以達到很好的動(dòng)靜態(tài)性能指標。
 關(guān)鍵詞：恒溫箱溫度控制 模糊 PID 控制
 引言
 目前常用的恒溫箱可分為3類(lèi):高溫恒溫箱,箱溫大于60℃；中溫恒溫箱,箱溫在-10～60℃；低溫恒溫箱，箱溫小于-10℃。本人自己研制了一新型的恒溫箱系統，要求恒溫箱內溫度能精確控制在25℃。由于外界環(huán)境的溫度可比25℃高也可低，因此恒溫箱具有制冷系統和加熱系統，所設計恒溫箱系統由恒溫箱箱體、齒輪泵、壓縮機系統、電加熱管、油管以及控制器等組成。溫度控制系統在箱體外部對流經(jīng)油管的變壓器油控溫，經(jīng)過(guò)控溫的變壓器油重新流回恒溫箱的箱體內。因為恒溫箱在冬天和夏天，所處的環(huán)境溫度不同，所以恒溫箱的溫度模型也是不同的，也可以說(shuō)恒溫箱是個(gè)時(shí)變的系統。通過(guò)實(shí)驗測試的方法測量出恒溫箱在外界環(huán)境溫度為8℃，15℃和35℃時(shí)系統在電加熱情況下的模型分別為

本文就是要針對所建立的數學(xué)模型設計一個(gè)可以對恒溫箱實(shí)現高精度控制的控制算法。
1 模糊PID 控制原理
模糊理論是在美國柏克萊加州大學(xué)電氣工程系Lotfi. A. Zadeh 教授于1965 年創(chuàng )立的模糊集合理論的數學(xué)基礎上發(fā)展起來(lái)的，他提出了能夠表征人類(lèi)思維中模糊概念的方式——隸屬度函數，發(fā)表了題為“Fuzzy Set"的論文[1]。模糊控制器FC (fuzzy controller)也稱(chēng)為模糊邏輯控制器FLC (fuzzy logic controller)[2~4]。模糊PID 控制器是一種在常規PID 調節器的基礎上，應用模糊集合理論根據控制偏差、偏差絕對值，在線(xiàn)自動(dòng)整定比例系數、積分系數和微分系數的模糊控制器。模糊邏輯控制器動(dòng)態(tài)性能抗擾性和PID 控制器穩態(tài)精度高，取兩者的優(yōu)點(diǎn)就構成模糊PID 控制器。其控制器不僅保持了常規PID控制器的優(yōu)點(diǎn)，而且具有很強的魯棒性和適應性。自適應模糊PID 控制器以偏差e 和偏差變化率ec 作為輸入，可以滿(mǎn)足不同時(shí)刻偏差e 和偏差變化率ec 對PID 參數自整定的要求。利用模糊控制規則在線(xiàn)對PID 參數進(jìn)行修改，便構成了自適應模糊PID 控制器，其結構如圖1 所示。

圖1 自適應模糊PID控制器

PID 參數自整定的實(shí)現思想是先找出PID 的3 個(gè)參數與偏差e 和偏差變化率ec 之間的模糊關(guān)系，在運行中通過(guò)不斷檢測偏差e 和偏差變化率ec ，再根據模糊控制原理來(lái)對3 個(gè)參數進(jìn)行在線(xiàn)修改，以滿(mǎn)足不同e 和ec 對控制參數的不同要求，而使被控對象有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。
2 模糊PID 設計
2.1 控制器結構設計
此處的模糊PID 控制器采用恒溫箱內的溫度偏差e 和偏差變化率ec 作為輸入變量[5]，以 ΔKp 、 ΔKi 和 ΔKd作為輸出。模糊集E 及模糊集EC 均取為，論域為[-3，3]；模糊輸出 ΔKp 取為，論域為[-0.3，0.3]； ΔKi 取為，論域為[-0.6，0.6]；ΔKd 取為，論域為[-3，3]；E 、EC 、 ΔKp 、 ΔKi 和 ΔKd 的隸屬函數曲線(xiàn)分別如圖2 所示。

圖2 隸屬函數2.2 控制規則
    PID 參數的整定必須考慮到在不同時(shí)刻3 個(gè)參數的作用以及相互的互聯(lián)關(guān)系。根據 Kp 、 Ki 和 Kd 對系統輸出特性的影響情況，可歸納出在一般情況下，在不同的|e|和|ec|時(shí)，被控過(guò)程對參數 Kp , Ki 和 Kd 的自整定要求如下：

① 當 |e| 較大時(shí)，為加快系統響應速度并防止起始偏差e 瞬間變大，可能引起微分過(guò)飽和，而使控制作用超出許可范圍，應取較大的 Kp 和較小的 Kd ，同時(shí)為避免系統因積分飽和所引起的較大超調，應對積分作用加以限制，通常取Ki =0 ；

② 當 |e| 和|ec| 為中等大小時(shí)，為使系統響應的超調減小，并保證系統的響應速度， Kp 、 Ki 、 Kd 的值的大小適中；

③ 當 |e| 較小時(shí)，為使系統具有良好的穩態(tài)性能，應增加 Kd 和 Ki 的值，同時(shí)為了避免系統在設定值附近振蕩，并考慮系統的干擾性能，應適當地選取 Kd 的值，其原則是：當|ec| 較小時(shí)， Kd 可取的大些，通常取為中等大??；當|ec| 較大時(shí)， Kd 應取小些。

根據以上經(jīng)驗，本文所采用的模糊控制規則表如表1所示。

表1 模糊控制規則表

2.3 泄漏檢測流程
在本控制器中采用如下的推理形式：
R1 ：如果e 是 A1 ， ec 是 B1 ，則 Kp 是 CP1 ， KI 是 CI1 ， KD 是CD1
本控制器中，模糊推理采用最大最小合成法，模糊量的清晰法采用最大隸屬度方法，該方法是選擇模糊子集中隸屬度最大的元素稱(chēng)為控制量。若對應的模糊決策的模糊集為c ，則決策(所確定的精量確量) u? 應滿(mǎn)足
   

得出 PID 的各個(gè)調整參數后,就可以實(shí)現模糊PID 的參數調整算式如下：

式中： KPO 、 KIO 、 KD0 為初始值； ΔKP 、 ΔKI 和 ΔKD 為經(jīng)模糊推理后得到的PID的調整參數值。
3 控制算法仿真研究
按照上面所介紹的模糊PID，將此方面控制到上面所采用的3 個(gè)模型，這時(shí)PID 的3 個(gè)參數的初始值分別取為 KP0 =0.9、 KI0 =0.000 85、 KD0 =1.0。此時(shí)的仿真曲線(xiàn)如圖3 所示。

對于不同模型的控制性能指標如表2 所示。

表2 系統性能指標
從圖中可以看出，模糊PID 控制的控制效果很明顯。其結合了傳統的PID 控制的性能穩定，可以消除穩態(tài)誤差的特點(diǎn)。同時(shí)，也具有模糊控制的不依賴(lài)于數學(xué)模型，動(dòng)態(tài)性能好的特點(diǎn)。從表2 可以看出控制系統在時(shí)間1 200 s 就已經(jīng)進(jìn)入了穩定狀態(tài)。其系統穩態(tài)誤差為0.001，滿(mǎn)足系統要求的在時(shí)間1800s 時(shí)，系統的穩態(tài)誤差為0.002 的要求。從這３個(gè)模型的仿真的可以看出模糊PID 控制對于時(shí)變的、純滯后的、非線(xiàn)性的一階大慣性的系統可以取得很好的效果。
4 結束語(yǔ)
通過(guò)仿真實(shí)驗可以看出，所設計的模糊PID 控制對于所建立的3 個(gè)數學(xué)模型都可以達到很高的動(dòng)靜態(tài)性能指標，所設計的模糊控制器對于所研制的恒溫箱可以達到高精度的控制。