CN103246299B - 一种采用模糊运算与pid控制相结合的温控*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用模糊运算与PID控制相结合的温控***，其中温度传感器采集温控箱的温度变量数据，将采集到的温度变量数据输出送入模糊控制器；模糊控制器接收所述温度传感器送来的温度变量数据，根据温度变量数据输入偏差和偏差变化率，建立PID控制器输入调整参数与温度变量数据输入偏差和偏差变化率的模糊关系，通过模糊运算实现在线模糊推理得到不同阶段PID控制器的输出权重，实现PID控制器的分段控制；PID控制器在模糊控制器的控制下实现对温度控制执行装置的控制，由温度控制执行装置对温控箱实现加热或降温控制。本发明实现对温控箱温度的快速、精确控制，温控***的响应速度快、稳定性高。
Description
技术领域
本发明涉及温度控制领域，特别涉及一种采用模糊运算与PID控制相结合的温控***。
背景技术
随着电子集成模块的快速发展，各种电子集成模块在各个领域得到了广泛的应用，各个电子集成模块的温度控制成为了影响整个***精度、可靠性和稳定性的关键因素，因此各电子集成模块的温度控制就显得尤为重要。由于温度控制对象大多具有时变性、大滯后等特性，采用常规的PID控制很难做到各参数的优化组合，会严重影响***的特性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种经济、有效、稳定的采用模糊运算与PID控制相结合的温控***。该温控***响应速度快，可实现对温控箱温度的快速、精确控制。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为：
一种采用模糊运算与PID控制相结合的温控***，包括模糊控制器、PID控制器、温度控制执行装置、温控箱和温度传感器，所述温度传感器用于采集温控箱的温度变量数据，将采集到的温度变量数据输出送入所述模糊控制器；所述模糊控制器接收所述温度传感器送来的温度变量数据，根据温度变量数据输入偏差和偏差变化率，建立PID控制器输入调整参数与温度变量数据输入偏差和偏差变化率的模糊关系，通过模糊运算实现在线模糊推理得到不同阶段PID控制器的输出权重，实现PID控制器的分段控制；所述PID控制器在所述模糊控制器的控制下实现对温度控制执行装置的控制，由温度控制执行装置对温控箱实现加热或降温控制。
优选的，所述温度控制执行装置具有命令寄存功能，当所述温度控制器发生故障的时候，温度控制执行装置根据寄存的控制命令执行加热或降温的温度控制操作。
所述模糊控制器的输出量和PID控制器的输出量共同作用于所述温度控制执行装置。
所述温度控制执行装置为半导体加热制冷器。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的采用模糊运算与PID控制相结合的温控***实现了一种经济、有效而且稳定的温控方案，能够在较低的功耗下实现快速的温度变化控制。采用半导体加热制冷器作为小型温控箱的加热与制冷执行元件；采用温度传感器反馈温度信号，利用模糊运算来实现在线推理，实现对温控箱温度的快速、精确控制，温控***的响应速度快，提高了温控***的稳定性。
附图说明：
图1是本发明实施例中***结构示意图。
图2是本发明实施例中PID控制方框图。
图3是本发明实施例中的模糊控制规则表。
图4是本发明实施例中模糊指令执行流程图。
图5是本发明实施例中温度读取控制流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
参看图1，本发明的一种采用模糊运算与PID控制相结合的温控***，包括模糊控制器、PID控制器、温度控制执行装置、温控箱和温度传感器，所述温度传感器用于采集温控箱的温度变量数据，将采集到的温度变量数据输出送入所述模糊控制器；所述模糊控制器接收所述温度传感器送来的温度变量数据，根据温度变量数据输入偏差和偏差变化率，建立PID控制器输入调整参数与温度变量数据输入偏差和偏差变化率的模糊关系，通过模糊运算实现在线模糊推理得到不同阶段PID控制器的输出权重，实现PID控制器的分段控制；所述PID控制器在所述模糊控制器的控制下实现对温度控制执行装置的控制，由温度控制执行装置对温控箱实现加热或降温控制。
优选的，所述温度控制执行装置具有命令寄存功能，当所述温度控制器发生故障的时候，温度控制执行装置根据寄存的控制命令执行加热或降温的温度控制操作。所述模糊控制器的输出量和PID控制器的输出量共同作用于所述温度控制执行装置。所述温度控制执行装置为半导体加热制冷器。具体是型号为TEC1－7108T125的半导体加热制冷器，这种加热制冷器最大温差电流8A，最大温差67℃，最大工作电压8.6V，最大制冷功率38.5W。所述温度传感器采用DS18B20温度传感器。
本发明采用模糊运算与PID控制相结合的温控***，该***兼顾了模糊控制与PID控制两种策略的优点，有效的改善了***的温度控制，提高了***的稳定性和可靠性。下面具体说明本发明。
本发明中模糊控制器以Freescal公司的16位的MC9S12DG128单片机为核心。该MC9S12DG128单片机内部集成有8路的16位A/D转换器和8路独立的PWM控制器，可以有效地简化***的硬件结构并且易于扩展，并支持模糊指令，可以方便地实现模糊运算程序。模糊控制器由两个输入和一个输出变量组成，输入变量分别是温度的偏差E和偏差变化率ΔE，偏差E取值为NB、NS、O、PS、PB，偏差变化率ΔE取值为NB、NS、O、PS、PB，输出变量为PID控制器的输出权重U，它的取值为O、PS、PM、PB。PID输出权重U的模糊规则表见图3。
本发明在模糊控制的具体实现过程中，没有采用常用的离线推理方法，而是利用MC9S12DG128单片机所特有的模糊指令来实现在线推理，计算流程如图4所示。所述模糊指令主要包括MEN、REV、REVN和WAV4条指令，其具体用法如下：
MEN指令是单个隶属度函数计算的核心指令，由它将输入变量变成模糊输入。每个隶属度函数的数据结构必须用4个字节无符号娄的数据结构来描述。通过MEN指令调用就可以完成输入量的模糊化处理。REV指令是规则推理的核心指令，由他根据模糊输入确定模糊输出。WAV指令是解模糊阶段的核心指令，使用重心法与EDIV指令配合完成模糊输出到控制输出的变化。
在本***中根据温度的输入偏差和偏差变化率的关系，通过模糊推理得到不同阶段PID输出的权重，实现PID的分段控制，以便使其能更好地适应被控制对象动态变化的要求，控制方框图如图2所示。其中PID控制器通过DAC输出控制信号，控制半导体加热制冷器的执行机构。
对于PID控制器本发明采用了常用的增量式PID算法。设定模糊控制器的输出为u，PID的输出为f，那么整个温度控制的输出为uf，该输出量uf共同作用于所述温度控制执行装置。这样就可以基本实现温度控制信号输出的分段控制。采用这种增量式PID控制算法只需要计算增量，当存在计算误差或者精度不足时，对控制量计算的影响较小。
由MC9S12DG128单片机构成的模糊控制器控制读取温度数据的控制子程序如图5所示，模糊控制器连接DS18B20温度传感器单一总线上各个芯片的DQ端口，实现对温度传感器的读写控制。
具体的，CCH SKIP ROM跳过存储器命令：主器件单片机可以使用跳过存储器命令来呼叫总线上所有器件，而不必通过发送每个从器件的存储器代码逐个呼叫。
OxBE读暂存寄存器命令：单片机可以读取暂存寄存器中的内容。数据发送以暂存器字节0的最低位开始，一直到第9字节。任何时候只要单片机想读暂存寄存器中的数据，就先发送复位命令，再使用读暂存寄存器命令。
44H温度转换命令：温度转化命令初始化一次温度转换，转换完成后，结果被保存在两字节温度寄存器中，然后温度传感器进入到低电压零状态。
以上程序反复运行，就可以通过DS18B20温度传感器实时对温度进行读取。
优选的，所述模糊控制器还具有数据通信功能，通过串口与计算机连接，可以用于给MC9S12DG128下载控制程序，同时可以在计算机电脑上实时显示目标温度和实际温度等参数。
本发明设计和实现了一种利用半导体加热制冷器，基于MC9S12DG128的小型温控***，能够在较低的功耗下实现快速温度变化控制。通过做全功率加速和制冷的实验，得到了最大加热温度可到90℃，而最大制冷温度能到约-10℃。***控制温差范围约100℃，稳定后的温度波动为±0.1℃之内。
上面结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施方式，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可以作出各种修改或改型。
Claims (2)
1.一种采用模糊运算与PID控制相结合的温控***，包括模糊控制器、PID控制器、温度控制执行装置、温控箱和温度传感器，其特征在于，
所述温度传感器用于采集温控箱的温度变量数据，将采集到的温度变量数据输出送入所述模糊控制器；
所述模糊控制器接收所述温度传感器送来的温度变量数据，根据温度变量数据输入偏差和偏差变化率，建立PID控制器输入调整参数与温度变量数据输入偏差和偏差变化率的模糊关系，通过模糊运算实现在线模糊推理得到不同阶段PID控制器的输出权重，实现PID控制器的分段控制；
所述PID控制器在所述模糊控制器的控制下实现对温度控制执行装置的控制，由温度控制执行装置对温控箱实现加热或降温控制;
其中，所述温度控制执行装置具有命令寄存功能，当所述温度控制器发生故障的时候，温度控制执行装置根据寄存的控制命令执行加热或降温的温度控制操作；
所述模糊控制器的输出量和PID控制器的输出量共同作用于所述温度控制执行装置。
2.根据权利要求1所述的采用模糊运算与PID控制相结合的温控***，其特征在于，所述温度控制执行装置为半导体加热制冷器。
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