基于单片机的模糊pid温度控制系统设计

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1、基于单片机的模糊PID温度控制系统设计摘要：温度控制在热处理工艺过程中，是一个非常重要的环节，控制精度直接影响着产品质量的好坏。本文研究的电炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，传统的加热炉控制系统大多建立在一定的模型基础上，难以保证加热工艺要求。因此本文将模糊控制算法引入传统的加热炉控制系统构成智能模糊控制系统。本文提出的基于模糊的自整定PID控制算法的控制系统具有真正的智能化和灵活性，有自动检测、数据实时采集、处理及控制结果显示等功能，对提高电炉温度的控制精度具有较好的意义。关键词：电炉；单片机；模糊PID17第1章绪论1.1引言

2、电炉是热处理生产中应用最广的加热设备，通过布置在炉内的电热元件将电能转化为热能，借助辐射与对流的传热方式加热工件。通常可用以下模型定性描述式中X—电炉内温升（指炉内温度与室温温差）K—放大系数t—加热时间T—时间系数V—控制电压To—纯滞后时间但在实际热力过程中，由于被加热金属的导热率、装入量以及加热温度等因素的不同，直接影响着K、T、to等参数的变化，因此电炉本身具有很大的不确定性。温度控制在热处理工艺过程中，是一个非常重要的环节。控制精度直接影响着产品质量的好坏，根据不同的目的，将材料及其制件加热到适宜的温度。1.2控制器发

3、展现状1.2.1PID控制器的发展现状在过去的50年，调节PID控制器参数的方法获得了极大的发展。其中有利用开互不干涉内政阶跃响应信息，如Coon—17Cohen响应曲线法；还有使用Nyquist曲线法的，如连续响应法，然而这些调节方法只识别了系统动态信息的一小部分，不能理想的调节参数。随着计算机技术的发展，人们利用人工智能的方法将操作人员的调整经验作为知识存入计算机中，根据现场实际情况，计算机能自动调整PID参数。这样能实现自动调整、短的整定时间、简便的操作，改善响应特性而推动了自整定PID控制技术的发展。自整定技术可追溯到5

4、0年代自适应控制处于萌芽时期，60年代国外有人设计了一种自动调节式的过程控制器，因其价格高、体积大、可靠性差而未能商品化。80年代由于适用的控制理论的完善以及高性能微机的使用，才使得自整定控制器得以开发，PID控制器参数的自动整定技术设想已慢慢实现。电炉温度控制技术发展日新月异，从模拟PID、数字PID到最优控制、自适应控制，再发展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善，在现有的电加热炉温度控制方案中，PID控制和模糊控制应用最多，也最具代表性。1.2.2模糊PID控制模糊控制的概念是由美国加利福尼亚大学著名教授L．A．Za

5、den首先提出的，经过20多年的发展，模糊控制取得了瞩目的成就。模糊控制适用于非线性、数学模型不确定的控制对象，对被控对象的时滞非线性和时变性具有一定的适应能力，同时对噪声也有较强的抑制作用，即鲁棒性较好。但模糊控制器本身消除系统误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度。而PID控制正好可以弥补其不足，近年来已有不少将模糊技术与传统技术结合起来设计模糊逻辑控制的先例，在文献中介绍了多种能提高PID控制精度的模糊PID混乱合控制方案，例如：引入积分因子的模糊PID控制器；混乱合型模糊PID控制器；另外将其与其它先进控制技术结合又腻

6、味模糊自适应PID控制、神经网络模糊PID控制等。1.2.3模糊自整定PID控制17模糊自整定PID控制是在一般PID控制系统的基础，加上一个模糊控制规则环节，利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改的一种自适应控制系统。它以误差e和误差变化ec作为输入，可以满足不同时刻的e和ec对参数自整定的要求。它将模糊控制和PID控制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活适应性强，调节速度快的优点，又具有PID控制无静差、稳定性好、精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。1.3电炉采用模糊自整定PID控制的可

7、行性在工业生产过程中，电炉随着负荷变化或干扰因素的影响，其对象特性或结构发生改变。电炉温控具有升温单向性、大时滞和时变的特点，如升温靠电阻丝加热，降温依靠自然冷却，温度超调后调整慢，因此用传统的控制方法难以得到更好的控制效果。另外对于PID控制，若条件稍有变化，则控制参数也需调整。自适应控制运用现代控制理论在线辩识对象特征参数，实时改变其控制策略，使控制系统指标保持在最佳范围内。但由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量以及廉价指标不易定量表示，而模糊理论正是解决这一问题的有效途径。人们运用模糊数学的基本理论和方法，把规

8、则的条件操作用模糊集表示并把这些模糊控制规则及有关信息（如评价指标、初始PID参数等）作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况运用模糊推理，实现自动对PID参数的最佳调整。从以上的分析可知模糊自整定PID控制应用在具有明显的纯滞后、非线性