專利名稱：一種采用模糊運算與pid控制相結(jié)合的溫控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及溫度控制領(lǐng)域，特別涉及一種采用模糊運算與PID控制相結(jié)合的溫控系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著電子集成模塊的快速發(fā)展，各種電子集成模塊在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，各個電子集成模塊的溫度控制成為了影響整個系統(tǒng)精度、可靠性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，因此各電子集成模塊的溫度控制就顯得尤為重要。由于溫度控制對象大多具有時變性、大滯后等特性，采用常規(guī)的PID控制很難做到各參數(shù)的優(yōu)化組合，會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在 于克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的上述不足，提供一種經(jīng)濟(jì)、有效、穩(wěn)定的采用模糊運算與PID控制相結(jié)合的溫控系統(tǒng)。該溫控系統(tǒng)響應(yīng)速度快，可實現(xiàn)對溫控箱溫度的快速、精確控制。為了解決上述問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
一種采用模糊運算與PID控制相結(jié)合的溫控系統(tǒng)，包括模糊控制器、PID控制器、溫度控制執(zhí)行裝置、溫控箱和溫度傳感器，所述溫度傳感器用于采集溫控箱的溫度變量數(shù)據(jù)，將采集到的溫度變量數(shù)據(jù)輸出送入所述模糊控制器；所述模糊控制器接收所述溫度傳感器送來的溫度變量數(shù)據(jù)，根據(jù)溫度變量數(shù)據(jù)輸入偏差和偏差變化率，建立PID控制器輸入調(diào)整參數(shù)與溫度變量數(shù)據(jù)輸入偏差和偏差變化率的模糊關(guān)系，通過模糊運算實現(xiàn)在線模糊推理得到不同階段PID控制器的輸出權(quán)重，實現(xiàn)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實現(xiàn)對溫度控制執(zhí)行裝置的控制，由溫度控制執(zhí)行裝置對溫控箱實現(xiàn)加熱或降溫控制。優(yōu)選的，所述溫度控制執(zhí)行裝置具有命令寄存功能，當(dāng)所述溫度控制器發(fā)生故障的時候，溫度控制執(zhí)行裝置根據(jù)寄存的控制命令執(zhí)行加熱或降溫的溫度控制操作。所述模糊控制器的輸出量和PID控制器的輸出量共同作用于所述溫度控制執(zhí)行
>J-U ρ α裝直。所述溫度控制執(zhí)行裝置為半導(dǎo)體加熱制冷器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果:
本發(fā)明的采用模糊運算與PID控制相結(jié)合的溫控系統(tǒng)實現(xiàn)了一種經(jīng)濟(jì)、有效而且穩(wěn)定的溫控方案，能夠在較低的功耗下實現(xiàn)快速的溫度變化控制。采用半導(dǎo)體加熱制冷器作為小型溫控箱的加熱與制冷執(zhí)行元件；采用溫度傳感器反饋溫度信號，利用模糊運算來實現(xiàn)在線推理，實現(xiàn)對溫控箱溫度的快速、精確控制，溫控系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，提高了溫控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。


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圖1是本發(fā)明實施例中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明實施例中PID控制方框圖。圖3是本發(fā)明實施例中的模糊控制規(guī)則表。圖4是本發(fā)明實施例中模糊指令執(zhí)行流程圖。圖5是本發(fā)明實施例中溫度讀取控制流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實施例，凡基于本發(fā)明內(nèi)容所實現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。參看圖1，本發(fā)明的一種采用模糊運算與PID控制相結(jié)合的溫控系統(tǒng)，包括模糊控制器、PID控制器、溫度控制執(zhí)行裝置、溫控箱和溫度傳感器，所述溫度傳感器用于采集溫控箱的溫度變量數(shù)據(jù)，將采集到的溫度變量數(shù)據(jù)輸出送入所述模糊控制器；所述模糊控制器接收所述溫度傳感器送來的溫度變量數(shù)據(jù)，根據(jù)溫度變量數(shù)據(jù)輸入偏差和偏差變化率，建立PID控制器輸入調(diào)整參數(shù)與溫度變量數(shù)據(jù)輸入偏差和偏差變化率的模糊關(guān)系，通過模糊運算實現(xiàn)在線模糊推理得到不同階段PID控制器的輸出權(quán)重，實現(xiàn)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實現(xiàn)對溫度控制執(zhí)行裝置的控制，由溫度控制執(zhí)行裝置對溫控箱實現(xiàn)加熱或降溫控制。優(yōu)選的，所述溫度控制執(zhí)行裝置具有命令寄存功能，當(dāng)所述溫度控制器發(fā)生故障的時候，溫度控制執(zhí)行裝置根據(jù)寄存 的控制命令執(zhí)行加熱或降溫的溫度控制操作。所述模糊控制器的輸出量和PID控制器的輸出量共同作用于所述溫度控制執(zhí)行裝置。所述溫度控制執(zhí)行裝置為半導(dǎo)體加熱制冷器。具體是型號為TECl - 7108T125的半導(dǎo)體加熱制冷器，這種加熱制冷器最大溫差電流8A，最大溫差67°C，最大工作電壓8.6V，最大制冷功率38.5W。所述溫度傳感器采用DS18B20溫度傳感器。本發(fā)明采用模糊運算與PID控制相結(jié)合的溫控系統(tǒng)，該系統(tǒng)兼顧了模糊控制與PID控制兩種策略的優(yōu)點，有效的改善了系統(tǒng)的溫度控制，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。下面具體說明本發(fā)明。本發(fā)明中模糊控制器以Freescal公司的16位的MC9S12DG128單片機為核心。該MC9S12DG128單片機內(nèi)部集成有8路的16位A/D轉(zhuǎn)換器和8路獨立的PWM控制器，可以有效地簡化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)并且易于擴(kuò)展，并支持模糊指令，可以方便地實現(xiàn)模糊運算程序。模糊控制器由兩個輸入和一個輸出變量組成，輸入變量分別是溫度的偏差A(yù)和偏差變化率^ E,偏差E取值為NB、NS、O、PS、PB，偏差變化率Z E取值為NB、NS、O、PS、PB，輸出變量為PID控制器的輸出權(quán)重U，它的取值為O、PS、PM、PB。PID輸出權(quán)重U的模糊規(guī)則表見圖3。本發(fā)明在模糊控制的具體實現(xiàn)過程中，沒有采用常用的離線推理方法，而是利用MC9S12DG128單片機所特有的模糊指令來實現(xiàn)在線推理，計算流程如圖4所示。所述模糊指令主要包括MEN、REV、REVN和WAV4條指令，其具體用法如下:
MEN指令是單個隸屬度函數(shù)計算的核心指令，由它將輸入變量變成模糊輸入。每個隸屬度函數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)必須用4個字節(jié)無符號婁的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述。通過MEN指令調(diào)用就可以完成輸入量的模糊化處理。REV指令是規(guī)則推理的核心指令，由他根據(jù)模糊輸入確定模糊輸出。WAV指令是解模糊階段的核心指令，使用重心法與EDIV指令配合完成模糊輸出到控制輸出的變化。在本系統(tǒng)中根據(jù)溫度的輸入偏差和偏差變化率的關(guān)系，通過模糊推理得到不同階段PID輸出的權(quán)重，實現(xiàn)PID的分段控制，以便使其能更好地適應(yīng)被控制對象動態(tài)變化的要求，控制方框圖如圖2所示。其中PID控制器通過DAC輸出控制信號，控制半導(dǎo)體加熱制冷器的執(zhí)行機構(gòu)。對于PID控制器本發(fā)明采用了常用的增量式PID算法。設(shè)定模糊控制器的輸出為u ,PID的輸出為八那么整個溫度控制的輸出為《/，該輸出量^共同作用于所述溫度控制執(zhí)行裝置。這樣就可以基本實現(xiàn)溫度控制信號輸出的分段控制。采用這種增量式PID控制算法只需要計算增量，當(dāng)存在計算誤差或者精度不足時，對控制量計算的影響較小。由MC9S12DG128單片機構(gòu)成的模糊控制器控制讀取溫度數(shù)據(jù)的控制子程序如圖5所示，模糊控制器連接DS18B20溫度傳感器單一總線上各個芯片的DQ端口，實現(xiàn)對溫度傳感器的讀寫控制。具體的，CCH SKIP ROM跳過存儲器命令:主器件單片機可以使用跳過存儲器命令來呼叫總線上所有器件，而不必通過發(fā)送每個從器件的存儲器代碼逐個呼叫。OxBE讀暫存寄存器命令:單片機可以讀取暫存寄存器中的內(nèi)容。數(shù)據(jù)發(fā)送以暫存器字節(jié)O的最低位開始，一直到第9字節(jié)。任何時候只要單片機想讀暫存寄存器中的數(shù)據(jù)，就先發(fā)送復(fù)位命令，再使用讀暫存寄存器命令。44H溫度轉(zhuǎn)換命令:溫度轉(zhuǎn)化命令初始化一次溫度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后，結(jié)果被保存在兩字節(jié)溫度寄存器中，然后溫度傳感器進(jìn)入到低電壓零狀態(tài)。

以上程序反復(fù)運行，就可以通過DS18B20溫度傳感器實時對溫度進(jìn)行讀取。優(yōu)選的，所述模糊控制器還具有數(shù)據(jù)通信功能，通過串口與計算機連接，可以用于給MC9S12DG128下載控制程序，同時可以在計算機電腦上實時顯示目標(biāo)溫度和實際溫度等參數(shù)。本發(fā)明設(shè)計和實現(xiàn)了一種利用半導(dǎo)體加熱制冷器，基于MC9S12DG128的小型溫控系統(tǒng)，能夠在較低的功耗下實現(xiàn)快速溫度變化控制。通過做全功率加速和制冷的實驗，得到了最大加熱溫度可到90°C，而最大制冷溫度能到約？ -10°C。系統(tǒng)控制溫差范圍約100°C，穩(wěn)定后的溫度波動為±0.1°C之內(nèi)。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
進(jìn)行了詳細(xì)說明，但本發(fā)明并不限制于上述實施方式，在不脫離本申請的權(quán)利要求的精神和范圍情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以作出各種修改或改型。
權(quán)利要求
1.一種采用模糊運算與PID控制相結(jié)合的溫控系統(tǒng)，包括模糊控制器、PID控制器、溫度控制執(zhí)行裝置、溫控箱和溫度傳感器，其特征在于， 所述溫度傳感器用于采集溫控箱的溫度變量數(shù)據(jù)，將采集到的溫度變量數(shù)據(jù)輸出送入所述模糊控制器； 所述模糊控制器接收所述溫度傳感器送來的溫度變量數(shù)據(jù)，根據(jù)溫度變量數(shù)據(jù)輸入偏差和偏差變化率，建立PID控制器輸入調(diào)整參數(shù)與溫度變量數(shù)據(jù)輸入偏差和偏差變化率的模糊關(guān)系，通過模糊運算實現(xiàn)在線模糊推理得到不同階段PID控制器的輸出權(quán)重，實現(xiàn)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實現(xiàn)對溫度控制執(zhí)行裝置的控制，由溫度控制執(zhí)行裝置對溫控箱實現(xiàn)加熱或降溫控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用模糊運算與PID控制相結(jié)合的溫控系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度控制執(zhí)行裝置具有命令寄存功能，當(dāng)所述溫度控制器發(fā)生故障的時候，溫度控制執(zhí)行裝置根據(jù)寄存的控制命令執(zhí)行加熱或降溫的溫度控制操作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用模糊運算與PID控制相結(jié)合的溫控系統(tǒng)，其特征在于，所述模糊控制器的輸出量和PID控制器的輸出量共同作用于所述溫度控制執(zhí)行裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的采用模糊運算與PID控制相結(jié)合的溫控系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度控制執(zhí)行·裝置為半導(dǎo)體加熱制冷器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用模糊運算與PID控制相結(jié)合的溫控系統(tǒng)，其中溫度傳感器采集溫控箱的溫度變量數(shù)據(jù)，將采集到的溫度變量數(shù)據(jù)輸出送入模糊控制器；模糊控制器接收所述溫度傳感器送來的溫度變量數(shù)據(jù)，根據(jù)溫度變量數(shù)據(jù)輸入偏差和偏差變化率，建立PID控制器輸入調(diào)整參數(shù)與溫度變量數(shù)據(jù)輸入偏差和偏差變化率的模糊關(guān)系，通過模糊運算實現(xiàn)在線模糊推理得到不同階段PID控制器的輸出權(quán)重，實現(xiàn)PID控制器的分段控制；PID控制器在模糊控制器的控制下實現(xiàn)對溫度控制執(zhí)行裝置的控制，由溫度控制執(zhí)行裝置對溫控箱實現(xiàn)加熱或降溫控制。本發(fā)明實現(xiàn)對溫控箱溫度的快速、精確控制，溫控系統(tǒng)的響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性高。
文檔編號G05D23/19GK103246299SQ20131019391
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月22日
發(fā)明者吳偉林, 朱輝, 何戎遼, 譚慧超 申請人:成都林海電子有限責(zé)任公司