模糊自整定PID温控系统的仿真研究及设计

温度是工业控制的主要被控参数之一,如在冶金、机械、食品、化工、印染、石油加工等工业中,广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等,可是由于温度自身的一些特点,如惯性大,滞后现象严重,难以建立精确的数学模型等,给控制过程带来了难题。本文研究合适的控制方案对电烤箱温度进行控制,技术要求是调节时间短,超调量为零且稳态误差在±1℃内。 对电烤箱这样一个被控对象进行控制,有很多方案可选。 首选的方案是 PID 控制,因为它简单,容易实现,在大多数情况下可以满足性能要求,目前,PID 控制仍占 80%以上。它有可消除稳态误差的优点。PID 控制的性能取决于参数的整定情况,对那些对象模型复杂和模型难以确定的控制系统,具有很大的局限性,而且它的快速性和超调量之间的矛盾关系,使它不一定能满足调节时间短、超调小的技术要求。 第二个值得尝试的方案就是模糊控制,模糊控制鲁棒性好,无需知道被控对象的数学模型,且在快速性方面有着自己的优势;可是由于它的理论并不完善,对它可能获得的控制性能无法把握。而且模糊控制易受模糊规则有限等级的限制而引起稳态误差。 本论文分析了PID控制和模糊控制的优缺点,考虑可以把它们相互结合,实现优势互补。具体采用的是用模糊规则整定KP、KI两个参数的模糊自整定PID控制方法。 文中用 MATLAB 软件对 PID 控制、模糊控制和参数模糊自整定 PID 控制的控制性能和抗干扰能力分别进行了仿真研究,仿真结果表明参数模糊自整定 PID 控制能满足调节时间短、超调量为零且稳态误差在±1℃内的控制要求,且对暂态可回复性干扰、不可回复性干扰和随机干扰都有很强的抑制能力。因此本论文最终确定采用参数模糊自整定 PID 控制方案;另外对其进行了鲁棒性分析,仿真结果表明,它对一阶惯性滞后模型的适应性很强,基本上都能达到相应速度快、零超调、稳态误差很小的理想效果。 设计了以 AT89S52 单片机为核心的温度控制器,选用 Pt100 为温度传感器,采用转换精度高、抗干扰能力强的 4 位半双积分式的 A/D 转换芯片 ICL7135 为 A/D 转换器件,同时由过零触发光电耦合器件 MOC3061 和晶闸管 BTA20 构成驱动执行单元,由按键、LED 数码显示器及报警单元等组成人机联系电路。在进行硬件设计的同时,也设计了相应软件程序流程图。