[发明专利]基于模糊自适应PID控制的高精度恒温控制器及方法

说明书

技术领域

本发明属于自动化控制技术领域，具体涉及一种基于模糊自适应PID控制的高精度恒温控制器和控制方法。

背景技术

温度控制在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位，是工农业生产及生活中较为常见和基本的工艺参数之一。在化工生产过程中，温度是非常关键的控制对象。目前，大量采用的依然是PID算法，PID参数的整定方法非常多，但大部分是以对象为基础的。PID控制器问世至今凭借其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等优点成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握、得不到精确的数学模型时，采用PID控制技术最为方便。在控制对象有很大的时变性和非线性的情况下，一组整定好的PID参数远远不能满足系统的要求。

而模糊PID控制算法能改善这个问题，所谓模糊PID控制器，即利用模糊逻辑算法并根据一定的模糊规则对PID控制的比例、积分、微分系数进行实时优化，以达到较为理想的控制效果。模糊PID控制包括参数模糊化、模糊规则推理、参数解模糊、PID控制器等几个重要组成部分。随着计算机的发展，人们将专家的知识和操作人员的经验作为知识存入微机中，根据现场的实际情况，自动调整PID的三个参数。计算机根据所设定的输入和反馈信号，计算实际位置和理论位置的偏差e以及当前的偏差变化e_c，并根据模糊规则进行模糊推理，最后对模糊参数进行解模糊，输出PID控制器的比例、积分、微分系数。

如果能将模糊PID算法应用在温度控制中，则可能满足高精度恒温控制需求。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种基于模糊自适应PID控制的高精度恒温器及控制方法，根据温度实际值与设定值的偏差，由模糊PID与自适应算法经卡尔曼滤波得出实际温度值，并由此控制恒温控制器的工作，最终实现高精度恒温控制。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于模糊自适应PID控制的高精度恒温控制方法，包括如下步骤：

步骤A，对加热与冷却模块的一端施加阶跃控制信号，并测取其阶跃响应，再由其响应曲线结合Cohn-Coon公式得到加热与冷却模块的传递函数模型；

步骤B，采用温度误差和温度误差的变化率作为模糊输入变量，采用模糊PID自适应控制方法得到控制加热与冷却模块的供电电压，并自动调整PID调节器的三个参数，进行实时优化，通过所述供电电压与步骤A得到的加热与冷却模块的模型得到模糊自适应PID控制的理论温度值。

步骤C，采用卡尔曼滤波算法对模糊自适应PID控制的理论温度值与热电偶所测得温度值进行数据融合，获取准确温度值；

步骤D，根据预先设定的温度值和步骤C中获得的融合后温度值控制恒温控制器工作。

进一步的，所述步骤B具体包括如下步骤：

步骤B-1，确定模糊控制器的输入变量温度误差e(t)＝r_in(t)-y_out(t)，其中r_in为温度输入值，y_out为经步骤C得到的温度输出值，温度误差的变化率e_c通过温度误差积分得到，输出变量为控制加热冷却模块的供电电压U，输出的供电电压由下式表示：

步骤B-2，根据模糊控制规则进行推理；

步骤B-3，根据不同的误差e及误差变化率e_c对恒温控制器模型的PID三个参数k_P，k_i及k_d进行实时优化，三个参数优化公式如下：

k_p＝f₁(|e|,|e_c|),k_i＝f₂(|e|,|e_c|),k_d＝f₃(|e|,|e_c|)。

进一步的，所述步骤D中控制恒温控制器工作过程包括：

当融合后温度值〈预先设定的温度值时，驱动加热模块进行加热，当融合后温度值〉预先设定的温度值时驱动降温模块进行降温，直至反应炉中的温度值无限接近设定值。