基于模糊自适应PID控制的高精度恒温控制器及方法技术

本发明专利技术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，属于自动化控制技术领域。其中，控制方法包括建立模型步骤；模糊PID自适应控制步骤；卡尔曼滤波步骤；控制对象步骤。恒温器包括主控芯片、温度数据采集模块、加热与冷却模块、输入与显示模块。本发明专利技术将模糊自适应PID控制的理论温度值与热电偶所测量的温度值经过卡尔曼滤波算法进行数据融合，并驱动加热与冷却模块实现温度的精准控制，本恒温控制器控制效果非常精确，误差率仅为0.02%。

【技术实现步骤摘要】
基于模糊自适应PID控制的高精度恒温控制器及方法
本专利技术属于自动化控制
，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。
技术介绍
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ec，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。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术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，本专利技术提供如下技术方案：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)＝rin(t)-yout(t)，其中rin为温度输入值，yout为经步骤C得到的温度输出值，温度误差的变化率ec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ec对恒温控制器模型的PID三个参数kP，ki及kd进行实时优化，三个参数优化公式如下：kp＝f1(|e|,|ec|),ki＝f2(|e|,|ec|),kd＝f3(|e|,|ec|)。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。基于模糊自适应PID控制的高精度恒温控制器，包括：主控芯片、温度数据采集模块、加热与冷却模块、输入与显示模块；所述温度数据采集模块用于将采集到的温度值传输至主控芯片；所述主控芯片用于采用模糊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；并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温度数据采集模块所测得温度值进行数据融合，获取准确温度值；根据预先设定的温度值和融合后温度值控制恒温控制器工作；所述输入与显示模块用于输入参数、显示融合后温度值。进一步的，所述加热与冷却模块包括辐射管和通风机。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：本专利技术将模糊自适应PID控制的理论温度值与热电偶所测量的温度值经过卡尔曼滤波算法进行数据融合，并驱动加热与冷却模块实现温度的精准控制，确保了恒温控制器的高度可靠性，有利于产生正常的化学反应，提供更为可靠的科学实验依据。本恒温控制器控制效果非常精确，误差率仅为0.02％。附图说明图1为本专利技术提供的恒温控制器结构示意图；图2为恒温控制器中模糊PID自适应控制原理图。具体实施方式以下将结合具体实施例对本专利技术提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。本专利技术基于如图1所示的恒温控制器实现，系统采用模块化设计，由STM32F103VET6主控芯片、温度数据采集模块、加热与冷却模块、输入与显示模块4部分组成。其中，温度数据采集模块采用热电偶温度传感器来测量加热炉中的炉温，加热与冷却模块由6根细小、高精度、加热功率可调的辐射管实现加热功能，辐射管的材质为氧化铝；由变频电机通风机实现冷却功能，其额定转速为2300(r/min)。STM32F103VET6主控芯片中集成有本专利技术需要的运算控制方法,主控芯片应具备RS485通讯等常规通讯接口。输入与显示模块中包括用来显示温度的显示器、以及用于输入控制参数的输入单元，控制模块可采用键盘操作，也可以采用触摸显示器集成人机交互功能。控制信号由主控芯片发出，通过光电隔离，驱动固态继电器，控制加热与冷却模块来调节反应炉中的温度。主控芯片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融合后温度值，根据预先设定的温度值和融合后温度值控制恒温控制器工作。本专利技术控制方法包括以下步骤：步骤A，确定加热与冷却模块的数学模型，为模糊PID控制提供对象。先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，再由其响应曲线确定加热与冷却模块的传递函数模型。本专利技术采用辐射管进行加热，在可控气氛的各种热处理炉中，为了避免燃料燃烧产物与工件的接触，或是为了避免炉气对电热元件的侵蚀，将燃料燃烧或电能转变的过程放在耐热钢管中进行，让热量通过管壁辐射给工件。给定阶跃信号250℃，用热电偶来测量辐射管的温度值，每分钟测量一次，测得的温度值如下表1所示。时间t(分钟)01234567温度T(摄氏度)2545120160190220235250表1每分钟温度采样值一览表根据Cohn-Coon公式得到如下参数公式：aT＝1.5(t0.632-t0.28)其中，ΔM为系统阶跃输入；ΔC为系统的输出响应，t0.28是对象飞升曲线为0.28ΔC时的时间(分)，t0.623是温度达到稳态值时的时间。分别求出以上参数k、T、τ，确定恒温控制器的模型为：步骤B，采用模糊PID自适应控制方法得到控制对象加热与冷却模块的控制参数，并自动调整PID调节器的三个参数，进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于模糊自适应PID控制的高精度恒温控制方法，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.基于模糊自适应PID控制的高精度恒温控制方法，其特征在于，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；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)＝rin(t)-yout(t)，其中rin为温度输入值，yout为经步骤C得到的温度输出值，温度误差的变化率ec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ec对恒温控制器模型的PID三个参数kP，ki及kd进行实时优化，三个参数优化公式如下：kp＝f1(|e|,|ec|),ki＝f2(|e|,|ec|),kd＝f3(|e|,|ec|)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。2.根据权利要求1所述的基于模糊自适应PID控制的高精度恒温控制方法，其特征在于，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，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙铭荣，周翟和，吕建新，
申请(专利权)人：南京汉之力化工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32