摘要：以89C52单片机为核心，建立参数Fuzzy自整定PID控制的电加热炉温控系统。通过模糊控制方法，在线整定PID的KP、KI、KD三个参数，实现对电加热炉温度控制系统的良好控制。
关键词：参数自整定；模糊控制；温控系统
电加热炉是一个大时滞、非线性和时变的控制对象，工业现场采用PID和模糊控制的方案不在少数，然而单独采用任何一种控制都得不到良好的控制效果，采用参数Fuzzy自整定PID控制可解决这一问题。
1PID 控制基本原理
在PID控制算法中，存在比例、积分、微分这三种控制作用。比例环节是按比例反应系统的偏差信号e（t），系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例Kp，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。要有效消除静差，需引入积分环节和微分环节。积分环节用于消除系统稳态误差，提高无差度。输出信号与偏差存在随时间的增长而增强，直到偏差消除，输出信号保持原输出值不变，故能消除静差。但加入积分调节会使系统稳定性下降，动态过程变慢。而微分调节是指调节器的输出与偏差对时间的微分成比例，微分调节器在输出有变化“苗头”时就有调节信号输出，变化速度越快、输出信号越强，故能加快调节速度，降低输出波动幅度，改善系统的动态性能。但微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。
然而，PID控制算法对时变对象控制效果差，且其参数的整定容易落入局部最优值[3]，故此控制算法不能从根本上解决系统动态性能和稳态精度之间的矛盾。
2模糊控制的特点
模糊控制对时滞、非线性和时变对象有很好的适应能力，抗干扰能力强，鲁棒性好。然后由于在离散化论域时会造成控制上的盲区和控制作用的不连续，模糊控制器的控制精度有限。
3Fuzzy-PID控制算法
基于上述分析，结合两种控制方法，设计出参数Fuzzy自整定PID控制器，实现对电加热炉温度控制系统的良好控制。
3.1参数Fuzzy自整定PID控制器的结构
参数Fuzzy自整定PID控制器结构如图1所示。
3.2参数Fuzzy自整定PID控制算法实现
控制器以89C52单片机为核心，采用增量式PID控制算法：
Δu(k)=Kp(e(k)-e(k-1))+KIe(k)+KD(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))
其中，KP、KI、KD分别为比例、积分、微分参数，其值由模糊调节器整定得到。
3.2.1 模糊化
结合实际运行情况，取合适的量化因子，得系统误差e和误差变化率ec的论域为{-2，-1，0，1，2}。取模糊子集为e、ec={NB,NS,ZO,PS,PB},其中的元素分表代表负大、负小、零、正小、正大。e、ec的隶属函数均采用三角形隶属函数。
3.2.2 模糊规则
根据实际情况，结合操作经验，分别制定△KP、△KI、△KD参数的模糊规则表，分别如表1，表2，表3所示。
3.2.3 模糊推理与去模糊
模糊推理采用“min-max”方法，去模糊采面积中心法，得出△KP、△KI、△KD由下面式子进行参数的自整定：KP=△KP+Kp，KI=△KI+KI，KD=△KD+KD，此即实现了PID参数的模糊在线自整定。
3.2.4 算法仿真
某厂用小型电加热炉近似模型为
针对这一模型，工作温度为400℃，选取合适PID参数，得到普通PID与参数Fuzzy自整定PID控制算法的仿真结果分别如图2和图3所示。
4结论
由仿真结果可以看出PID参数模糊自整定控制算法，在线自动调整PID参数，解决了电加热炉的大时滞、非线性和时变的控制难题，抗扰性能好，实际运行取得良好的控制效果。
参考文献：
[1] 李鹏波等.系统辨识基础.北京:中国水利水电出版社,2006.
[2] 侯媛彬,汪梅,王立琦.系统辨识及其MATLAB仿真,北京:科学出版社,2004.
[3] 张化光,何西勤等.模糊自适应控制理论及其应用.北京:北京航空航天大学出版社,2002.
[4] 蔡自兴.智能控制原理与应用.北京:清华大学出版社,2007.