基于Fuzzy-PID的陀螺儀溫度控制系統(tǒng)設(shè)計
摘要:陀螺儀輸送機鏈板是艦船上的重要組成部件,其性能的穩(wěn)定對于艦船的控制至關(guān)重要。將Fuzzy-PID算法應(yīng)用于陀螺儀溫度控制系統(tǒng),以MCS-51單片機作為溫度控制系統(tǒng)的核心部件,采用模糊PID算法以及其他的軟硬件設(shè)計,實現(xiàn)了一套溫度采集和控制的設(shè)計方案。
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&管式螺旋輸送機nbsp; 關(guān)鍵詞:溫度控制;Fuzzy-PID;陀螺儀
 立式破碎機; 引言
---在艦船中,陀螺儀是關(guān)鍵的部件,陀螺球體與陀螺殼體之間的空間內(nèi)充滿懸浮液體。陀螺球體質(zhì)量和懸浮液體比重的選擇,應(yīng)確保在懸浮液體加熱到工作溫度以后,陀螺錘式破碎機球體可以擁有中性浮力。所以溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)保證加熱和保持充入陀螺部件的液體的常值工作溫度為70±0.2℃,因為在這個溫度上陀螺球體具有中性浮力。
---傳統(tǒng)控制方法(包括經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制)在處理具有非線形或不精確特性的被控對象時十分錘式破碎機錘頭困難。而溫度系統(tǒng)為大滯后系統(tǒng),較大的純滯后可引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。大量的應(yīng)用實踐表明,采用傳統(tǒng)的PID控制穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性較好,但難以得到滿意的動態(tài)響應(yīng)特性。模糊控制的優(yōu)點是能夠得到較好的動態(tài)響應(yīng)特性,并且無需知道被控對象的數(shù)學(xué)模型,適應(yīng)性強,上升時間快,魯棒性好。但模糊控制也存在固有的缺點,容易受模糊規(guī)則有限等級的限制而引起誤差。本設(shè)計中采用AT89C52作為控制內(nèi)核,并采用了Fuzzy-PID復(fù)合控制。彌補了單純采用PID算法的不足。對PID參數(shù)的模糊自適應(yīng)整定進一步完善了PID控制的自適應(yīng)性能,在實際應(yīng)用中取得了很好的效果。
 圓錐機; 溫度控制系統(tǒng)的工作原理
&nb重型振動篩sp; ---陀螺儀溫度控制系統(tǒng)主要由溫度傳感器、AT89C52單片機、A/D信號采集模塊、可控硅輸出控制及其他一些外圍電路組成。系統(tǒng)的被控對象是陀螺部件內(nèi)的液體溫度,執(zhí)行機構(gòu)是可控硅觸發(fā)電路。工作溫度借助電橋測量。電橋的三個臂是配置在控制系統(tǒng)內(nèi)的電阻,第四個臂是陀螺部件加熱溫度傳感器的電阻。來自電橋的信號值通過高精度集成運放OP07進行差動放大、濾波,然后再送給A/D采樣。根據(jù)測量的電流端和電壓端原理,電橋電壓信號的采集采用三線制接法。這是一種最實用又能較精確測溫的方式,R4、R5和R6為連線和接觸電阻。由于采用上述三線制接法,調(diào)整R1即可使包括R5在內(nèi)的電橋平衡,而R4可通過R6抵消,因此工業(yè)上常用這種接法進行精密溫度測量??刂撇糠植捎肍uzzy-PID的復(fù)合控制使單片機輸出PWM脈沖,進而控制執(zhí)行機構(gòu)輸出到陀螺加熱器的電流量,實現(xiàn)陀螺加熱器的溫度自動調(diào)節(jié)控制。由于采用了模糊自適應(yīng)PID控制算法,系統(tǒng)就可以在沒有操作者干預(yù)的情況下根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應(yīng)情況,自動實現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整,改變PWM輸出波形的占空比,合理地控制輸出,使陀螺加熱器的工作溫度保持恒定,實現(xiàn)自動控制,這也是設(shè)計該溫控制系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。
&QS型系列氣流篩nbsp; 溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計
---根據(jù)陀螺儀模糊控制系統(tǒng)的要求可知,加熱器工作時產(chǎn)生臥式振動電機熱量,使陀螺部件內(nèi)液體溫度升高,進而使溫度傳感器的阻值增大(對于正溫度系數(shù)熱敏電阻),則溫度檢測電路把溫度變化信號送回輸入端和給定的溫度進行比較,再產(chǎn)生偏差、偏差變化率信號,經(jīng)模糊控制器進行推理從而產(chǎn)生控制加熱器的信號,對加熱器進行控制。
Fuzzy-PID溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)主要由被控對象、溫度傳感器檢測回路、Fuzzy-PID控制器鑄石刮板輸送機和執(zhí)行機構(gòu)等組成。
●數(shù)字PID控制設(shè)計碎煤機
&移動式皮帶機nbsp; ---利用脈沖響應(yīng)法測量被控對象的傳遞函數(shù)為一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后。
---其中,K為對象放大系數(shù),K=300℃/100V;τ為純滯后時間,τ=50s;T為對象時對輥粉碎機間常數(shù),T=200s。
槽型傳感器 ---單片機控制是一種采樣控制,系統(tǒng)采用的增量式數(shù)字PID控制算法為:
---Δu(n)=U(n)-U(n-1)=a0e(n)-a1e(n-1)+a2e(n-2)
---a0=kp(1+T/T1+TD/T)
---a1=kp(1+2TD/T)
---a2=kpTD/T
---式中,T為采樣周期。參照響應(yīng)曲線選擇,最后結(jié)合實驗確定為采樣周期。利用控制軟件實現(xiàn)增量式控制算法,并輸出控制量。由于該控制算法不需要累加,控制增量僅與最近的n次采樣有關(guān),所以誤動作時影響小,而且較容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。這也是系統(tǒng)采用此增量式PID控制算法,作為模糊PID控制器中PID調(diào)節(jié)器部分算法的主要理由。
●模糊PID控制器設(shè)計
---首先根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的理論和方法,將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗和技術(shù)知識總結(jié)成為IF(條件)、THEN(結(jié)果)形式的模糊規(guī)則,并把這些模糊規(guī)則及相關(guān)信息(如初始的PID參數(shù))存入計算機中。根據(jù)檢測回路的響應(yīng)情況,計算出采樣時刻的偏差e及偏差的變化率ec,輸入控制器,運用模糊推理,進行模糊運算,即可得到該時刻的Kp、Ki、Kd,實現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整。
---Fuzzy-PID控制器是在PID參數(shù)預(yù)整定的基礎(chǔ)上,利用模糊規(guī)則實時在線整定PID控制器的三個修正參數(shù)△Kp、△Ki、△Kd,實現(xiàn)對溫度的優(yōu)化控制。模糊控制器的輸入、輸出變量都是精確量,模糊推理是針對模糊量進行的,因此控制器首先要對輸入量進行模糊化處理。在所設(shè)計的Fuzzy-PID控制器中,輸入、輸出變量的語言值均分為七個語言值:{NB、NM、NS、O、PS、PM、PB},子集中元素分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中和正大。隸屬度函數(shù)采用靈敏性強的三角函數(shù)。為增強系統(tǒng)的魯棒性,提高隸屬度函數(shù)的分辨率,在0值附近的函數(shù)形狀取的更陡,形式如圖3所示。
---e的基本論域為[-100℃,100℃];ec的基本論域為[-5,5];△Kp的基本論域為[-1,1];△Ki的基本論域為[-0.002,0.002];△Kd的基本論域為[-1,1]。以上各變量的模糊量分別為E、EC、△KP、△KI和△KD,其論域均為[-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6]。輸入量e、ec的量化因子為:ke=0.06,kec=1.2。
---模糊控制設(shè)計是總結(jié)工程設(shè)計人員的技術(shù)知識和實際操作經(jīng)驗,參數(shù)的整定規(guī)則是控制器的核心,建立合適的模糊規(guī)則表,得到針對△Kp、△Ki、△Kd這3個參數(shù)分別整定的模糊控制表,見表1、表2和表3。
---對輸入的偏差e和偏差變化率ec,在取得相應(yīng)的語言值后,根據(jù)整定規(guī)則表,經(jīng)過公式法模糊決策,分別得出三個修正參數(shù)△Kp、△Ki、△Kd的模糊量。經(jīng)過上述模糊推理后,F(xiàn)uzzy-PID控制器整定的三個修正參數(shù)要進行去模糊化取得精確量,以計算輸出控制量,既單位時間加熱器通斷電百分比。去模糊化有幾種方法,如最大隸屬度法、重心法等,對本控制器,采用重心法求取輸出量的精確值。由以下公式得出模糊判決后的輸出量c(k)。
---其中c(k)×ku(ku為輸出量的比例因子)即為自整定之后的修正參數(shù),各修正參數(shù)比例因子為:
---Ku(△Kp)=1/6,Ku(△Ki)=1/300,Ku(△Kd)=1/6
---輸入到PID控制器的參數(shù)由下列等式計算得出。
---Kp=Kp'+△Kp,Ki=Ki'+△Ki,Kd=Kd'+△Kd
溫度控制系統(tǒng)的實現(xiàn)
●硬件實現(xiàn)
---對于陀螺儀模糊控制系統(tǒng),考慮其功能需要,對系統(tǒng)的輸入和輸出功能做分開處理,以確定系統(tǒng)的輸入輸出口的信號數(shù)目。對于系統(tǒng)的輸入情況,考慮下列信號。
---(1)溫度檢測,用于檢測系統(tǒng)的輸出溫度,即陀螺部件內(nèi)液體的溫度,以便對加熱器的控制作出決策。
---(2)溫度設(shè)定,用于設(shè)定陀螺部件的工作溫度,對不同的要求設(shè)定的溫度不同。
---對于系統(tǒng)的輸出,考慮下列信號。
---(1)加熱器控制信號,由可控硅來控制加熱器的工作狀態(tài)。
---(2)向用戶顯示系統(tǒng)當前的溫度。
---陀螺儀溫控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
---控制系統(tǒng)中,采用了高精度集成運放OP07對鉑電阻的毫伏級熱電勢進行差動放大、濾波,然后將檢測的電壓信號送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD0809,采樣數(shù)值并傳送給AT89C52。
---AT89C52的P0口是數(shù)據(jù)線,連接到AD0809、LCD的數(shù)據(jù)口上。P2口的5根控制線控制LCD,P1.0、P1.1控制報警指示燈,P1.2至P1.4口用于控制可控硅等。然后通過Fuzzy-PID控制器,計算得到PWM脈沖的占空比,對加載電壓進行控制,最終完成對陀螺部件內(nèi)液體的溫度控制。
●軟件實現(xiàn)
---陀螺儀溫控系統(tǒng)的軟件框圖如圖5所示。在開機復(fù)位時,系統(tǒng)進行初始化。接著檢測現(xiàn)場溫度,并在預(yù)熱階段由系統(tǒng)強制加熱一段時間。然后再根據(jù)檢測溫度產(chǎn)生輸出控制、報警指示、顯示等。整個程序主體部分采用匯編語言編寫,在控制算法部分調(diào)用了C語言編寫的函數(shù)。系統(tǒng)將整個控制算法作為一個函數(shù)以備匯編語言調(diào)用。
結(jié)束語
---將Fuzzy-PID算法應(yīng)用于陀螺儀溫度控制系統(tǒng),設(shè)計目標是在同樣的控制精度條件下,使系統(tǒng)的過渡時間盡可能短,改善控制效果。采用復(fù)合控制,使系統(tǒng)能有效抑止純滯后的影響,而且魯棒性強,當參數(shù)變化較大及有干擾時,仍能取得較好的控制效果。
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