基于Fuzzy-PID的陀螺儀溫度控制系統設計

陀螺儀是艦船上的重要組成部件，其性能的穩定對于艦船的控制至關重要。將Fuzzy-PID算法應用于陀螺儀溫度控制系統，以MCS-51單片機作為溫度控制系統的核心部件，采用模糊PID算法以及其他的軟硬件設計，實現了一套溫度采集和控制的設計方案。

---在艦船中，陀螺儀是關鍵的部件，陀螺球體與陀螺殼體之間的空間內充滿懸浮液體。陀螺球體質量和懸浮液體比重的選擇，應確保在懸浮液體加熱到工作溫度以后，陀螺球體可以擁有中性浮力。所以溫度控制系統的設計應保證加熱和保持充入陀螺部件的液體的常值工作溫度為700.2℃，因為在這個溫度上陀螺球體具有中性浮力。

---傳統控制方法（包括經典控制和現代控制）在處理具有非線形或不精確特性的被控對象時十分困難。而溫度系統為大滯后系統，較大的純滯后可引起系統不穩定。大量的應用實踐表明，采用傳統的PID控制穩態響應特性較好，但難以得到滿意的動態響應特性。模糊控制的優點是能夠得到較好的動態響應特性，并且無需知道被控對象的數學模型，適應性強，上升時間快，魯棒性好。但模糊控制也存在固有的缺點，容易受模糊規則有限等級的限制而引起誤差。本設計中采用AT89C52作為控制內核，并采用了Fuzzy-PID復合控制。彌補了單純采用PID算法的不足。對PID參數的模糊自適應整定進一步完善了PID控制的自適應性能，在實際應用中取得了很好的效果。

溫度控制系統的工作原理

---陀螺儀溫度控制系統主要由溫度傳感器、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。系統的被控對象是陀螺部件內的液體溫度，執行機構是可控硅觸發電路。工作溫度借助電橋測量。電橋的三個臂是配置在控制系統內的電阻，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，如圖1所示。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，調整R1即可使包括R5在內的電橋平衡，而R4可通過R6抵消，因此工業上常用這種接法進行精密溫度測量?？刂撇糠植捎肍uzzy-PID的復合控制使單片機輸出PWM脈沖，進而控制執行機構輸出到陀螺加熱器的電流量，實現陀螺加熱器的溫度自動調節控制。由于采用了模糊自適應PID控制算法，系統就可以在沒有操作者干預的情況下根據控制系統的實際響應情況，自動實現對PID參數的最佳調整，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，實現自動控制，這也是設計該溫控制系統的關鍵所在。

溫度控制系統的設計

---根據陀螺儀模糊控制系統的要求可知，加熱器工作時產生熱量，使陀螺部件內液體溫度升高，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，再產生偏差、偏差變化率信號，經模糊控制器進行推理從而產生控制加熱器的信號，對加熱器進行控制。Fuzzy-PID溫度控制系統的結構框圖如圖2所示。系統主要由被控對象、溫度傳感器檢測回路、Fuzzy-PID控制器和執行機構等組成。

● 數字PID控制設計

---利用脈沖響應法測量被控對象的傳遞函數為一階慣性環節加純滯后。

---其中，K為對象放大系數，K=300℃/100V；τ為純滯后時間，τ=50s；T為對象時間常數，T=200s。

---單片機控制是一種采樣控制，系統采用的增量式數字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。參照響應曲線選擇，最后結合實驗確定為采樣周期。利用控制軟件實現增量式控制算法，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，所以誤動作時影響小，而且較容易通過加權處理獲得比較好的控制效果。這也是系統采用此增量式PID控制算法，作為模糊PID控制器中PID調節器部分算法的主要理由。

● 模糊PID控制器設計

---首先根據模糊數學的理論和方法，將操作人員的調整經驗和技術知識總結成為IF（條件）、THEN（結果）形式的模糊規則，并把這些模糊規則及相關信息（如初始的PID參數）存入計算機中。根據檢測回路的響應情況，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，實現對PID參數的最佳調整。

---Fuzzy-PID控制器是在PID參數預整定的基礎上，利用模糊規則實時在線整定PID控制器的三個修正參數△Kp、△Ki、△Kd，實現對溫度的優化控制。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。隸屬度函數采用靈敏性強的三角函數。為增強系統的魯棒性，提高隸屬度函數的分辨率，在0值附近的函數形狀取的更陡，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。

---模糊控制設計是總結工程設計人員的技術知識和實際操作經驗，參數的整定規則是控制器的核心，建立合適的模糊規則表，得到針對△Kp、△Ki、△Kd這3個參數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，在取得相應的語言值后，根據整定規則表，經過公式法模糊決策，分別得出三個修正參數△Kp、△Ki、△Kd的模糊量。經過上述模糊推理后，Fuzzy－PID控制器整定的三個修正參數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，各修正參數比例因子為：

---Ku（△Kp）=1/6，Ku（△Ki）=1/300，Ku（△Kd）=1/6

---輸入到PID控制器的參數由下列等式計算得出。

---Kp=Kp‘+△Kp，Ki=Ki’+△Ki，Kd=Kd‘+△Kd

溫度控制系統的實現

● 硬件實現

---對于陀螺儀模糊控制系統，考慮其功能需要，對系統的輸入和輸出功能做分開處理，以確定系統的輸入輸出口的信號數目。對于系統的輸入情況，考慮下列信號。

---（1）溫度檢測，用于檢測系統的輸出溫度，即陀螺部件內液體的溫度，以便對加熱器的控制作出決策。

---（2）溫度設定，用于設定陀螺部件的工作溫度，對不同的要求設定的溫度不同。

---對于系統的輸出，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。

---（2）向用戶顯示系統當前的溫度。

---陀螺儀溫控系統的硬件結構圖如圖4所示。

---控制系統中，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轉換器AD0809，采樣數值并傳送給AT89C52。

---AT89C52的P0口是數據線，連接到AD0809、LCD的數據口上。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液體的溫度控制。

● 軟件實現

---陀螺儀溫控系統的軟件框圖如圖5所示。在開機復位時，系統進行初始化。接著檢測現場溫度，并在預熱階段由系統強制加熱一段時間。然后再根據檢測溫度產生輸出控制、報警指示、顯示等。整個程序主體部分采用匯編語言編寫，在控制算法部分調用了C語言編寫的函數。系統將整個控制算法作為一個函數以備匯編語言調用。

結束語

---將Fuzzy-PID算法應用于陀螺儀溫度控制系統，設計目標是在同樣的控制精度條件下，使系統的過渡時間盡可能短，改善控制效果。采用復合控制，使系統能有效抑止純滯后的影響，而且魯棒性強，當參數變化較大及有干擾時，仍能取得較好的控制效果。