基于Fuzzy-PID的陀螺儀溫度控制系統設計 [日期：2005-7-4] 來源：今日電子 作者：上海海事大學應用電子研究所 孫崗 曾連蓀 姚 楠 [字體：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。
關鍵詞：溫度控制；Fuzzy-PID；陀螺儀 引言
---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70±0.2℃，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。控制部分采用Fuzzy-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