、 ＿ 第１期 Ｉ设计与计算。 ２０１２年１月 ．，机械设计与制造 Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ，， ，■ ０－ 文章编号：１００１—３９９７（２０１２）０１—０００１—０３ 基于Ｆｕｚｚｙ—ＰＩＤ算法的电子装配 设备温控策略研究术 占 涛刘学平程杨 （清华大学深圳研究生院，深圳５１８０５５） Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏＩ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｆｕｚｚｙ—．ＰＩ Ｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ＺＨＡＮ Ｔａｏ，ＬＩＵ Ｘｕｅ—ｐｉｎｇ，ＣＨＥＮＧ Ｙａｎｇ （Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｓｃｈｏｏｌ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ５ １ ８０５５．Ｃｈｉｎａ） 【摘要】运用模糊控制理论与ＰＩＤ算法合成了模糊自校正ＰＩＤ控制器，该控制器既具有模糊控 制灵活性、适应性强的优点，又具有ＰＩＤ控制器精度高的特点。将其成功应用于一类电子装配设备的温 控系统中，实现了对ＰＩＤ参数的实时在线修正，在控制稳定性方面获得了比常规ＰＩＤ控制更好的调温 效果。应用基于ＭＯＤＢＵＳ协议的单片机加触摸屏的主从式控制方案组建结构简单、性能稳定的系统， 在此平台上实验验证了Ｆｕｚｚｙ—ＰＩＤ温控策略的可实施性。 关键词：模糊控制；ＰＩＤ；ＭＯＤＢＵＳ协议；参数修正；温控系统 Ａｂｓｔｒａｃｔ、Ｔｈｅ｝ ｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｔｈｅ ＰＩＤ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｒｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｚｙ ｓｅｌｆ－ｔｕｎｉｎｇ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆｆ￣＝ｙ ｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒ ｂｅｉｎｇ ｂｏｔｈｆｌｅｘｉｂｌｅ ａｎｄ ａｄａｐｔａｂｌｅ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．Ｐｕｔ ｉｔ ｉｎｔｏ ｕｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆｏｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈ ｃａｒｔ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｏｎ—ｌｉｎｅ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｆＰＩｏＤ ｐａｒａｍｅ— ｔｅｒｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｔｈａｔ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｅｓｐｅｃｉａｌ—－ ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆｔｈｅ ｓｔｂｉａｌｉｔｙ．Ａ ｓｉｍｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｓｔｂｌａｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｒｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＭＯＤＢＵＳ ｐｒｏ— ｔｏｃｏｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｔｏｈｅ ＭＣＵｐｌｕｓ ｔｏｕｃｈ ｓｃｒｅｅｎ ｍａｓｔｅｒ－ｓｌａｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｇｒａｍ，ｂｙ ｗｈｉｃｈ ｉｔ ｉｓ ｃｏ＠ ｒｍｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ Ｆｕｚｚｙ—ＰＩＤ ｔｅｍｐｅｒｔｕｒｅａ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｉｓ ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ；ＰＩＤ；ＭＯＤＢＵＳ ｐｒｏｔｏｃｏｌ；Ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ；Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ 中图分类号：ＴＨ１６，ＴＰ２７３＋．４文献标识码：Ａ １引言 在大多数涉及温度控制的现代工业系统中，自动温控技术 往往是设备的核心技术。如何准确地监控设备按照预定温度曲线 进行加热，成为系统设计的难题。传统的ＰＩＤ控制器原理简单、使 用方便、稳定性和鲁棒性较好，在过程控制中应用最广泛。但是， 在实际温控过程中，由于噪声、负载扰动和其他一些环境条件变 化的影响，受控过程参数、模型结构均将发生变化。对于强非线 图１系统采用的Ｆｕｒｙ—ＰＩＤ控制框图 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ＵＳＥＳ Ｆｕｚｚｙ－ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｉａｇａｍ 系统采用传统的位置式ＰＩＤ控制，其算法如下。其中， 、 、 厂一比例增益、积分系数、微分系数。 ｋ 性、时变和机理复杂的过程，常规ＰＩＤ控制器存在难以控制的问 题。而模糊控制不依赖被控对象的精确数学模型，是在总结操作 经验基础上实现自动控制的一种手段。将模糊控制和ＰＩＤ控制相 ｕ（ｋ）＝Ｋｐｅ（ｋ）＋Ｋｉ ｅｑ）＋ ［ｅ（ｋ）－ｅ（ｋ一１）］ ｊ＝ｏ 结合，应用Ｆｕｚｚｙ—ＰＩＤ的温控策略，在加热干扰因素复杂多变的 情况下，优化了系统对预定温度曲线的跟随过程的稳定性。 模糊控制策略的实施包含四个阶段： ２．１确定输入输出变量及相关参数 模糊控制器的输入量是温度的偏差ｅ和偏差变化率ｅｃ，输 出量是ＰＩＤ参数修正量△ 、△ 、△ 。输入量的计算公式如 下：ｅ（ ）＝＇，…－ｙ（Ｋ）；△ｅ（Ｋ）＝［ｅ（Ｋ）一ｅ（Ｋ一１）］÷ 样周期， ２模糊自校正ＰＩＤ控制器设计 模糊自校正ＰＩＤ控制器属于基于误差驱动的增益调整型 Ｆｕｚｚｙ—ＰＩＤ控制器ｌｌ１。该类控制器的输入参数一般是误差ｅ和误差 一系统设定温度值；ｙ（Ｋ）—第Ｋ次采样值； 变化率ｅｃ。近几年对该类型模糊ＰＩＤ控制器的研究和应用较多。 式中：系统采用的Ｆｕｚｚｙ—ＰＩＤ控制方案，如图１所示。其规则形式为： ｅ／ｓ…）ａｎｄ（Ａｅ ｉｓ…）ｔｈｅｎ（Ａ ｏｒ ／ｓ…） ａｎｄ（ＡＫ ｏｒＫ ／ｓ…）ａｎｄ（△ＫｄｏｒＫｄ／ｓ…） 若为５００ｍｓ，则Ｔ＝Ｏ．５。 选择各变量的隶属度函数均为均匀三角函数。其它参数，如 表１所示。其中，尸Ｌ＿正，Ⅳ－＿负，臻 、 ＿／Ｊ、、中、大。 ★来稿日期：２０１ １－０３—２１ －ｋ基金项目：国家科技支撑计划资助项目（２００６ＢＡＦ０２Ａ０７） ２ 占涛等：基于Ｆｕｚｚｙ—ＰＩＤ算法的电子装配设备温控篷 究 表１输入输出变量及相关参数表 知识库㈣。 笙． 推理机制是控制器的中心，是根据经验知识建立的产生式 Ｔａｂ．１ Ｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔ ｖａｒｉａｂｌｅｓ ａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｔａｂｌｅ 例如，对于△ 的第一条模糊规则（即表２的第一行第一 模糊论域 ［一３，３］ ［一０．４，ｏ．４］［一１８，１８］［一１．２，１．２］ （未用） 量化因子０．０５ １ １ １ 模糊子集 ｛ＮＢ、ＮＭ、ＮＳ、Ｚ、Ｐ５、ＰＭ、船｝ 列），作为语言规则，其形式为： Ｉｆｅ（ｋ）ｉｓＮＢａｎｄ ｅｃ（ｋ）ｉｓＮＢ，ｔｈｅｎ Ａ ｉｓ腿 ２．２模糊规则的推理 从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳定精度等多方面考 ２．３去模糊化 依据模糊规则表，对于某次采样数据的偏差ｅ和偏差变化 ，经过推理可以得出响应的输出变ＩＡ 、△Ｋｉ、Ａ 。 虑，ＰＩＤ各参数的作用为：（１）Ｋ 越大，系统响应速度越快，系统的 ｅ首先求出输出变量的隶属度。例如，对于△ 的第一条模糊 调节精度越高，但易超调； 取值过小，则会降低调节精度，响应 速度慢。（２） 可以消除系统稳态误差。Ｋ越大，系统的静态误差 消除越快。 过大，会导致初期产生积分饱和现象，出现较大超 调； 过小，则系统静差难以消除。（３） 的作用是抑制偏差的突 变，提前预报偏差变化趋势。 在不同偏差ｅ及偏差变化率ｅｃ下，系统对ＰＩＤ控制器的三 个输人参数有如下要求：（１）当ＩｅＩ较大时，为了加快响应速度， 应较大；为了防止系统响应出现较大超调，应该去掉积分作用。 （２）当ＩｅＩ和ｌｅｃｌ中等大小时，要保证系统具有比较小的超调， 应 较小。（３）当ＩｅＩ较小，即接近设定值时，为了使系统有良好的稳态 性能，应该增大 和Ｋ ；为了避免出现振荡，在ｌｅｃＩ较小时， 取 值应较大；在ｌｅｃｌ较大时， 取值应较小。（４）偏差的变化量ｂｃ皎大 时， 的取值越小， 的取值越大。 依据上述理论，得出△ 、△ 、△ 的初始模糊规则表。如 表２ 表４所示。 表２ Ａ 的模糊规则表 Ｔａｂ．２ Ｔｒａｉｎ ｆｕｚｚｙ ｒｕｌｅｓ ｆ０ｒｍ 规则，其隶属度为： （△ ） （ｅ）＾ （ｅｃ） 其中，运算符“＾”为取小。 即： （△Ｋ）＝ｍｉｎ｛／Ｚ；ｖａ（ｅ）， （ｅｃ）） 按照类似推理可以得出△配在各条模糊规则下的隶属度。 那么，采用去模糊化方法—重心法（也叫加权平均法），可以推导 出某一采样时刻的△Ｋ 。公式如下： 全 ∑ ） 式中： （△ ）０＝ｏ，１，２，…，４９）—依据当前ｅ和ｅｃ测量值经模 糊化后的隶属度求得的表２中各种组合下的△ 的隶属 度。 △Ｋｉ、ＡＫ 的推算过程同理。 ２．４调整ＰＩＤ参数 分别求出某采样时刻的△ 、ＡＫ 、ＡＫｄ具体值之后，将校 正值按下列公式赋给 、 、 。 Ｋｐ ｐｏ＋△ＫＰ Ｋｉ＝Ｋｉｏ＋ＡＫｉ Ｋｄ＝Ｋｍ＋△Ｋｄ 式中： 。、 、 — 、 、 的初始值。 ３系统设计 ３．１总体方案 系统基于工业标准化的ＭＯＤＢＵＳ协议，应用单片机加触摸 屏的主从式控制方案组建了结构简单、性能稳定的控制系统。其 中，主机采用触摸屏，承担人机交互功能，具体包括对温控参数的 设定和设备运行工序的人为控制；单片机作为从机，负责温度曲 线、模糊控制ＰＩＤ调节算法的程序实现。通信方式采用ＭＯＤＢＵＳ ＲＴＵ模式。 ３－２硬件结构 硬件结构，如图２所示。其中，ＭＣＵ选用Ｃ８０５１Ｆ０２０处理 器。温控电路设计是硬件结构的核心。该方案中，选择 型热电 偶作为温度传感器；使用ＭＡＸ４６３８实现８路采集通道的切换， 切换速度满足系统对实时性的要求；采用带冷端补偿的Ｋ型热 电偶放大器ＡＤ５９５处理温度信号，结构简单且误差较小。 Ｎｏ．１ Ｊａｎ．２０１２ 机械设计与制造 ３ ３－３Ｖ 图２下位机硬件组成结构框图 Ｆｉｇ．２ Ａ ｍａｃｈｉｎｅ ｕｎｄｅｒ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ ３．３软件系统 通过单片机编程解析ＭＯＤＢＵＳ帧指令并控制相应外部设 备组件、对加热过程的模糊自校正ＰＩＤ控制。 模糊自校正ＰＩＤ控制器在线运行时，计算机通过查表和计 算，实现对ＰＩＤ参数的在线修正，其工作流程，如图３所示。 将ｅ（ｋ）、ｅｃ（ｋ）模糊化 ＋ 修正△ 、ＡＫＩ、ｚｉＫａ ＋ 计算当前 、 、 图３模糊自校正ＰＩＤ控制器流程图 Ｆｉｇ．３ Ｆｕｚｚｙ ＰＩＤ ｓｅｌｆ－ｔｕｎｉｎｇ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ４实验结果 在不改变加热系统的预设温度曲线、ＰＩＤ参数初值等外部设 定参数的前提下，应用同一台电子装配设备，采用Ｆｕｚｚｙ—ＰＩＤ控制 器和采用传统ＰＩＤ控制器两种情况下的实验结果，如图４、图５所 示。相比于采用传统ＰＩＤ控制器，采用Ｆｕｚｚｙ－ＰＩＤ控制器时的温度 偏差ｅ的波动范围缩小了约Ｉ￣Ｃ，方差减小了３６．５％。可见，此 Ｆｕｚｚｖ—ＰＩＤ控制器的调节效果主要体现在稳定性方面。当然，通过 调整模糊控制器的输入输出变量ｅ、ｅｃ、△ 、△Ｋｉ、△Ｋｄ的基本论 域和ＰＩＤ控制器的参数初值 、 ，可以达到更优的ＰＩＤ参 数修正效果。基于Ｆｕｚｚｖ＿ＰＩＤ策略的控制系统，如图６所示。 、 釜 ｌ Ｆ 型 簧 ／ ．时间轴，ｓ 图４采用常规ＰＩＤ控制器的温度曲线 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｕｒｖｅ 釜 簧 ／ 团 ／ ．时间轴，ｓ 图５采用Ｆｕｚｚｙ－ＰＩＤ控制器的温度曲线 Ｆｉｇ．５ Ｕｓｉｎｇ Ｆｕｚｚｙ—ＰＩＤ ｃｏｎｔｏｒｌｌｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｕｒｖｅ 图６基于Ｆｕｚｚｙ－ＰＩＤ策略的控制系统 Ｆｉｇ．６ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ－ＰＩＤ ｓｔｒａｔｅｇｙ ５结束语 利用模糊参数自校正ＰＩＤ控制器可以实现对ＰＩＤ参数的实 时在线修正，在稳定性方面获得比常规ＰＩＤ温控系统更好的控制 效果。此温控策略已成功应用于一套电子装配设备的温控系统 中，对于类似工业温控系统的设计与调试具备一定的参考价值。 参考文献 ［１］党建武，赵庶旭，王阳萍．模糊控制技术［Ｍ］．北京：中国铁道出版社， ２００７：ｌ １４－１ １５． ［２］石辛民，郝整清．模糊控制及其ＭＡＴＬＡＢ仿真［Ｍ］．北京：清华大学出 版社，２００８：７－８． ［３］章卫国，杨向忠．模糊控制理论与应用［Ｍ］．西安：西北工业大学出版 社．２００１：５－６． ［４］鲍可进．Ｃ８０５１Ｆ单片机原理及应用［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００６： １３－２９． 。 ［５］路平，薛树琦．Ｍｏｄｂｕｓ协议下单片机与ｅＶｉｅｗ触摸屏的通信方法［Ｊ］＿单 片机与嵌入式系统应用，２００７（４）：４６－４８． ［６］宋安军，曹捷，张国琦．用模糊ＰＩＤ算法实现热风回流焊机计算机控制 ［Ｊｊ．电子工艺技术，２０００（３）：１１ｏ－ｌ１２． ［７］张会敏，何永义．Ｆｕｚｙｚ—ＰＩＤ算法在炉温控制中的应用［Ｊ］．自动化与仪 器仪表，２００２（３）：２７—３０． ［８］陶吉利．热风回流焊机温控系统的研制与开发［Ｄ］．中南大学学报，２００４． ［９］张伟刚．回流温度曲线模拟系统的开发［Ｄ］．华中科技大学学报，２００７． ［１Ｏ］曹刚 Ｄ控制器参数整定方法及乓应用研究［Ｄ］＿浙｛工＝ ，２００４
