基于模糊PID算法的恒温箱温度控制系统设计解读 - 图文

上海工程技术大学毕业设计（论文）基于模糊PID算法的恒温箱温度控制系统设计

摘 要

恒温箱作为一种恒定温度的设备，被广泛地应用于生产、生活、实验等领域。在医药，生物实验、工业生产等行业中，都需要稳定而精确的温度。温度控制系统由于存在着大惯性、非线性等特性，如果采用普通的PID控制算法,建立精确的数学模型是极其困难的，在线整定参数的能力差，不能满足系统在不同条件下对参数的自整定要求，从而限制了控制效果。而模糊控制的可以较好地处理纯滞后、大惯性、参数漂移大的非线性不确定复杂系统。将模糊控制和常规PID 控制相结合，构成模糊PID 控制法，既具有模糊控制的灵活、适应性。在本设计中，恒温箱温度由传感器和EM235进行实时温度的传送，经S7-200预先编写的模糊PID控制算法计算对KP，Ki，Kd进行修正，来控制恒温设备的加热与制冷,以达到恒温控制的目的。

关键词： 恒温箱 ，模糊PID控制算法，S7-200

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Incubator Temperature Control System Design Based on Fuzzy

PID Algorithm

ABSTRACT

Incubator have been widely used in the fields of production, life and realization, as a constant temperature of the equipment. It is necessary to have stable and precise temperature in medicine, biological experiments, industrial production and other industries. Temperature control system is due to the presence of large inertia, nonlinear characteristics. using ordinary PID control algorithm is extremely difficult to establish a precise mathematical model,which can not meet system parameters under different conditions from the tuning requirements and online tuning parameters is poor, thus limiting the control effect. Fuzzy control can be better to deal with delay, large inertia, nonlinear parameter drift uncertainty of complex systems. Fuzzy control and conventional PID control combined which constitute a fuzzy PID control method with fuzzy control flexible and adaptable, but also has the characteristics of high precision PID control. In this design, the incubator temperature send real-time temperature by sensors and the EM235. Calculating KP,Ki,Kd by S7-200 prewritten fuzzy PID control algorithm is to control thermostat heating and cooling equipment in order to achieve the

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purpose of the thermostatically controlled.

Key word: incubator, fuzzy PID algorithm, S7-200

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基于模糊PID算法的恒温箱温度控制系统设计

江 政 021209825

1绪论

1.1研究背景

恒温箱是在一定温度下，用以饲养或培养生物或生物的一部分（细胞等）的箱型器具。常用的恒温箱主要分为三类：高温恒温箱（高于60℃）；中温恒温箱（-10~60℃）；低温恒温箱（低于-10℃）。

现代社会要求制造业对市场需求迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规则、低成本和高质量的产品。在恒温箱领域达到了更新周期为三年左右。为了满足这一需求，生产设备的控制系统必须具有极高的灵活性和可靠性，可编程控制器就顺应而生。同时在对于恒温箱发展起很大影响的温度传感器同样是日新月异。利用各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器温度测量仪表的核心部分，品种繁多。恒温箱在实验研究、工业生产、民生工程方面都发挥着重要的作用。恒温箱对于我们国家的科技水平更加高薪、国民经济的更加繁荣、民生健康等方面时刻显示着其重要性。而从国家的有关政策看，国家现阶段在科技创新的政策是提高自主创新能力，建设创新型国家是国家发展战略的核心，是提高综合国力的关键。也提升科技创新能力，已经成为刻不容缓的历史使命。为此我们有必要在恒温箱的研究应用上花费应有的人力物力财力。

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1.2研究现状及意义 1.2.1 研究现状

随着计算机控制技术的发展，恒温控制已在工业生产领域中得到广泛的应用，并取得了巨大的经济和社会效益。在不同领域内，由于控制环境、目标、成本等因素，需要对具体情况来设计系统结构和功能，以取得最佳的控制效果，其中恒温环境的自动化控制技术在工业生产、商业运营重视一个重要的研究课题。

我国目前在恒温控制技术总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平，成熟产品主要以点位控制以及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变的温度系统控制。在适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表领域内，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。从各个角度上看，我国恒温箱仪器仪表产品还存在不少问题。产品的稳定性长期以来没有得到解决，影响到我国其他相关行业的发展，而对于大型精密仪器我们还没有达到理想水平，国内对恒温箱的需求依赖进口较多。为了以恒温箱为基础的其他行业能够更深入更长远的发展，对恒温箱的研究就变得相当重要。

国外恒温控制系统发展迅速，并在智能化，自适应参数的自整定等方面取得了很大的科技成果。在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，并且都产出了一批性能优异的温度控制器及仪器仪表，目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化，小型化等方面快速发展，因此，我国在恒温控制等控制仪表行业与国外还有着一定的差距。

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1.2.2 研究意义

随着社会发展的需求，恒温箱的应用和需求越来越广泛。 在生物实验室中，为了得到准确的数据，对与温度环境的要求十分严格。所以恒温箱在生物实验中显得尤为重要，比如根据动物生活习性的需要控制饲养棚合适的问题来进行孵卵或动物培养，在恒温环境下各种细菌培养等。在实验过程中，准确的温度环境能够让研究人员获得准确的过程数据以及结果，对生物，农业，渔业的发展有巨大的作用。

在工业生产中，恒温箱有着广泛的应用，在直接生产产品中，由于产出的一些产品的特殊性，必须保持恒温环境下，运用恒温箱就可以达到这个效果，借此来保证产品的质量，所以对于工业生产来说，恒温箱对于保存工业产物扮演着极为重要的角色。

在医药方面，医用恒温箱主要用于药品，试剂的储存，运输；疫苗，血液的冷藏保温，透析液的加温，生理盐水的加温，细菌培养，放射免疫分析，血清融化、石蜡融化、试管消毒等。医药作为人类生命健康的保障，是十分重要的，而恒温箱就是这重要保障的前提。

恒温箱对于我国的科技水平更加高薪，国民经济更加繁荣，民生健康等方面时刻显现着其重要性，因此对于恒温箱的研究有极其重要的意义。

1.3 研究内容与安排 1.3.1 研究内容

本毕业设计的主要内容是：本设计主要以SIMATIC S7–200为核心，温度传感器作为检测温度装置，EM235作为温度的传送装置，加热制冷设

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备作为调整温度的器件，组态王软件作为监控设备，利用STEP72MicroWIN32编程程序将PID算法和模糊控制算法编译出来，下载到SIMATIC S7–200中，使之成为一个模糊PID控制器，通过以上软硬件为基础设计出一个自动控制的恒温箱。其主要运作原理是：由温度传感器检测温度，通过EM235进行温度传送至STEP-7中，此时载入模糊PID算法的STEP-7已成为一个模糊PID控制器，该温度通过STEP-7的算法计算之后输出来控制制冷加热设备进行恒温控制，组态王可以全程监控温度变化以达到人机交互的目的。 1.3.2 内容安排

本设计论文共分六章，每一章的内容简述如下：

第一章 绪论，主要介绍恒温箱的研究背景，意义以及现状。 第二章 本设计主要应用的各种理论，恒温控制，模糊算法，PID控制算法。

第三章 硬件设计，主要介绍传感器以及PLC的比较以及选择。 第四章 软件设计，简单介绍软件的流程图，STEP7 MicroWIN32以及组态王软件编程。

第五章 总结。

2 温度控制及算法

2.1 温度控制

温度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。在许多场合，准确获得目标的温度信息是

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十分重要的。计算机技术的发展极大的推动了工业控制系统的理论领域增加了新的内容。计算机硬件与控制软件的紧密集合必然导致新型的微机控制系统的出现。温度微机控制系统常用的控制方案有以下三类经典控制方案、基于现代控制理论的设计方案和智能控制方案。

第一类：经典控制方案

经典控制方案可以分为数字控制器的间接设计方案和数字控制器的直接设计方案。数字控制器的间接设计方案是一种根据模拟设计方案而转换而来的设计方案。传统模拟系统中的控制器设计已有一套成熟的方法，其中以PID控制器为代表。PID控制器具有原理简单、易于实现的、使用范围广等优点。将模拟控制器转换成数字控制器是用离散时近似方法将一连续时间系统的控制规律离散为数字控制器的控制规律，其中确保数字控制器与模拟控制器的近似，要适当选择采样周期。

第二类：基于现代控制理论的设计方案

现代控制理论以线性代数和微分方程为主要的工具，以状态空间法为基础来分析和设计控制系统。状态空间法本质上是一种时域的方法，它不仅描述了系统的外部特性，而且描述和提示系统的内部状态和性能。基于现代控制理论的设计方案是建立在对系统内部模型的描述之上的。它是通过数学方法对控制系统进行综合。控制规律的确定是通过极小化预先确定的性能指标函数或使控制系统满足希望的响应而推导出来的。此类设计方案主要有：系统辨别、最优控制、自校正控制等。这类设计方案适用范围广，适合多输入多输出系统、某些非线性时变系统和一些具有随即扰动的系统。该方法理论严谨，控制系统的稳定性问题可以严

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格证明，性能指标能定量分析，得到的控制品质较好。但这类方法需要知道精确的被控对象的数学模型形式。

第三类 智能控制方案

智能控制方案是一类无需人的干预就能针对控制对象的状态自动地调节控制规律以实现控制目标的控制策略。它避开了建立精确的数学模型和用常规控制理论进行定量计算与分析的困难性。它实质是一种无模型的控制方案，即在不需要知道对象精确模型的情况下，通过自身的调节作用，使实际响应曲线逼近理想响应曲线。

智能控制系统有以下一些特点

（1）智能控制系统一般具有以知识表示的非数学广义模型和以数学模型表示的混合控制工程。它适用于有复杂性、不完全性、模糊性、不确定性和不存在已知算法的生产过程。

（2） 智能控制具有信息处理和决策机构，它实际上是对人神经结构或专家决策机构的一种模仿。

（3） 智能控制器具有非线性、这是因为人的思维具有非线性。作为模仿人的思维进行决策的智能控制也具有非线性的特点。

（4）智能控制器具有总体自寻优的特点。智能控制方案主要包括模糊控制、神经网络和遗传算法控制等。

常用的温度控制电路根据应用场合和要求的性能指标有所不同。除了传统的PID控制方法，近几年来快速发展的是将模糊控制、神经网络、遗传算法等智能控制方法应用于温控系统，包括智能控制与PID控制相结合及这些智能控制之间的结合。具体有如下一些方法：

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（1）模糊控制是基于模糊逻描述一个过程的控制算法，它不需要被控对象的精确模型，仅依赖于操作人员的经验和直接判断，容易应用。

（2）神经网络与PID的结合：神经网络是一种采用数理模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法。人工神经网络以其高度的非线性映射、自阻组织、自学习和联想记忆等功能，可对复杂的非线性系统建模。该方法响应速度快，抗干扰能力强、算法简单，且易于用硬件和软件实现。在温度控制系统中，将温度的影响因素作为网络的输入，将其输出作为PID控制器的参数，以实验数据作为样本，在微机上反复迭代，自我完善与修正，直至系统收敛，得到网络权值，达到自整定PID控制器参数的目的也就是神经网络整定PID参数的方法。

（3）模糊控制与PID的结合：具体结合形式有很多种，主要是FUZZY-PID复合控制和模糊整定PID参数的方法。①FUZZY-PID复合控制：当偏差较大时采用模糊控制，响应速度快，动态性能好；偏差较小时采用PID控制，使具有良好的静态性能。是一种模糊控制和PID控制的分阶段切换控制方法。②模糊整定PID参数的方法：根据偏差和偏差变化率，由模糊推理来调整PID参数，也就是一种以模糊规则调节PID参数的自适应控制方法。

（4）模糊控制与神经网络的结合：模糊控制所基于的经验不易获得，一成不变的控制规则也很难适应不同被控对象的要求。所以应使模糊控制向着自适应的方向发展。基于这样的要求，可以利用神经网络来修正偏差和偏差变化率的比例系数，达到优化模糊控制器的作用，从而进一

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步改进实时控制的效果，有强的鲁棒性和适应能力。

神经网络和模糊控制都属于智能控制方法它们与PID结合，适应温控系统非线性、干扰多、大滞后、时变等情况、模糊控制特别适应于大惯性和纯滞后的系统，无需知道系统的精确信息。

恒温箱的设计主要是一种温度控制系统的设计，采用的是PID和智能控制的结合，温度控制系统由于存在着大惯性、非线性等特性，如果采用普通的控制算法，例如PID等，建立精确的数学模型是极其困难的，在线整定参数的能力差，不能满足系统在不同条件下对参数的自整定要求，从而限制了控制效果的进一步提高。如果采用自适应等控制算法，就要花费大量的精力去分析系统的模型，并且由于温度控制系统的模型复杂，建立模型也比较难于正确地描述系统的真实行为，所以采用该控制方法也不是非常合适的。温度控制系统本身就是时变的、非线性的、有滞后的复杂系统，因此无论使用经典的PID控制还是现代控制理论的各种算法都很难达到满意的控制效果。但是，对于这些难以利用传统方法实现自动控制的生产过程，有经验的操作人员使用手动控制却能够取得令人满意的控制结果。而模糊控制的核心是模拟人的思维方式对一些无法得到精确数学模型的被控对象设计模糊控制器，可以较好地处理纯滞后、大惯性、参数漂移大的非线性不确定复杂系统。将模糊控制和常规PID 控制相结合，构成模糊PID 控制法，既具有模糊控制的灵活、适应性强的优点，又具有PID 控制精度高的特点。因此将模糊PID控制运用到恒温箱，能使恒温箱的温度控制更好，更准确。

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2.2 模糊理论及模糊控制

模糊理论（Fuzzy Logic)是在美国加州大学伯克利分校电气工程系的L.A.zadeh（扎德）教授于1965年创立的模糊集合理论的数学基础上发展起来的,主要包括模糊集合理论、模糊逻辑、模糊推理和模糊控制等方面的内容. 早在20世纪20年代，著名的哲学家和数学家B.Russell就写出了有关\含糊性\的论文。他认为所有的自然语言均是模糊的，比如“红的”和“老的\”等概念没有明确的内涵和外延，因而是不明确的和模糊的。可是，在特定的环境中，人们用这些概念来描述某个具体对象时却又能心领神会，很少引起误解和歧义。美国加州大学的L.A.Zadeh教授在1965年发表了著名的论文，文中首次提出表达事物模糊性的重要概念：隶属函数，从而突破了19世纪末康托尔的经典集合理论,奠定模糊理论的基础。1966年，P.N.Marinos发表模糊逻辑的研究报告，1974年，L.A.Zadeh发表模糊推理的研究报告，从此，模糊理论成了一个热门的课题。 1974年，英国的E.H.Mamdani首次用模糊逻辑和模糊推理实现了世界上第一个实验性的蒸汽机控制，并取得了比传统的直接数字控制算法更好的效果，从而宣告模糊控制的诞生。1980年丹麦的L.P.Holmblad和Ostergard在水泥窑炉采用模糊控制并取得了成功，这是第一个商业化的有实际意义的模糊控制器。模糊理论应用最有效，最广泛的领域就是模糊控制，模糊控制在各种领域出人意料的解决了传统控制理论无法解决的或难以解决的问题，并取得了一些令人信服的成效。

模糊控制的基本思想：把人类专家对特定的被控对象或过程的控制策略总结成一系列以“IF(条件)THEN(作用)”形式表示的控制规则，通

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过模糊推理得到控制作用集，作用于被控对象或过程。控制作用集为一组条件语句,状态语句和控制作用均为一组被量化了的模糊语言集，如“正大”、“负大”、“正小”、“负小”、零等。

模糊控制的特点：

（1）简化系统设计的复杂性，特别适用于非线性、时变、模型不完全的系统上。

（2）利用控制法则来描述系统变量间的关系。

（3）不用数值而用语言式的模糊变量来描述系统，模糊控制器不必对被控制对象建立完整的数学模式。

（4）模糊控制器是一种语言控制器，使得操作人员易于使用自然语言进行人机对话。

（5）模糊控制器是一种容易控制、掌握的较理想的非线性控制器，具有较佳的适应性及强健性(Robustness)、较佳的容错性(Fault Tolerance)。

模糊控制的主要研究方向可以分为常规模糊控制，高性能模糊控制以及复合模糊控制三大类。

（1）常规模糊控制：它是由输入与输出变量模糊化、模糊推理和决策算法、模糊判决等部分组成的一种语言控制器。

（2）高性能模糊控制有以下几种：自校正模糊控制、自组织模糊控制、多变量模糊控制。

（3）复合模糊控制：模糊控制与专家控制结合、模糊神经网络、基于遗传算法优化的模糊控制。

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模糊控制的应用方面可粗略分为几个研究方向：

（1）适用处理工程普遍问题的稳定性分析方法，稳定性评价理论体系；关于控制器的鲁棒性能的分析；判定系统的可控性和可观测行的方法等等。

（2）对设计模糊控制规则的方法的研究，包括模糊集合隶属函数的设定方法、量化水平、采样周期的最优选择，规则的系数，最小实现及规则和隶属函数参数自动生成等问题。对于这些问题，还要求我们通过研究，进一步给出模糊控制器的系统化设计方法。

（3）确定模糊控制器参数最优调整理论，和对推理规则的学习方式和算法的修正等等；

（4）模糊动态模型的识别方法；

（5）模糊预测系统的设计方法和加快计算速度的方法；

（6）模糊控制算法改进的研究，目前能真正在模糊逻辑系统中得到应用的概念和原则为数很少，但实际上，模糊逻辑的范畴包含了大量的概念和原则，因此，如何将更多的概念和原则应用于模糊逻辑系统中，这需要更进一步的研究。

（7）最优化模糊控制器的研究：根据被提出的性能指标。规范控制规则的设计依据，并在某种意义上达到最优；

（8）加强开发简单、使用且具有模糊推理功能的模糊集成芯片和模糊控制装置、通过模糊控制系统等并将其推广。 2.3 PID控制

PID控制是最早发展起来的经典控制策略，是用于过程控制最有效的

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