基于模糊自适应PID的单片机主滑油温度控制系统.docxVIP

中国科技论文在线

中国科技论文在线

-

-

基于模糊自适应PID的单片机主滑油温度控制系统

朱伟

武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉(430063)

摘要：本文介绍了一种基于模糊自适应算法的滑油温度控制系统，详细论述了系统的总体结构、控制算法及软件实现流程。针对控制对象的不确定性，采用模糊自适应PID控制算法，实现来PID在线整定，对于具有时变、大惯性、强时滞和非线性特点的滑油温度控制有很好的效果。

关键词：温度控制系统；模糊自适应PID；滑油；单片机

引言

主滑油温度控制系统的主要任务是调节船舶主机润滑油的温度，使主滑油保持在一个适当的温度。主滑油只有在合适的温度下，滑油才具有足够的品质完成对主机运行过程中的保护[1]。传统的温度控制，往往具有非线性、大滞后、大惯性和时变性的特点。其中，有的参数未知或缓慢变化，有的存在滞后和随机干扰，很难用数学方法建立精确数学模型，用传统的控制理论和方法难达到较好的控制效果[2]。常规PID控制系统具有原理简单、使用方便、鲁棒性较强等特点，但存在自适应差、易产生超调振荡的缺点。模糊自整定PID参数控制系统的优点是能在控制过程中对不确定的条件、参数、延迟和干扰等因素进行检测分析，采用模糊推理的方法实现PID参数KP、Ki和Kd的在线自整定，不仅保持了PID调节的优点，而且具有更大的灵活性、适应性、控制精度更好，是目前较为先进的一种控制系统。本设计引入模糊PID控制方法，研究设计了主滑油温度测控系统。

主滑油温度控制系统硬件结构

图1：主滑油温度控制系统硬件结构图系统主要由：MSP430F1611单片机主控单元、温度采集转换单元，位置反馈采集转换单元，输出控制单元，参数设定显示和报警单元，通信单元组成。具体结构见图1

图1：主滑油温度控制系统硬件结构图

系统工作原理：通过PT100将主滑油温度转换成电阻值，温度变送器将采集的信号转换成4-20mA的标准电流信号，通过I/v转换处理后经MSP430F1611内部ADC内部转换后得到相应数字量，单片机对此数字量进行处理后，一方面进行显示和存储；另一方面与设定

值相比较，以获得温度偏差，调用模糊控制PID算法，得到相应的控制量，PID控制量与位置反馈信号进行比较,从而改变冷却水阀门的大小，从而实现温度控制。

模糊自整定PID控制

常规PID控制的特点是当模型准确时系统的稳态精度较高，甚至可以完全消除静差，但动态特性不是很好，并且如果参数选取不当则容易造成系统的不稳定。模糊控制的特点是系统动态特性较好，但由于不具有积分调节作用而存在静差。针对主滑油温度控制模型复杂，很难获得准确数学模型的实际情况，而模糊控制又无法满足系统精度的要求，故在本系统中考虑采用基于模糊推理的PID参数自整定方法进行系统控制器的设计[3]。

模糊自整定控制器的结构设计

模糊自整定PID控制器以误差信号e和误差变化信号ec作为输入(利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改)，以满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求。模糊自整定PID控制器结构[4]如图2：

图2：模糊自整定PID控制器结构

模糊自整定PID控制是找出PID的3个参数KP、Ki、Kd与e、ec之间的模糊关系，在运算中通过不断检测e和ec，根据模糊控制原理来对3个参数进行在线修改，以满足不同e和ec对控制参数不同的要求，从而使被控对象具有良好的动、静态性能。

模糊语言变量确定

根据模糊控制控制器的输入输出变量选取相应的语言变量。与基本论域相对应，温度控制系统将采样得到的温度信号与系统的温度设定值进行比较，得到系统的输入语言变量温度偏差e和偏差变化率ec，输出语言变量为PID的调节参数的变化?Kp、?Ki、?Kd。

偏差e的基本论域[-10℃,10℃],模糊论域[-6,6],其量化因子K=6/5=1.2；

偏差变化率ec的基本论域[-1，1],基本论域[-6,6],其量化因子K=6/1=6；

?Kp的基本论域[-0.2，0.2],基本论域[-6,6],其量化因子K=6/0.2=30；

?Kp的基本论域[-0.02，0.02],基本论域[-6,6],其量化因子K=6/0.02=300；

?Kp的基本论域[-0.5，0.5],基本论域[-6,6],其量化因子K=6/0.5=3；

根据需要，将上述二个输入语言变量e、ec和三个输出变量?Kp、?Ki、?Kd分取7个模糊子集，分别用语言值正大（PL）、正中（PM）、正小（PS）、零（ZO）、负小（ZS）、负中（ZM