一种高低温试验箱温控系统的模糊控制方法及装置

技术领域

本申请涉及自动控制领域，尤其涉及一种高低温试验箱温控系统的模糊控制方法。本申请还涉及一种高低温试验箱温控系统的模糊控制装置。

背景技术

高低温试验箱在产品交付试验、产品设计等环节发挥着不可替代的作用，温度测试不仅是环境试验设备测试的重要指标之一，也是保证温湿度试验设备安全的重要参数，而温控系统的控制亦是进行实验的保障。控制系统是高低温环境试验设备的关键部分，直接影响温度精度和温度波动度等方面的试验指标，牵涉到试验效果及设备运行的稳定性、操作的便利性。

目前，市场对非标准高低温试验箱需求量越来越大，可以根据特定的测试对象定制试验箱，以满足用户对高控制精度以及功能的多样性。高低温实验装置主要由冷凝蒸发器、排风扇、电磁阀组、温湿度传感器和加热器等部分组成。

请参照图1所示，现有技术中，高低温试验箱温度控制均采用PID温度控制法，利用控制器的PID控制模块SSR(固态继电器)的控制方式。但试验箱在高低温实验时温度循环时间较长，常经历比如箱体震动、噪声等非线性影响因素较多，当受到扰动时波动大、强耦合等问题时，难以构建合理的数学模型，传统PID控制器常常会产生较大的过冲和在调节上花费较长的时间，使控制效果不佳，无法满足系统高精度控制的需求。

发明内容

为了解决上述背景技术中提出的一个或者多个问题，本申请提出一种高低温试验箱温控系统的模糊控制方法。本申请还涉及一种高低温试验箱温控系统的模糊控制装置。

本申请提供一种高低温试验箱温控系统的模糊控制方法，包括：

采集高低温试验箱内反馈温度信息；

将所述反馈温度信息与预设的温度阈值进行比较，获得误差与误差变化率；

根据预设的模糊规则，将所述误差和误差变化率分别在各自模糊跪着的论域内模糊化，并建立模糊规则表；

基于所述模糊规则表，通过查表修正包括比例系数、时间积分常数和时间微分常数的修正参数，根据所述修正参数生成控制指令。

可选的，所述修正参数的获取：

基于设定的误差动态范围确定模糊论域表达式；

根据所述模糊论域表达式确定所述误差和误差变化率、所述修正参数的模糊子集；

根据预设的所述误差和误差变化率对所述修正参数对应PID的调节规则确定所述修正参数的值；

根据所述修正参数的值计算所述PID值。

可选的，所述模糊论域表达式如下：

其中[e

间微分常数。

可选的，所述查表步骤如下：

根据所述误差和误差变化率对应模糊子论域，在matlab模糊工具箱RuleViewer中得出对应输出控制变量值；

基于所述模糊规则表，将表内数据依照由上及下、由左及右的顺序依次键入共享数据块DB6.DBD0～DB6.DBD584中；

计算所述修正参数的地址偏移，确定所述误差和误差变化率对应的修正参数。

本申请还提供一种高低温试验箱温控系统的模糊控制装置，包括：

采集模块，用于采集高低温试验箱内反馈温度信息；

比较模块，用于将所述反馈温度信息与预设的温度阈值进行比较，获得误差与误差变化率；

规则模块，用于根据预设的模糊规则，将所述误差和误差变化率分别在各自模糊跪着的论域内模糊化，并建立模糊规则表；

计算模块，用于基于所述模糊规则表，通过查表修正包括比例系数、时间积分常数和时间微分常数的修正参数，根据所述修正参数生成控制指令。

可选的，所述计算模块包括：

第一单元，用于基于设定的误差动态范围确定模糊论域表达式；

第二单元，用于根据所述模糊论域表达式确定所述误差和误差变化率、所述修正参数的模糊子集；

第三单元，与偶那个鱼根据预设的所述误差和误差变化率对所述修正参数对应PID的调节规则确定所述修正参数的值；

第四单元，用于根据所述修正参数的值计算所述PID值。

可选的，所述模糊论域表达式如下：

其中[e

间微分常数。

可选的，所述计算模块还包括：

控制单元，用于根据所述误差和误差变化率对应模糊子论域，在matlab模糊工具箱RuleViewer中得出对应输出控制变量值；

键入单元，用于基于所述模糊规则表，将表内数据依照由上及下、由左及右的顺序依次键入共享数据块DB6.DBD0～DB6.DBD584中；

参数单元，用于计算所述修正参数的地址偏移，确定所述误差和误差变化率对应的修正参数。

本申请相较于现有技术的优点是：

本申请提供一种高低温试验箱温控系统的模糊控制方法，包括：采集高低温试验箱内反馈温度信息；将所述反馈温度信息与预设的温度阈值进行比较，获得误差与误差变化率；根据预设的模糊规则，将所述误差和误差变化率分别在各自模糊跪着的论域内模糊化，并建立模糊规则表；基于所述模糊规则表，通过查表修正包括比例系数、时间积分常数和时间微分常数的修正参数，根据所述修正参数生成控制指令。本申请通过模糊PID控制是在PLC内部实现的，根据PID的输出值控制加热器动作，通过采集的反馈温度与设值比较，以更精确的保持温度的控制。

附图说明

图1是本申请中现有技术框架示意图。

图2是本申请中高低温试验箱温控系统的模糊控制流程示意图。

图3是本申请中高低温试验箱框架示意图。

图4是本申请中模糊PID温度控制结构示意图。

图5是本申请中模糊PID程序块结构示意图。

图6是本申请中软件流程图。

图7是本申请中高低温试验箱温控系统的模糊控制流程装置示意图。

具体实施方式

以下内容均是为了详细说明本申请要保护的技术方案所提供的具体实施过程的示例，但是本申请还可以采用不同于此的描述的其他方式实施，本领域技术人员可以在本申请构思的指引下，采用不同的技术手段实现本申请，因此本申请不受下面具体实施例的限制。

本申请提供一种高低温试验箱温控系统的模糊控制方法，包括：采集高低温试验箱内反馈温度信息；将所述反馈温度信息与预设的温度阈值进行比较，获得误差与误差变化率；根据预设的模糊规则，将所述误差和误差变化率分别在各自模糊跪着的论域内模糊化，并建立模糊规则表；基于所述模糊规则表，通过查表修正包括比例系数、时间积分常数和时间微分常数的修正参数，根据所述修正参数生成控制指令。本申请通过模糊PID控制是在PLC内部实现的，根据PID的输出值控制加热器动作，通过采集的反馈温度与设值比较，以更精确的保持温度的控制。

图2是本申请中高低温试验箱温控系统的模糊控制流程示意图。

请参照图2所示，S101采集高低温试验箱内反馈温度信息。

在本申请中，可通过编程逻辑控制器PLC完成试验箱内数据采集、模糊算法与PID算法实现、自动与手动逻辑控制等功能。

图3是本申请中高低温试验箱框架示意图。

请参照图3所示，所述PLC的I/O端与开关量数字信号、温度湿度等模拟信号相连，内部可完成数字量与模拟量的转换运算。通过采集试验箱内温度，经由PLC的模糊PID程序运算，可以完成对继电器、加热器以及警报单元的控制。

请参照图2所示，S102将所述反馈温度信息与预设的温度阈值进行比较，获得误差与误差变化率。

本申请将试验箱设定为所需温度值，通过传感器采集箱内反馈温度值到PLC，经过反馈值与设定值比较得到误差e与误差变化率ec。

本申请通过进行模糊集合运算，使参数修正好的PID控制器驱动继电器来调节加热器，将采集到的温度模拟量AD转化为数字量，再次与设定值比较，实现温度的调节。

请参照图2所示，S103根据预设的模糊规则，将所述误差和误差变化率分别在各自模糊规则的论域内模糊化，并建立模糊规则表。

具体的，模糊PID控制在PLC程序中的实现，本申请采用的西门子用户程序基本的设计原则是以模块化结构进行逻辑编程。

具体的，基于所述西门子用户程序，在STEP7用户程序中常见的块主要包括组织块(OB)、功能块(FB)、功能(FC)、系统功能块(SFB)、系统功能(SFC)、背景数据块(DI)、共享数据块(DB)，本申请基于结构化体系去编程实现模糊算法，如图5所示。

具体的，依据采集温度值误差与误差变化率对于PID控制参数的调节规则，根据专家经验，总结出了温控系统中模糊控制规则共49条，例如：

(1) “ifEisNBandECisNB,thenΔk

(2) “ifEisNBandECisNS,thenΔk

……

(49)“ifEisPBandECisPB,thenΔk

得到的该模糊规则是可以根据控制要求适当调整，通过离线计算可分别求出不同模糊糊集合e、ec对应不同的的输出量Δk

进一步的，本申请包含温控特性所具有的大惯性和时变参数的复杂过程对象。传统的PID控制虽应用较广，但存在其控制参数不可调整的缺陷，且在工业控制中，模糊算法一般不单独使用，多的是将模糊算法与PID相结合，使其控制规则通过PID参数形成量化值，控制系统运行。

因此，本申请中模糊控制的设计如下：

设温度的误差动态范围为[e

将e与ec模糊化，模糊化后的e、ec与模糊修正参数输出量Δk

请参照图2所示，S104基于所述模糊规则表，通过查表修正包括比例系数、时间积分常数和时间微分常数的修正参数，根据所述修正参数生成控制指令。

本申请中，位置式PID控制算法：

模糊自适应PID控制算法在系统中分两步进行控制，一是明确其初始参数k*p、k*i、k*d，二是根据模糊控制器输出的整定值Δk

本申请中，模糊PID控制算法应用于本文训练系统的关键在于下位机模糊控制程序的实现，其难点为模糊控制查询表的查询问题。

图5是本申请中模糊PID程序块结构示意图。

如附图5所示，OB1是主循环程序块，完成对子程序(FB模块、FC模块)的调用。在此控制程序中，设定功能块FB5为模糊控制算法模块，它包含四个子功能模块，FC3实现e、ec的计算及模糊化量化处理，FC4用来对模糊控制表进行程序查询，FC5对PID三个参数KP、KI、KD解模糊处理。DB5为FB5对应背景块，其主要存储系统的设定值、反馈值、误差值、比例因子、量化因子等参数，且均设定为实型数据。DB6为共享数据块，模糊表输出数据值存于此。FB41为系统模块库中PID控制模块，DB7为其对应背景数据块。

本申请中模糊表查询是关键所在。已知e、ec对应模糊论域{-3，3}，在matlab模糊工具箱RuleViewer中可得出对应输出控制变量值。

模糊表建立以后，将表内数据依照由上及下、由左及右的顺序依次键入共享数据块DB6.DBD0～DB6.DBD584中。

在PLC程序中采用基址+变址的寻址方式访问。数据为Real型且每数据占一个双字，由于输出量的基址为0，则三个参数△Kp、△Ki、△Kd的偏移地址分别为：

{[(EC+3)×21+(E+3)×3+0]}×4；

{[(EC+3)×21+(E+3)×3+1]}×4；

{[(EC+3)×21+(E+3)×3+2]}×4；

例如,当E＝2，EC＝3时，Δk

本申请建立基于模糊算法自适应调节PID参数的温度控制方法；附图4所示的e、ec代表反馈温度与设定温度之间的误差与误差变化率，而模糊控制的关键是模糊规则，它是建立在模糊集合上的一种基于语言规则与模糊推理的控制理论，基于专家经验制而不是单纯依靠数学公式工作。

将模糊集合的理论与PID控制相结合，将误差与误差变化率分别在各自论域内模糊化并建立模糊规则表，以查表的形式查询修正△KP、△KI、△KD的值，进而完成PID三个参数KP(比例系数)、KI(积分时间常数)、KD(微分时间常数)的调节。本设计的模糊PID控制是在PLC内部实现的，根据PID的输出值控制加热器动作，通过采集的反馈温度与设值比较，根据此系统来保持温度的控制。

本申请还提供一种高低温试验箱温控系统的模糊控制装置，包括：采集模块201，比较模块202，规则模块203和计算模块204。

图7是本申请中高低温试验箱温控系统的模糊控制流程装置示意图。

请参照图7所示，采集模块201，用于采集高低温试验箱内反馈温度信息。

在本申请中，可通过编程逻辑控制器PLC完成试验箱内数据采集、模糊算法与PID算法实现、自动与手动逻辑控制等功能。

图3是本申请中高低温试验箱框架示意图。

请参照图3所示，所述PLC的I/O端与开关量数字信号、温度湿度等模拟信号相连，内部可完成数字量与模拟量的转换运算。通过采集试验箱内温度，经由PLC的模糊PID程序运算，可以完成对继电器、加热器以及警报单元的控制。

请参照图7所示，比较模块202，用于将所述反馈温度信息与预设的温度阈值进行比较，获得误差与误差变化率。

本申请将试验箱设定为所需温度值，通过传感器采集箱内反馈温度值到PLC，经过反馈值与设定值比较得到误差e与误差变化率ec。

本申请通过进行模糊集合运算，使参数修正好的PID控制器驱动继电器来调节加热器，将采集到的温度模拟量AD转化为数字量，再次与设定值比较，实现温度的调节。

请参照图7所示，规则模块203，用于根据预设的模糊规则，将所述误差和误差变化率分别在各自模糊跪着的论域内模糊化，并建立模糊规则表。

具体的，模糊PID控制在PLC程序中的实现，本申请采用的西门子用户程序基本的设计原则是以模块化结构进行逻辑编程。

具体的，基于所述西门子用户程序，在STEP7用户程序中常见的块主要包括组织块(OB)、功能块(FB)、功能(FC)、系统功能块(SFB)、系统功能(SFC)、背景数据块(DI)、共享数据块(DB)，本申请基于结构化体系去编程实现模糊算法，如图5所示。

具体的，依据采集温度值误差与误差变化率对于PID控制参数的调节规则，根据专家经验，总结出了温控系统中模糊控制规则共49条，例如：

(1)“ifEisNBandECisNB,thenΔk

(2)“ifEisNBandECisNS,thenΔk

……

(49)“ifEisPBandECisPB,thenΔk

得到的该模糊规则是可以根据控制要求适当调整，通过离线计算可分别求出不同模糊糊集合e、ec对应不同的的输出量Δk

进一步的，本申请包含温控特性所具有的大惯性和时变参数的复杂过程对象。传统的PID控制虽应用较广，但存在其控制参数不可调整的缺陷，且在工业控制中，模糊算法一般不单独使用，多的是将模糊算法与PID相结合，使其控制规则通过PID参数形成量化值，控制系统运行。

因此，本申请中模糊控制的设计如下：

设温度的误差动态范围为[e

将e与ec模糊化，模糊化后的e、ec与模糊修正参数输出量Δk

请参照图7所示，计算模块204，用于基于所述模糊规则表，通过查表修正包括比例系数、时间积分常数和时间微分常数的修正参数，根据所述修正参数生成控制指令。

本申请中，位置式PID控制算法：

模糊自适应PID控制算法在系统中分两步进行控制，一是明确其初始参数k*p、k*i、k*d，二是根据模糊控制器输出的整定值Δk

本申请中，模糊PID控制算法应用于本文训练系统的关键在于下位机模糊控制程序的实现，其难点为模糊控制查询表的查询问题。

图5是本申请中模糊PID程序块结构示意图。

如附图5所示，OB1是主循环程序块，完成对子程序(FB模块、FC模块)的调用。在此控制程序中，设定功能块FB5为模糊控制算法模块，它包含四个子功能模块，FC3实现e、ec的计算及模糊化量化处理，FC4用来对模糊控制表进行程序查询，FC5对PID三个参数KP、KI、KD解模糊处理。DB5为FB5对应背景块，其主要存储系统的设定值、反馈值、误差值、比例因子、量化因子等参数，且均设定为实型数据。DB6为共享数据块，模糊表输出数据值存于此。FB41为系统模块库中PID控制模块，DB7为其对应背景数据块。

本申请中模糊表查询是关键所在。已知e、ec对应模糊论域{-3，3}，在matlab模糊工具箱RuleViewer中可得出对应输出控制变量值。

模糊表建立以后，将表内数据依照由上及下、由左及右的顺序依次键入共享数据块DB6.DBD0～DB6.DBD584中。

在PLC程序中采用基址+变址的寻址方式访问。数据为Real型且每数据占一个双字，由于输出量的基址为0，则三个参数△Kp、△Ki、△Kd的偏移地址分别为：

{[(EC+3)×21+(E+3)×3+0]}×4；

{[(EC+3)×21+(E+3)×3+1]}×4；

{[(EC+3)×21+(E+3)×3+2]}×4；

例如,当E＝2，EC＝3时，Δk

本申请建立基于模糊算法自适应调节PID参数的温度控制方法；附图4所示的e、ec代表反馈温度与设定温度之间的误差与误差变化率，而模糊控制的关键是模糊规则，它是建立在模糊集合上的一种基于语言规则与模糊推理的控制理论，基于专家经验制而不是单纯依靠数学公式工作。

将模糊集合的理论与PID控制相结合，将误差与误差变化率分别在各自论域内模糊化并建立模糊规则表，以查表的形式查询修正△KP、△KI、△KD的值，进而完成PID三个参数KP(比例系数)、KI(积分时间常数)、KD(微分时间常数)的调节。本设计的模糊PID控制是在PLC内部实现的，根据PID的输出值控制加热器动作，通过采集的反馈温度与设值比较，根据此系统来保持温度的控制。