温度控制:PID与模糊逻辑

人们普遍认为温度控制是一个成熟且基本不变的技术领域。仍然有工业应用(例如，注塑工艺)，不仅需要精确的温度控制，而且还需要更快的预热阶段和更快的响应干扰，当设定值变化时，最小的超调和欠调。传统的比例-积分-导数(PID)控制技术无法满足这些额外的挑战。

设计高度精密的温度控制器基本上有两个方向。一种方法是增加传统PID控制器所没有的特性，另一种方法是采用模糊逻辑控制。

加强PID温度控制器的设计

加热和冷却过程的不同速度(即时间常数)需要根据温度设定值动态自适应PID常数。这种适应需要加热器模型——加热过程的逆静态特性。一旦控制系统实现了加热模型，其输出就可以适当地用作前馈变量。另一方面，前馈变量与积分成员的输出可以帮助加热器模型更多地了解加热过程。

近似时间最优控制方法需要将温度控制的总范围分成三个范围，每个范围有不同的控制机制。在第一个范围(温度远低于设定值)和最后一个范围(温度远高于设定值)，一个恒定的(分别为满或零)功率被应用，调节误差积分被搁置。在中间范围(设定点值在中心)，线性PID控制起作用。在这种情况下，所谓的线性控制区(LCZ)，另一种非线性，调节误差限值(REL)可以使用-它将有助于限制温度过/过低。图1显示了增强型PID温度控制器的框图，适用于最苛刻的应用。

模糊逻辑

图1

模糊逻辑的原理已经为工程师们所熟知超过35年。模糊控制(即，模糊逻辑在控制系统中的作用)变得特别有吸引力，特别是对于最小的微控制器，因为这种技术需要更少的计算能力，并且比传统的PID补偿需要更少的操作内存。

图2

模糊控制的基本形式是模拟人工控制过程。一个人根据瞬时温度与设定值的偏差(调节误差e(n))和温度变化率(或调节误差的导数e(n))来调节施加到加热元件上的功率。整个过程更多的是由一种感觉控制，而不是由物理或数学行为的知识控制。温度偏差和温度变化率是高、低还是中等?模糊控制在过程变量状态完全相同的情况下工作。

模糊温度控制器的框图(图2)显示了模糊控制器的输出是如何与前馈模块的输出相结合的，就像在增强型传统PID控制器的情况下一样。一个类似的适配器模块优化了去模糊化过程(将模糊化的输出变量映射到其清晰的输出值)，同时帮助加热器模型更多地了解加热过程。

做决定

如果需要快速预热阶段等附加功能，即使是温度控制这样简单的过程也可能成为一项复杂的任务。实现增强的传统PID控制器可能是一个挑战，特别是如果需要自动调整功能来帮助找到最佳PID常数。然而，PID控制理论是非常知名的，并广泛应用于许多其他控制应用。

另一方面，模糊控制似乎以较低的复杂性完成了相同的控制质量。用一阶或更高阶的多项式逼近时间最优控制系统中使用的二阶开关曲线(增强型PID控制中的LCZ仅提供零阶逼近)使模糊控制成为时间最优控制应用的更好候选。作为一种相对较新的控制方法，它提供了更多的改进空间。

作者信息

Peter Galan是北电网络的控制软件工程师

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