[发明专利]基于前馈反馈模糊自整定PID控制算法的恒温水浴控制方法

权利要求书

1.基于前馈反馈模糊自整定PID控制算法的恒温水浴控制方法，其特征在于；

所述基于前馈反馈模糊自整定PID控制算法的恒温水浴控制方法的恒温水浴槽监控系统为单输入、单输出的系统，所述系统具有纯滞后环节和自平衡，其数学模型表示可以使用一阶的系统加纯滞后环节来描述，传递函数为：

上式中：K—表示静态增益，T—表示时间常数，τ--表示纯滞后时间；

所述基于前馈反馈模糊自整定PID控制算法的恒温水浴控制方法，具体如下；

1)进行恒温水浴槽温度阶跃曲线的测定；

当被控制对象或者被测系统从一个稳定的状态到另一个稳定的状态的过程中，其动态特性才会表现出来，所以，想要测量系统的动态特性，就必须让系统处于变化的状态下，采用了时域测定的分析方法对系统进行测量；

首先，对被控对象输入一个阶跃信号，测量其输出的响应变化曲线，再对响应曲线进行分析，从而得出确定被测定对象的传递函数；

2)建立恒温水浴槽温度数学模型；

在求解恒温水浴槽系统的传递函数时，通过实验确定带纯滞后的一阶系统的时间常数T，当t＝τ+T时，输出达到系统终值的63％，当t＝τ+1/2T时，输出达到系统终值的39％，

具体如下：

(1)通过实验数据表绘制响应曲线；

(2)在响应曲线上取两点h(t₁)和h(t₂),这两点满足公式2；

其中h(∞)为响应曲线的稳态值；

(3)由实验数据的h(∞)＝11.9，由式2计算得；

(4)由步骤2可以在图表中查的得到t₁＝928和t₂＝1760；

根据式4，可以得到K、T、τ的值；

经计算的K＝14.7、T＝1664、τ＝96；

得到恒温水浴槽控制系统的传递函数为：

3)通过模糊PID控制算法进行控制；

本系统实现的目的就是精确控温，将水浴槽内的温度精度控制在0.1℃，本系统分别采用PID和模糊PID两种控制算法，并加入了前馈反馈控制技术，通过算法来消除误差并提高控制精度；

为了将温度控制在很高的精度上，首先在控制温度的时候，根据本系统的物理模型，本系统采用的是增量式PID控制算法，这种算法的优点是不会占用较多的储存单元，且便于编写程序，但是其输出会随着误差值的减少而减少，因此当检测温度达到目标温度的时候PID算法输出为零，这样一来就会存在有不能消除的稳态误差，且此误差在不同的温度情况下，受系统散热的干扰一直在波动，因此本系统采用了前馈-反馈控制技术，首先前馈控制是一种开环控制形式，只要在系统其它条件不变的情况下，根据系统的当前扰动，选择出合适的温度补偿值对扰动量进行直接校正，这样就可以到达很高的温度控制精度；

列表在其他条件不变，且正常环境温度为25℃的情况下，通过多次实验总结出在不同目标温度区域内补偿值的选取；

根据目标温度与温度补偿值的关系表，由于随着温度补偿值的等差增加，目标温度的增加速率逐渐变慢，其变化情况和指数函数接近，因此设其函数关系式为:

y＝a·xⁿ+b (6)

代入数值计算得a＝2.15×10^-6，n＝3.2,b＝-0.0876965，则其函数关系式为：

y＝2.15×10^-6·x^3.2-0.0876965 (7)

用MATLAB对函数关系式的函数曲线和温度补偿关系表中的数据变化曲线进行对比，可以看出两根曲线在一定目标温度范围内基本重合，因此可以利用这个函数关系式建立一个闭环的前馈-反馈控制结构，这样既能够发挥前馈控制对扰动的补偿作用，又能保留反馈控制对偏差的控制作用。

2.根据权利要求1所述的基于前馈反馈模糊自整定PID控制算法的恒温水浴控制方法，其特征在于：所述恒温水浴控制方法的通信方面共使用RS-232和RS-485两种通讯方式。