基于预估模糊PID的恒温箱温度控制系统优化设计

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针对烟草等行业用恒温箱温度控制中存在的调温速度慢、温度控制精度低等问题,应用经验建模法构建了恒温箱温控数学模型,利用WOA算法优化设计了恒温箱温度控制系统,并借助电路仿真和对比试验验证了该优化控制系统达到了调温速度快、控制精度高、稳定性能好的设计需求。(1)基于恒温箱基本结构与温控原理,应用经验建模法和两点法确定参数构建了恒温箱温控数学模型;基于模型利用WOA算法优化设计了 Smith预估模糊PID控制器,并借助MATLAB软件分别搭建了经典PID、普通Smith预估模糊PID、改进Smith预估模糊PID三种控制仿真结构,通过模拟仿真证明了优化的Smith预估模糊PID控制器的瞬态性能、稳态性能以及抗干扰性能(特别是鲁棒性)最优。(2)基于优化设计的Smith预估模糊PID控制器优异的瞬态性能、稳态性能以及抗干扰性能,对恒温箱温度控制系统电路进行了设计。通过选取带探头的DS18B20作为温度传感器,设计了阻值为4.7KΩ上拉电阻式温度检测电路;通过选用STM32单片机作为控制器,设计了由单片机复位电路、单片机晶振电路和单片机降压电路组成的温度控制器电路;通过选用电加热片和风扇作为加热器和制冷器,设计了基于继电器间接驱动的升温电路和降温电路;通过选用LCD1602,设计了温度显示电路。(3)为验证优化设计的恒温箱温度控制系统的有效性,设计了温度读取程序、温度控制主程序和温度显示程序流程图,并应用程序编译软件Keil编写了恒温箱控制系统的C语言程序;借助Proteus电路仿真软件对该温度控制系统的升温、保温、降温过程进行了仿真模拟。结果表明:该优化后的控制系统升温阶段,升温响应积极、升温速度可调、运行可靠;保温阶段,保温效果良好、运行平稳;降温阶段,降温速度可控、降温过程平顺。(4)为了验证优化的Smith预估模糊PID的恒温箱温度控制系统能否实现预期功能,进行了控制系统对比测试试验。通过与普通PID恒温箱的对比测试,证明了采用优化的Smith预估模糊PID的温度控制系统,在动态性能和静态性能方面表现更佳优异,达到了调温速度快、控制精度高、稳定性能好的设计需求。
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