基于模糊PID的高精度温度控制系统.pdf

摘要

随着现代工业技术的不断发展，特别是在化工、医药、材料制备等领域，对温度

控制系统的要求越来越高。精确的温度控制不仅关乎产品质量和生产效率，更是保证

生产安全、节能减排的关键环节。然而，现有的磁力搅拌器电阻炉盘往往存在大滞后、

非线性等特性，且其数学模型难以精确获取，给温度控制带来了很大的挑战。本文利

用上升曲线法构建了磁力搅拌器电阻炉盘的数学模型，在温度-电流串级控制的基础上

设计了基于模糊PID的高精度温度控制系统，能够更好地应对电阻炉盘的特性，并设

计了以STM32为控制核心的硬件电路和下位机软件以对电阻炉盘的温度控制，为了方

便调试和记录数据，本文还设计了以LabVIEW为开发平台的上位机程序，最终通过仿

真和对比实验验证了该控制系统达到了控制精度高、稳态性能好的设计要求。本文完

成的主要工作内容如下：

(1)基于电阻炉盘的加热原理，应用经验建模法和上升曲线法确定参数构建了被控

对象的数学模型；基于模型在温度-电流串级控制的基础上设计了基于模糊PID的高精

度温度控制器，并使用MATLAB仿真软件分别搭建了传统PID、温度-电流串级PID

以及本文中的模糊PID三种控制仿真结构，通过模拟仿真证明了本文中的模糊PID算

法在稳态性能方面更具优势。

(2)针对磁力搅拌器温度控制系统的硬件设计问题，本文首先采用PT1000传感器

和运放芯片设计温度与电流检测电路，利用TL432电压基准芯片构建基准电压电路，

实现了温度的精确测量。然后选用STM32单片机作为下位机的控制核心，并结合双向

可控硅实现了对电阻炉盘的加热驱动，同时设计的RS232通讯电路保证了上下位机的

数据交互。进一步，设计的HT1621设计温度显示电路配合编码器实现了人机交互。

最后，仿真实例验证了模糊PID温度控制算法取得了预期的效果。

(3)为配合下位机硬件电路以验证本文中高精度温度控制系统的有效性，应用C语

言在Keil平台设计并编写下位机软件，其中包括下位机主程序、温度电流采集程序、

平均值滤波程序、温度控制程序以及RS232通讯程序。同时，应用LabVIEW平台设

计上位机软件，上位机软件包含数据通讯、数据保存、数据导出、曲线绘制以及参数

设置等功能，方便后期的调试和温度数据记录工作。

(4)为了验证基于模糊PID的高精度温度控制系统能否实现预期功能，进行了控制

系统的对比测试实验。通过与市面上常见的磁力搅拌器温度控制系统之间的对比测试，

最终实验表明本文中基于模糊PID的高精度温度控制系统在50℃~350℃的温控范围之

间，系统的稳态误差在±1℃内，并且超调量小，达到了控制精度高、稳态性能好的设

计要求。

本研究课题所设计的基于模糊PID的高精度温度控制系统，在温度-电流串级控制

的基础上结合了模糊PID控制算法，经过仿真和对比实验验证，可以实现高精度温度

控制的要求，具有广泛的应用前景，可以满足磁力搅拌器的应用需求。

关键词：温控系统，模糊PID，串级控制，STM32，LabVIEW，电阻炉盘，磁力

搅拌器

Abstract

Withthecontinuousdevelopmentofmodernindustrialtechnology,especiallyinthefield

ofchemicalindustry,medicine,materialpreparation,etc.,therequirementsfortemperature

controlsystemaregettinghigherandhigher.Accuratetemperaturecontrolisnotonlyrelated

toproductqualityandproductionefficiency,butalsoakeylinktoensureproductionsafety,

energysavingandemissionreduction.However,theexistingmagneticst