張開(kāi)生，折 嬌

（陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西西安 710021）

0 引言

蒸汽加熱罐是獼猴桃果脯制作過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備，果脯產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，很大程度上取決于蒸汽加熱罐的溫度和加熱時(shí)間。目前，獼猴桃果脯加工多停留在較傳統(tǒng)的工藝步驟上，手工加工使得低糖果脯加工工藝與添加劑配方都還不能有效進(jìn)行［1］。本研究采用嵌入式微處理器依據(jù)模糊控制方法對(duì)獼猴桃果脯生產(chǎn)工藝進(jìn)行調(diào)控，32位高速控制系統(tǒng)比單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)有了更高的測(cè)量精度和控制精度，而且實(shí)時(shí)性好，能進(jìn)行復(fù)雜的算法運(yùn)算，系統(tǒng)裝置體積也大大減小，有著非常人性化的人機(jī)界面。模糊自整定PID不僅能發(fā)揮模糊控制的魯棒性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、上升時(shí)間快和超調(diào)小的特點(diǎn)，而且具有PID控制器的動(dòng)態(tài)跟蹤品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度［2］。因此，對(duì)指導(dǎo)成本低、性能可靠、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制的低糖獼猴桃果脯自動(dòng)化加工工藝，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

蒸汽加熱罐溫度控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。溫度控制系統(tǒng)以LPC2103為核心，外擴(kuò)鍵盤(pán)輸入、LCD和超溫報(bào)警等外圍電路實(shí)現(xiàn)。加熱罐的溫度由傳感器DS18B20檢測(cè)，通過(guò)微控制器一方面將溫度經(jīng)LCD顯示出來(lái);另一方面將該溫度值與被控制值（由鍵盤(pán)輸入的設(shè)定溫度值）進(jìn)行比較，根據(jù)其偏差值的大小，采用模糊自整定PID控制算法進(jìn)行運(yùn)算，最后通過(guò)D/A與V/I轉(zhuǎn)換電路，驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)蒸汽的通入，也可以通過(guò)手操器的手動(dòng)、自動(dòng)切換手動(dòng)調(diào)節(jié)薄膜閥，進(jìn)而達(dá)到對(duì)蒸汽加熱罐溫度的控制。如果實(shí)際測(cè)得的溫度值超過(guò)預(yù)先設(shè)定的溫度范圍，LPC2103就會(huì)向報(bào)警裝置發(fā)出指令，從而進(jìn)行超溫報(bào)警。同時(shí)通過(guò)E2PROM來(lái)儲(chǔ)存必要的數(shù)據(jù)，以便日后查詢(xún)。

2 溫控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用 Philips公司推出的基于 ARM7TDMI—S，LQFP48封裝的LPC2103高速處理器，它的最高工作速度可達(dá)70 MHz，外設(shè)工作電壓為3.3 V，內(nèi)核工作電壓為1.8 V。高工作頻率、低功耗以及小封裝充分滿(mǎn)足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Overall structure block diagram of system

溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以LPC2103為核心控制模塊，通過(guò)擴(kuò)展的相應(yīng)模塊來(lái)共同完成系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示，各模塊主要實(shí)現(xiàn)以下功能:

1）數(shù)據(jù)采集:由單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20檢測(cè)溫度，同時(shí)完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能，方便計(jì)算機(jī)可以直接識(shí)別傳感器的輸出值，完成溫度數(shù)據(jù)的采集。

2）鍵盤(pán)輸入:由用戶(hù)設(shè)置所需溫度和各參數(shù)值，讀取并保存鍵盤(pán)信息。

3）顯示模塊:方便用戶(hù)監(jiān)測(cè)蒸汽加熱罐的狀態(tài)，選用單色點(diǎn)陣型圖形液晶顯示模塊HG12864，接收微控制器傳送的顯示信息。

4）限溫模塊:設(shè)置異常和溫度超標(biāo)報(bào)警。

5）輸出控制模塊:將輸出量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換與V/I轉(zhuǎn)換，控制薄膜式蒸汽調(diào)節(jié)閥。

圖2 系統(tǒng)硬件電路圖Fig 2 The hardware circuit

3 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序開(kāi)發(fā)都是基于ADS1.2集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)而進(jìn)行的。設(shè)計(jì)采用模塊化思想，依據(jù)系統(tǒng)所要完成的任務(wù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括主模塊、溫度檢測(cè)模塊、模糊控制算法模塊、鍵盤(pán)、顯示和報(bào)警模塊，其軟件設(shè)計(jì)的主流程圖如圖3所示。

采集溫度時(shí)，為了在最大程度上減小干擾的影響，取連續(xù)3次采樣結(jié)果，如果數(shù)據(jù)相差不超過(guò)0.2℃，則取這3個(gè)數(shù)據(jù)的平均值即可，若超過(guò)則丟棄數(shù)據(jù)重新進(jìn)行采樣。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，該方法能夠較好地保證控制器平穩(wěn)地進(jìn)行工作。模糊控制器設(shè)計(jì)是利用Matlab進(jìn)行仿真，由軟件編程得到合理的參數(shù)，進(jìn)而調(diào)節(jié)模糊自整定PID算法。鍵盤(pán)工作方式采用中斷掃描，可進(jìn)一步提高CPU工作效率，同時(shí)利用軟件消抖，增加按鍵可靠性的判斷。

圖3 軟件設(shè)計(jì)主流程圖Fig 3 Main flow chart of the software

4 溫度模糊控制器設(shè)計(jì)

由于在低糖獼猴桃果脯制作過(guò)程中，不同處理液體、不同溫度及不同處理時(shí)間下，加工出來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量是不同的，同時(shí)控制系統(tǒng)也難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，為此設(shè)計(jì)模糊自整定PID控制蒸汽加熱罐的溫度［1，3］。實(shí)現(xiàn)思想是先找出PID各個(gè)參數(shù)與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過(guò)不斷檢測(cè)e和ec，再根據(jù)模糊控制原理來(lái)對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿(mǎn)足在不同e和ec時(shí)對(duì)控制參數(shù)的不同要求，使控制對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，且計(jì)算量小，易于實(shí)現(xiàn)［4］。其控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 模糊自整定控制器結(jié)構(gòu)Fig 4 Structure of fuzzy self-tuning controller

5 溫度模糊控制器軟件的設(shè)計(jì)

溫度控制器軟件的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，需要有效地利用模糊控制技術(shù)來(lái)提高控制精度［5］，具體的模糊控制算法流程圖如圖5。

圖5 模糊控制算法流程圖Fig 5 Flow chart of fuzzy control algorithm

6 仿真分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證模糊自整定PID控制算法的合理性，采用SIMULINK軟件工具進(jìn)行仿真分析，同時(shí)建立.fis文件，確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量，根據(jù)分析分別輸入E，EC，KP，KI和KD的隸屬度函數(shù)和量化區(qū)間，設(shè)計(jì)完成49條模糊控制規(guī)則的輸入。

其中，建立的SIMULINK模型如圖6。最后得出常規(guī)PID和模糊PID仿真結(jié)果如圖7。

圖6 仿真模型Fig 6 Simulation model

圖7 常規(guī)PID和模糊PID仿真結(jié)果Fig 7 Conventional PID and fuzzy PID simulation results

從仿真結(jié)果可以看出:模糊自整定PID控制比常規(guī)PID有較小的超調(diào)量與調(diào)節(jié)時(shí)間，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，并且同步精度較高。

7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

蒸汽加熱罐溫度控制系統(tǒng)的溫度實(shí)驗(yàn)變化曲線如圖8。

從圖8所示可知，采用DS18B20集成溫度傳感器對(duì)蒸汽加熱罐溫度進(jìn)行采集，由ARM微控制器LPC2103進(jìn)行模糊控制運(yùn)算，控制精度可達(dá)±0.2℃，并且溫度變化穩(wěn)定。

圖8 實(shí)驗(yàn)溫度變化曲線Fig 8 Experimental temperature change curve

8 結(jié)論

采用微控制器LPC2103利用模糊PID對(duì)獼猴桃果脯生產(chǎn)中的蒸汽加熱罐的溫度進(jìn)行控制，溫度控制精度為±0.2℃。DS18B20溫度傳感器具有測(cè)量速度快、精度高、智能化等特點(diǎn)，由此構(gòu)成的溫度控制系統(tǒng)可靠性高、成本低，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用范圍廣，對(duì)于提高獼猴桃果脯的生產(chǎn)質(zhì)量具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

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