余 堯，王先全，朱桂林，張虹光，雷毅談

（重慶理工大學(xué)機械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，時柵傳感及先進檢測技術(shù)重慶市重點實驗室，重慶 400054）

PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一。目前的工業(yè)控制中仍然用著PID控制器，或者改進型的PID控制器，在這些PID控制器中，溫度控制具有大滯后、大慣性、時變性，升溫單向性等特點，因此傳統(tǒng)的PID控制不能實現(xiàn)有效的溫度控制［1］。該系統(tǒng)設(shè)計用于新型的煙熏治療儀，我們知道煙熏治療儀用于眼耳鼻等人體脆弱敏感的部位，所以對治療藥霧的溫度穩(wěn)定性能提出了較高的要求，溫度太高會灼傷人體敏感部位，溫度太低又會影響藥劑的治療效果。經(jīng)多次試驗，最終選定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法作為本系統(tǒng)控制的核心算法，才將溫度控制在要求的范圍內(nèi)。

1 PID控制的基本原理

PID工作基理：由于來自外界的各種擾動不斷產(chǎn)生，要想達(dá)到現(xiàn)場控制對象值保持恒定的目的，控制作用就必須不斷的進行。若擾動出現(xiàn)使得現(xiàn)場控制對象值（以下簡稱被控參數(shù)）發(fā)生變化，現(xiàn)場檢測元件就會將這種變化采集后經(jīng)變送器送至PID控制器的輸入端，并與其給定值（以下簡稱SP值）進行比較得到偏差值Error（以下簡稱e值），調(diào)節(jié)器按此偏差并以我們預(yù)先設(shè)定的整定參數(shù)控制規(guī)律發(fā)出控制信號，去改變調(diào)節(jié)器的開度，使調(diào)節(jié)器的開度增加或減少，從而使現(xiàn)場控制對象值發(fā)生改變，并趨向于給定值（SP值），以達(dá)到控制目的［2-4］?？刂品绞饺鐖D1所示。

圖1 PID控制的基本原理圖

PID控制是隨著PID系數(shù)的變化而改變的，也就是說PID控制是一種線性的控制方式，輸入值r（t）與輸出值y（t）構(gòu)成輸入偏差e（t），然后偏差輸入e（t）經(jīng)過比例，積分和微分作用，將3種作用結(jié)果疊加就得到了PID控制器的控制輸出值U（t）。

本控制系統(tǒng)采用的數(shù)字PID控制的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

式中：KP為比例系數(shù)；Ki為積分系Ki=Ti/T；Kd為微分系數(shù)，Kd=Td/T；u(k)為第K次PID控制器的輸出值；e(k)為第K次采樣控制器的輸入偏差值；e(k-1)為第K-1次采樣控制器的輸入偏差值；T為數(shù)據(jù)采樣周期值。

2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對傳統(tǒng)PID的改進

傳統(tǒng)PID溫控系統(tǒng)中，由于參數(shù)不能在線進行實時調(diào)整，所以在控制過程中存在很大的滯后，控制時間長且穩(wěn)定度不高，在工業(yè)生產(chǎn)中達(dá)不到理想的效果?；诖?，本控制系統(tǒng)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對PID參數(shù)進行自整定的方法，在溫度控制過程中可以根據(jù)當(dāng)前溫度值與設(shè)定溫度值的偏差值的大小對PID參數(shù)進行實時調(diào)整，從而實現(xiàn)以最快的速度穩(wěn)定達(dá)到設(shè)定值。

利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制方式如下如圖2所示。

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方式

本系統(tǒng)采用最簡的3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)輸入層節(jié)點的輸出為：

式中：η為學(xué)習(xí)速率，α為慣性系數(shù)。

在本控制系統(tǒng)中把當(dāng)前溫度TEM，用戶設(shè)定溫度SET，和兩者的偏差Error作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層，x1，x2，x3.然后通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自整定輸出控制電壓U，以U值作為PWM波的占空比對溫度進行調(diào)節(jié)，最后不斷的通過自整定使得當(dāng)前溫度與用戶設(shè)定溫度值的偏差為0.通過仿真可以看到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制響應(yīng)速度快，溫度控制穩(wěn)定性高，所以從方法上來說BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制具有優(yōu)越的性能，對本控制系統(tǒng)具有良好的優(yōu)化作用，基于此，本系統(tǒng)最終采用了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制作為本溫度控制系統(tǒng)的控制算法。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)的硬件主要由溫度傳感器AD590，OP07信號放大電路，A/D采樣輸入，ARM控制系統(tǒng)，人機交互，控制輸出等6部分組成。其中人機交互由鍵盤輸入和PC圖形數(shù)值顯示組成，控制輸出部分主要有ARM輸出的PWM控制信號和開關(guān)控制電路部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 溫控系統(tǒng)框圖

為了達(dá)到控制精度在0.5℃的的要求，選用溫度傳感器AD590，AD590具有較高精度和重復(fù)性，利用其重復(fù)性良好的特性，通過線性補償可以達(dá)到0.5℃的測量精度。超低溫漂移高精度運算放大器0P07將溫度一電壓信號進行放大，便于A/D進行轉(zhuǎn)換，以提高溫度采集電路的可靠性，其電路如圖5所示。

圖5 溫度電壓轉(zhuǎn)換電路

控制輸出部分主要由ARM內(nèi)部自帶的PWM控制模塊產(chǎn)生PWM控制信號，通過控制硅片繼電器通斷加熱來實現(xiàn)溫度的穩(wěn)定控制其電路如圖6所示。

圖6 開關(guān)控制電路

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軟件程序是本控制系統(tǒng)的核心，它包括從溫度采樣到信號輸出的整個流程控制，控制流程如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)流程圖

程序功能主要由以下幾部分組成：

（1）系統(tǒng)初始化：設(shè)置各種參數(shù)初始值，設(shè)定定時器及外部中斷。

（2）BP/PID算法子程序：這是本系統(tǒng)軟件的核心部分，主要是通過算法產(chǎn)生控制信號。

（3）PWM控制子程序：產(chǎn)生不同占空比的PWM控制信號，控制開關(guān)電路的通斷。

（4）按鍵子程序：用于用戶設(shè)置溫度。

（5）A/D轉(zhuǎn)換子程序：將AD590溫度傳感器采集的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

（6）溫度采集子程序：控制傳感器采集溫度信號。

（7）無線發(fā)送/接收子程序：用于ARM與PC機之間的通信。

（8）PC顯示子程序：PC機圖形和數(shù)值顯示子程序。

5 MATLA仿真結(jié)果對比和實驗結(jié)果分析

以下PID控制以sys=tf(50，［0.125，7，0］)系統(tǒng)為控制模型，取采樣時間為 1 ms，Kp=2.4，Ki=6.6，Kd=1.5，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP-PID控制時取學(xué)習(xí)速率η=0.2，慣性系數(shù)取α=0.01，層與層之間的初始值?。?0.5，0.5］上的隨機數(shù)對PID控制在MATLAB里進行仿真，得到輸入輸出曲線如圖8所示。

以下用1.5 kW的加熱片對500 ML容器中的艾葉燃燒氣體氣進行溫度控制實驗，在實驗過程中分別給芯片燒寫不同的算法進行PID控制，結(jié)果如表1所示。

由MATLAB仿真和實驗結(jié)果可知BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制比普通PID控制調(diào)節(jié)時間更短，超調(diào)量更小，并且在穩(wěn)定性方面神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID具有明顯的優(yōu)勢，從表1可知，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法剛好能達(dá)到系統(tǒng)誤差設(shè)計的要求，范圍可以控制在±0.5℃范圍內(nèi)。

圖8 PID階躍響應(yīng)曲線

表1 PID控制實驗結(jié)果

6 總結(jié)與結(jié)論

通過MATLAB仿真和實驗結(jié)果驗證表明基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制系統(tǒng)比普通控制系統(tǒng)性能更優(yōu)越，具有更高的準(zhǔn)確性和魯棒性。本控制系統(tǒng)的開發(fā)幾經(jīng)周折，最終落腳于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制才使得系統(tǒng)溫度誤差控制在±0.5℃范圍內(nèi)，符合藥霧溫度使用要求。

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王先全（1968-），男，漢族，四川，重慶理工大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事信號檢測與處理，智能儀器，計算機軟件等研究，wangxq@cqut.edu.cn；

余 堯（1989-），男，漢族，湖北，重慶理工大學(xué)研究生，主要從事嵌入式和傳感器研究，1024110332@qq.com.。