梁達(dá)平

(天水師范學(xué)院 電信與電氣工程學(xué)院，天水 741000)

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微分先行的STM32光生物反應(yīng)器溫控設(shè)計(jì)

梁達(dá)平

(天水師范學(xué)院 電信與電氣工程學(xué)院，天水 741000)

摘要:微藻生物培養(yǎng)過程中對溫度具有嚴(yán)格要求，提高微藻培養(yǎng)裝置溢流噴射光生物反應(yīng)器溫度控制的動態(tài)性能，對于提高培養(yǎng)成活率、降低生產(chǎn)成本有著重要作用。該文提出了利用微分先行PID算法改進(jìn)光生物反應(yīng)器的溫度控制效果，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于STM32的微控制器方案。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較得出，微分先行控制方式大幅減少了調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量，與傳統(tǒng)PID控制相比具有更好的動態(tài)特性。同時，文中提出的硬件實(shí)現(xiàn)方案，具有性能高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，便于在中小型微藻養(yǎng)殖企業(yè)中推廣實(shí)施。

關(guān)鍵詞:STM32；微分先行；PID；微藻培養(yǎng)

引言

溢流噴射光反應(yīng)器是一種微藻培養(yǎng)裝置，通過提供適合的光照、溫度和通氣條件，使小球藻、螺旋藻等藻類生物進(jìn)行快速的生長繁殖。其工作原理如圖1所示，培養(yǎng)液在封閉的環(huán)路中循環(huán)流動，通過溫度控制器保證所需水溫。由于培養(yǎng)溫度的高低會直接影響酶的催化活性，從而影響藻體細(xì)胞生長效果，因此需要將水溫作為一個關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行控制[1]。

目前市場上大部分光反應(yīng)裝置配備的溫控系統(tǒng)采用的都是傳統(tǒng)PID控制算法，溫度曲線擺動幅度大、調(diào)節(jié)時間長、加熱元件動作頻繁，不僅控制效果差，而且元件維修頻繁。為解決上述問題，本文將微分先行PID算法引入到光反應(yīng)器的溫度控制中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，控制器的超調(diào)及爬升速率等性能得到較大改進(jìn)。同時，在此基礎(chǔ)上提出了基于ARM微控制器的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。

圖1　溢流噴射光反應(yīng)器原理圖

1溫度控制算法原理

傳統(tǒng)的位置式PID算法是針對設(shè)定值與被測值的偏差進(jìn)行校正的[2]，因此當(dāng)設(shè)定值發(fā)生改變時，微分作用會根據(jù)變化率升高使控制器產(chǎn)生劇烈跳變，形成微分沖擊，產(chǎn)生很大的超調(diào)量，顯然這對微藻生長的溫度環(huán)境有著很負(fù)面的影響。為了解決溫度調(diào)節(jié)時穩(wěn)定性與快速性之間的沖突，可將微分控制僅僅作用于被測量上而不作用于偏差量上，這樣設(shè)定值發(fā)生變化時就不會觸發(fā)強(qiáng)烈的微分校正，而是通過被測量的變化間接產(chǎn)生微分作用[3]。具體實(shí)現(xiàn)過程中，在微分環(huán)節(jié)的配置上可以有多種方式，如圖2～圖4所示。

圖2　基本PID控制器

圖3　微分先行PID控制器1

圖4　微分先行PID控制器2

圖3與圖4中的兩種微分先行控制算法的差別在于：算法1采用了純微分環(huán)節(jié)，校正效果簡單直接；算法2采用了低頻一階微分加高頻慣性環(huán)節(jié)，使微分作用針對更特定頻譜的信號[4]，同時改善了高頻的抗干擾性能，但運(yùn)算量較大。由于目前普遍采用了基于微控制器的數(shù)字控制技術(shù)[5]，完全可以滿足復(fù)雜的算法計(jì)算要求，從而獲得更為精確的控制效果，因此采用第二種算法。

1.1微分先行PID控制器模型的建立

設(shè)PID控制器的比例系數(shù)及時間常數(shù)分別為KP、TI、TD。則微分控制單元傳遞函數(shù)為：

(1)

將式(1)轉(zhuǎn)化成微分方程為：

(2)

離散化后的差分表達(dá)式為：

(3)

則:

(4)

比例積分控制單元傳遞函數(shù)為：

(5)

(6)

離散后的PID控制器傳遞函數(shù)為：

(7)

根據(jù)式(7)可編寫出具有微分先行功能的PID的控制程序，從而解決微分環(huán)節(jié)對控制調(diào)節(jié)量帶來的過沖擊問題。

1.2被控制對象模型的辨識

理論分析及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測定表明，光反應(yīng)裝置配置的溫控貯槽具有自衡能力[7]，可以采用慣性環(huán)節(jié)與延遲環(huán)節(jié)來近似表示。因此傳遞函數(shù)如下：

(8)

式中：KC為溫控貯槽放大系數(shù)，TC為貯槽的時間常數(shù)，τ為貯槽溫度變化的滯后時間。

具有自衡能力的過程控制裝置在進(jìn)行參數(shù)辨識時，通常采用穩(wěn)定邊界法，反應(yīng)曲線法和衰減曲線法3種[8]，綜合適用范圍以及對數(shù)據(jù)的掌控度考慮，這里采用反應(yīng)曲線法來確定系統(tǒng)參數(shù)。

考慮到藻體培養(yǎng)最佳溫度在30 ℃左右，將反應(yīng)器初始溫度設(shè)為25 ℃，加熱器跳變階躍溫度設(shè)定為38 ℃，采樣時間設(shè)定為30s，得到系統(tǒng)的飛升曲線數(shù)據(jù)。為了更加準(zhǔn)確、便捷地確定曲線的拐點(diǎn)，對于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Matlab的6階多項(xiàng)式擬合方法進(jìn)行趨勢平滑處理，從而得到系統(tǒng)的飛升曲線，如圖5所示。從拐點(diǎn)P作切線，可以得到傳遞函數(shù)中的3個關(guān)鍵參數(shù)，其中等效滯后時間τ=140，等效時間常數(shù)TC=510，放大系數(shù)KC=0.9。

圖5　系統(tǒng)飛升曲線

1.3PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定

根據(jù)求出的傳遞函數(shù)參數(shù)，可進(jìn)一步整定出PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)范圍。其相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式[8]如下：

式中：KP為比例環(huán)節(jié)放大系數(shù)，TI為積分環(huán)節(jié)時間常數(shù)，TD為微分環(huán)節(jié)時間常數(shù)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式得到的數(shù)據(jù)還需要進(jìn)行閉環(huán)系統(tǒng)反復(fù)驗(yàn)證調(diào)試，從而整定出較為滿意的控制效果，當(dāng)預(yù)設(shè)控制溫度設(shè)定為30 ℃，采樣時間為10s時，以上參數(shù)取值分別為KP=0.3，TI=240，TD=60。

2基于ARM Cortex-M3的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

關(guān)于溫度控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方式，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案一般采用基于80C51單片機(jī)控制，但是51系列單片機(jī)的性能有限，很難滿足該控制系統(tǒng)在溫度監(jiān)控與PWM輸出控制的實(shí)時性以及溫度控制準(zhǔn)確度方面的較高要求。例如，PWM輸出控制需要高頻的定時器中斷調(diào)用，在此基礎(chǔ)上還需要中頻的溫度監(jiān)控中斷控制和與上位機(jī)的穩(wěn)定通信，而51單片機(jī)的性能只能做好其中一個任務(wù)，其他任務(wù)則會出現(xiàn)斷續(xù)、跳動的現(xiàn)象，無法正常使用。因此，需要選用性能更強(qiáng)的ARM微控制器來處理以上任務(wù)。在具體芯片型號的選擇上，綜合性能與成本的要求，選定Cortex-M3系列的STM32F103x芯片。M3系列是ARMv7架構(gòu)中的經(jīng)濟(jì)型系列[9]，性價比很高，適合應(yīng)用于單回路過程控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖6所示，由控制參數(shù)設(shè)定(鍵盤及觸摸屏)、溫度采集、數(shù)據(jù)顯示、異常報(bào)警、加熱執(zhí)行機(jī)構(gòu)等功能單元構(gòu)成。采用觸摸屏及鍵盤方式完成給定信號設(shè)定及系統(tǒng)初始化，通過溫度傳感器采集實(shí)時溫度，由STM32F103x利用微分先行PID算法計(jì)算出實(shí)時的調(diào)節(jié)信號并轉(zhuǎn)化為PWM占空比，使用固態(tài)繼電器控制熱交換器對貯槽溫度進(jìn)行控制，如果溫度過高則打開進(jìn)水閥加入冷水進(jìn)行快速降溫，屏幕實(shí)時顯示溫度、冷水進(jìn)水量、報(bào)警閃爍等過程信息。

圖6　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖

3軟件設(shè)計(jì)中的主要技術(shù)問題

軟件系統(tǒng)功能由數(shù)據(jù)顯示、溫度采集、算法生成、控制驅(qū)動、異常報(bào)警、信息設(shè)定等模塊構(gòu)成。為提高編程效率，采用了ST公司為STM32芯片提供的固件庫函數(shù)解決中間層API接口問題。其中，信息設(shè)定模塊主要實(shí)現(xiàn)鍵盤和觸摸屏驅(qū)動連接，完成對系統(tǒng)各相關(guān)外設(shè)參數(shù)初始化設(shè)定；溫度采集模塊負(fù)責(zé)完成與DS18B20傳感芯片的串行通信；算法生成模塊承擔(dān)微分先行PID調(diào)節(jié)量的計(jì)算；控制驅(qū)動模塊主要計(jì)算設(shè)定熱交換器與冷水閥電機(jī)控制的PWM占空比；異常報(bào)警模塊通過STM32內(nèi)核中與NVIC控制器捆綁的SysTick精確定時器產(chǎn)生定時中斷監(jiān)測，對嚴(yán)重超出微藻培養(yǎng)適應(yīng)溫度范圍以外的振蕩輸出進(jìn)行報(bào)警。

將微分先行算法計(jì)算得到的PID調(diào)節(jié)量轉(zhuǎn)化為適合的PWM控制量，是一個關(guān)鍵性技術(shù)問題。一般可以采用區(qū)間上下限法找出對應(yīng)參數(shù)(即首先獲取PID調(diào)節(jié)量輸出的上下限值)，然后找出PWM控制量的實(shí)際上下限值，將兩組區(qū)間值對應(yīng)從而得到變化系數(shù)，中間變化量的精度由PWM步長來調(diào)節(jié)。值得說明的是，51單片機(jī)并沒有專門的PWM輸出單元，需要利用TIM及中斷的主資源解決PWM輸出問題，這樣就占用了大部分CPU計(jì)算資源，使其在處理PID算法和其他功能時無法穩(wěn)定地完成。

而STM32系列芯片的TIM定時器擁有專用PWM及電機(jī)控制單元，具有互補(bǔ)輸出、死區(qū)插入、剎車功能、單步及六步PWM輸出、霍爾傳感器接口等常用功能，每個TIM定時器的相關(guān)寄存器可以直接設(shè)定輸出占空比，并且支持至少4路控制信號并行輸出。特別重要的是以上功能主要由外圍輔助控制單元完成，幾乎對于Cortex-M3內(nèi)核的資源沒有爭奪，使Cortex-M3內(nèi)核能夠?qū)⒋蟛糠仲Y源分配在控制量運(yùn)算、中斷監(jiān)控、界面友好性設(shè)計(jì)上。

STM32與LCD顯示器的連接方式常用的有MCU模式、RGB模式、SPI模式、MDDI模式等[10]。綜合考慮硬件代價、軟件實(shí)現(xiàn)效果等方面，采用了SPI模式。這種方式的最大優(yōu)點(diǎn)在于硬件價格低，連線只有CS、SLK、SDI、SDO四根線，非常適合M3系列低端芯片使用。它的缺點(diǎn)在于軟件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度相應(yīng)地會增加，但是本系統(tǒng)所需的顯示信息相對較少，因此不會造成軟件算法難度提高。LCD的觸摸屏驅(qū)動采用RSM1843驅(qū)動四線電阻屏，工作電壓兼容3.3 V低功耗模式，支持8位或12位可編程輸出。

4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了便于對控制效果進(jìn)行評估與分析，軟件部分在溫度采集過程中加入了數(shù)據(jù)保存功能，將控制過程的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)序列全部存儲在連續(xù)的Flash單元中,可直接將保存的過程數(shù)據(jù)通過MatLab繪制出系統(tǒng)的時間響應(yīng)曲線,如圖7所示。為了與傳統(tǒng)PID算法控制性能加以對比，特別編寫了傳統(tǒng)PID控制程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行控制，并將生成的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所畫出的響應(yīng)曲線與之疊加。

圖7　兩種PID控制時間響應(yīng)曲線對比

通過對比可以看出，引入微分先行算法后，大幅度降低了控制系統(tǒng)的振蕩，減小了過渡調(diào)節(jié)時間，系統(tǒng)在120 s左右時就完成了溫度的調(diào)節(jié)，而超調(diào)量只有不到2%，明顯地改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。

結(jié)語

本文針對微藻生物培養(yǎng)過程中對于溫度的嚴(yán)格要求，提出了利用微分先行算法改進(jìn)溢流噴射光反應(yīng)器溫度PID控制效果，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于ARM Cortex-M3的微控制器方案，較傳統(tǒng)的C51單片機(jī)控制系統(tǒng)性能得到大幅提升，完全實(shí)現(xiàn)了控制算法改進(jìn)帶來的優(yōu)勢。在硬件芯片的選型和方案的設(shè)計(jì)上兼顧了性能與成本，對于中小型微藻生物養(yǎng)殖企業(yè)具有一定實(shí)際參考價值。

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梁達(dá)平(講師)，主要從事單片機(jī)與嵌入式控制技術(shù)方面的研究。

STM32 Temperature Control System of Photobioreactor Based on Differential Preceding Algorithm

Liang Daping

(School of Electronic Information and Electrical Engineering,Tianshui Normal University,Tianshui 741000,China)

Abstract：In the process of microalgae cultivation,it has high requirement for temperature.It has great significance to improve the survival ratio and reduce the cost of production through improving the dynamic performance of overflowing jetting photobioreactor’s temperature control.In the paper,a plan of improving optical bioreactor temperature control effect is proposed which uses the differential preceding PID algorithm,and a microcontroller scheme based on STM32 is designed.The results of experiment data indicate that the differential preceding control method can reduce the settling time and overshoot,and the new PID controller has better dynamic characteristic than the traditional PID.Meanwhile,the microcontroller scheme has high rate of quantity and price,and it is useful for the small and medium microalgae culture enterprises.

Key words:STM32;differential preceding;PID;microalgae cultivation

收稿日期：(責(zé)任編輯：楊迪娜2015-12-23)

中圖分類號:TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A