單　波，王雪萍，王洪濤，劉會華，李曉靜

(1.中國建筑科學(xué)研究院，北京 100013；2.國家新聞出版廣電總局二八一臺，云南 昆明 650000)

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自適應(yīng)PID在門窗兩性檢測設(shè)備中的應(yīng)用

單波1，王雪萍1，王洪濤1，劉會華1，李曉靜2

(1.中國建筑科學(xué)研究院，北京 100013；2.國家新聞出版廣電總局二八一臺，云南 昆明 650000)

門窗現(xiàn)場氣密性能與水密性能檢測系統(tǒng)是一個復(fù)雜的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其精確的數(shù)學(xué)模型的建立目前還無法實現(xiàn)。用常規(guī)的PID算法實現(xiàn)靜壓箱體壓力的控制，穩(wěn)定性較差，抗干擾能力不強，有抖動現(xiàn)象，很難達(dá)到較為理想的控制效果。針對這些問題，在VC++開發(fā)環(huán)境下設(shè)計了一套應(yīng)用自適應(yīng)PID算法控制箱體壓力的測控軟件，應(yīng)用自適應(yīng)PID控制技術(shù)，針對不同工況，通過自整定的PID參數(shù)控制執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)了較優(yōu)的控制效果。

自適應(yīng)PID；ActiveX控件；VC++；門窗檢測；模糊控制

引用格式：單波，王雪萍，王洪濤，等. 自適應(yīng)PID在門窗兩性檢測設(shè)備中的應(yīng)用[J].微型機與應(yīng)用，2016,35(16)：6-8，12.

0　引言

參考多個檢測單位在門窗現(xiàn)場氣密性能與水密性能檢測設(shè)備使用過程中總結(jié)的經(jīng)驗以及需要改進(jìn)的地方，設(shè)計了以嵌入Modbus-RTU協(xié)議無線通信功能的平板電腦作為上位機，以單片機為下位機的核心控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理的新系統(tǒng)。本系統(tǒng)將模糊自適應(yīng)PID算法運用到門窗現(xiàn)場檢測過程壓力控制中，克服了傳統(tǒng)的控制算法中存在的不穩(wěn)定性和抖動現(xiàn)象。近年來智能控制算法發(fā)展迅速，并且不斷地應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域。用智能PID控制算法控制門窗兩性檢測過程中箱體壓力，解決壓力閉環(huán)控制中的技術(shù)難點，有望達(dá)到較為理想的控制效果。

1　檢測系統(tǒng)設(shè)計

1.1系統(tǒng)工作原理

門窗現(xiàn)場氣密性能[1-3]和水密性能[1-2,4]檢測設(shè)備是在現(xiàn)場利用密封板、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和外窗形成靜壓箱體。通過供風(fēng)系統(tǒng)對靜壓箱抽風(fēng)和吹風(fēng)，使得檢測對象兩側(cè)產(chǎn)生符合國家檢測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的壓力差。從箱體引出測量孔，用壓差傳感器測量壓力差，在通風(fēng)管路上安裝風(fēng)速傳感器間接測量空氣滲透量，在外窗外側(cè)布置適量噴嘴進(jìn)行水密試驗。模擬自然條件，通過檢測門窗的空氣滲透量和是否漏水最終判斷門窗的氣密性能和水密性能是否符合國家安全標(biāo)準(zhǔn)。其中檢測現(xiàn)場檢測設(shè)備安裝示意圖如圖1所示。

圖1　檢測設(shè)備安裝示意圖

按照檢測標(biāo)準(zhǔn)要求給出設(shè)定值壓力曲線，由壓差傳感器測量反饋實時壓力信號；設(shè)定壓力與實測壓力進(jìn)行比較，得出偏差信號與偏差的微分信號，作為自適應(yīng)PID[5]控制器的輸入信號，經(jīng)自適應(yīng)PID運算后，其輸出信號用來調(diào)節(jié)執(zhí)行結(jié)構(gòu)即智能晶閘管調(diào)壓模塊，調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)靜壓箱體壓力的目的。

1.2系統(tǒng)構(gòu)成及其功能

檢測系統(tǒng)由上位機和下位機兩部分構(gòu)成，包括下位機溫度、壓力、差壓和風(fēng)速的檢測系統(tǒng)與信號發(fā)射裝置，以及上位機智能控制系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)。下位機主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、無線收發(fā)模塊、各種傳感器和執(zhí)行機構(gòu)等，上位機是一臺嵌入了無線收發(fā)模塊的平板電腦，內(nèi)置系統(tǒng)智能測控軟件。下位機包括以單片機為核心的數(shù)據(jù)采集模塊(讀取溫度傳感器)、大氣壓力傳感器、差壓傳感器和風(fēng)速傳感器，實時檢測數(shù)據(jù)信息，并通過無線收發(fā)模塊將采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到上位機。上位機經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與分析給出控制信號，通過無線收發(fā)模塊發(fā)送給下位機控制執(zhí)行結(jié)構(gòu)。模擬靜壓箱體壓力控制的性能優(yōu)劣是門窗氣密性能與水密性能檢測是否精確的關(guān)鍵因素。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊讀取差壓傳感器感知的實時差壓信號，通過無線收發(fā)模塊將實時差壓信號發(fā)送給上位機平板電腦，由差壓的設(shè)定曲線與實測差壓值，在平板電腦中通過模糊自適應(yīng)PID算法，計算得出控制量，通過晶閘管調(diào)壓模塊，調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制靜壓箱體壓力的目的。

上位機測控軟件采用模塊化的設(shè)計思想，將系統(tǒng)按功能分類，主要由檢測條件設(shè)定、氣密檢測、水密檢測、綜合評定、用戶管理和傳感器標(biāo)定等主要窗口構(gòu)成，每個窗口作為一個對話框，在基于FORM-VIEW的單文檔應(yīng)用程序中被調(diào)用。下位機主控芯片數(shù)據(jù)采集與處理模塊的軟件開發(fā)環(huán)境是Keil uVision4，采用C語言編程，主要包括初始化程序、主程序、數(shù)據(jù)采集與處理程序、Modbus協(xié)議通信程序等。上位機與下位機之間的通信采用Modbus-RTU協(xié)議，通過RS485無線數(shù)據(jù)透傳模塊進(jìn)行無線通信。

2　自適應(yīng)PID控制算法實現(xiàn)

2.1自適應(yīng)PID算法分析

門窗兩性現(xiàn)場檢查設(shè)備中，構(gòu)成靜壓箱的密封板、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和外窗等裝置的密封性能、環(huán)境溫度和大氣壓力以及實時的控制參數(shù)和設(shè)定參數(shù)等都對壓力的控制系統(tǒng)有很大影響，而這些因素是時變的、動態(tài)的，存在很大的不確定性，用傳統(tǒng)的PID控制算法，調(diào)節(jié)時間過長，超調(diào)量過大，控制效果不太理想。然而智能PID控制算法是解決這一問題的有效辦法，將操作人員的經(jīng)驗信息存入知識庫，根據(jù)控制系統(tǒng)現(xiàn)場實際響應(yīng)情況運行模糊推理，即可實現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳整定[6]。

模糊自適應(yīng)PID控制器是根據(jù)不同時刻的偏差和偏差變化率信號，應(yīng)用模糊推理原理，實時調(diào)整PID參數(shù)，從而達(dá)到PID參數(shù)的自整定[7]。其中模糊自適應(yīng)PID控制器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。該模糊自適應(yīng)PID控制器的模糊算法部分擁有三個輸出變量以及兩個輸入變量?？刂破魍ㄟ^對設(shè)定值與反饋值的比較，得出系統(tǒng)的壓力偏差以及偏差的變化率，將量化后的偏差和偏差變化率進(jìn)行模糊化，然后進(jìn)行模糊推理，最后通過解模糊實現(xiàn)對PID的比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki和微分系數(shù)kd三個參數(shù)的自整定，保證了對于不同的偏差以及偏差變化率，控制系統(tǒng)都具有最好的靜態(tài)性能以及動態(tài)性能。

圖3　模糊自適應(yīng)控制器結(jié)構(gòu)圖

2.2自適應(yīng)PID(ActiveX)控件的設(shè)計

門窗兩性檢測設(shè)備的測控軟件是在VC++環(huán)境下開發(fā)的，為了方便在VC++環(huán)境中應(yīng)用自適應(yīng)PID算法，將自適應(yīng)PID算法做成ActiveX控件。VC++提供了兩種制作ActiveX控件的方法，一種是通過ATL COM AppWizard向?qū)Ь帉慉ctiveX控件，生成DLL文件。另一種是通過MFC ActiveX Control Wizard向?qū)Ь帉慉ctiveX控件，生成OCX控件[8]。MFC是創(chuàng)建ActiveX 控件的強大工具, 可以快捷地創(chuàng)建ActiveX控件, 可以創(chuàng)建控件的方法、屬性、事件和異步屬性及剪貼板支持等高級選項。

本門窗兩性測控軟件選用后一種方法，通過MFC向?qū)е谱髯赃m應(yīng)PID控件。通過MFC ActiveX Control Wizard 生成工程框架(工程名為Pid)，VC++會自動生成三個類：CPidApp，CPidCtrl，CPidPropPage。在CPidPropPage屬性對話框類中實現(xiàn)屬性頁和控件屬性的關(guān)聯(lián)[9]。在CPidCtrl類中編寫自適應(yīng)PID控制算法。

首先對采樣值即偏差e和偏差變化率de通過量化因子將其量化為模糊輸入，即模糊化處理；其次按照模糊控制規(guī)則表進(jìn)行模糊推理，從而得出模糊控制器的模糊輸出值；然后采用加權(quán)平均法進(jìn)行去模糊化處理，得到精確的控制量輸出，經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚磙D(zhuǎn)換為可以作用于控制器的控制量輸出信號。

在本測控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集模塊模擬量第三輸入通道0～5 V的電壓信號對應(yīng)的數(shù)字量是0～10 000，對應(yīng)差壓傳感器壓力-5 000 Pa～5 000 Pa，正壓差和負(fù)壓差是由切換進(jìn)風(fēng)口實現(xiàn)的，即對靜壓箱吹風(fēng)與抽風(fēng)來實現(xiàn)。數(shù)字量0～5 000對應(yīng)差壓-5 000～0 Pa，數(shù)字量5 000～10 000對應(yīng)差壓0～5 000 Pa，所有在編寫自適應(yīng)PID算法時，都要區(qū)分是正壓差還是負(fù)壓差。其自適應(yīng)PID控制算法的流程圖如圖4所示。

圖4　自適應(yīng)PID算法流程圖

2.3自適應(yīng)PID算法在系統(tǒng)中的實現(xiàn)

將自適應(yīng)PID算法做成ActiveX控件，注冊成功后，在VC++軟件開發(fā)過程中直接調(diào)用[10]。在門窗氣密性能與水密性能檢測試驗壓力控制過程中，PID控件的入口參數(shù)有設(shè)定壓力值、實測壓力值、輸出控制量上限值、輸出控制量下限值、周期五個參數(shù)，出口參數(shù)有控制量一個參數(shù)。為了防止控制輸出量超過實際執(zhí)行機構(gòu)工作范圍和安全范圍，對PID運算輸出信號進(jìn)行上下限設(shè)置。在調(diào)用PID控件時，首先在控件屬性頁中設(shè)置相關(guān)屬性。按照標(biāo)準(zhǔn)要求給出設(shè)定壓力曲線，由差壓傳感器實測得到實時壓力曲線，由實時與設(shè)定壓力信號的偏差與偏差的變化率求得根據(jù)實際工況條件自整定的PID參數(shù)，將參數(shù)自適應(yīng)的PID算法運算輸出信號作為晶閘管的控制信號，通過對風(fēng)機轉(zhuǎn)速的控制，達(dá)到對通入箱體風(fēng)量的控制，進(jìn)而實現(xiàn)對箱體壓力的控制。

3　系統(tǒng)運行與結(jié)果分析

在檢測現(xiàn)場用密封板、零配件和建筑外窗圍成密閉空間，安裝好供壓系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，打開平板電腦中的測控軟件，按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢測流程進(jìn)行檢測實驗。系統(tǒng)運行調(diào)試效果圖如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)運行調(diào)試效果圖

圖5中，左邊為自適應(yīng)PID算法控制的設(shè)定壓力曲線與實測壓力曲線，右邊為常規(guī)PID算法控制的設(shè)定壓力曲線與實測壓力曲線。從圖5中可以看出，自適應(yīng)PID算法控制效果優(yōu)于常規(guī)PID算法控制效果，自適應(yīng)PID算法控制壓力超調(diào)小，壓力調(diào)節(jié)快速、穩(wěn)定。

4　結(jié)論

本文將自適應(yīng)PID算法運用到門窗現(xiàn)場兩性檢測設(shè)備的壓力控制中，克服了傳統(tǒng)的控制算法中存在的不穩(wěn)定性和抖動現(xiàn)象，提高了壓力控制的快速性和穩(wěn)定性，并且確保了系統(tǒng)的控制精度。利用VC++軟件的MFC ActiveX Control Wizard向?qū)⒆赃m應(yīng)PID控制算法生成pid.ocx控件，方便了在VC++環(huán)境下或其他組態(tài)軟件中開發(fā)測控軟件時自適應(yīng)PID算法的靈活應(yīng)用。該算法對智能控制算法在工業(yè)控制領(lǐng)域的靈活應(yīng)用有很重要的現(xiàn)實意義和理論意義。

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The application of the adaptive PID in the doors and windows testing equipment

Shan Bo1，Wang Xueping1，Wang Hongtao1，Liu Huihua1， Li Xiaojing2

(1. China Academy of Building Research,Beijing 100013, China； 2. 281 Monitoring Station,State Administration of Press,Publication,Radio, Film and Television, Kunming 650000, China)

The detection system of the air tightness and water tightness performance of windows and doors is a complex closed-loop control system. Its precise mathematical model is still not achieved. The conventional PID algorithm is used to control static pressure box, but it has poor stability and anti disturbance ability, also with dithering phenomenon. So, it is difficult to achieve the ideal effect. In order to solve these problems, we designed a set of adaptive PID algorithm to control the pressure of the box in the VC++ development environment. For different working conditions, through the use of the adaptive PID control technology and self-tuning PID parameter control actuator, we achieve a more optimized control.

adaptive PID;ActiveX controls;VC++;the detection of doors and windows;fuzzy control

TP273

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.16.001

2016-03-29)

單波(1979-)，男，本科，工程師，主要研究方向：建筑節(jié)能類檢測設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用及測控研究。

王雪萍(1986-)，通信作者，女，碩士，助理級工程師，主要研究方向：復(fù)雜過程的優(yōu)化控制的研究以及測控軟件的編寫。E-mail：409562860@qq.com。