郭秀珍，何真承，段書凱

（西南大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，重慶 400715）

自適應(yīng)模糊PID水溫控制系統(tǒng)

郭秀珍，何真承，段書凱

（西南大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，重慶 400715）

水溫控制無論是在日常生活還是工業(yè)生產(chǎn)中都扮演著重要的角色。本設(shè)計是基于STC12C5A60S2的智能型水溫控制系統(tǒng)，在硬件上實現(xiàn)鍵盤輸入、溫度釆集、AD轉(zhuǎn)換和液晶顯示，在軟件上采用模糊控制與PID算法相結(jié)合構(gòu)成的模糊PID控制器來對水溫進(jìn)行實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)。結(jié)果顯示，采用模糊PID控制策略，改善了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，提高響應(yīng)速度，能夠?qū)崿F(xiàn)水溫的數(shù)字式精確調(diào)節(jié)。

水溫系統(tǒng)；模糊控制；PID算法；動態(tài)性能

水溫控制無論是在日常生活還是工業(yè)生產(chǎn)中都扮演著重要的角色，并在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、醫(yī)藥，民用等行業(yè)尤為重要。過低或過高的溫度不僅會造成資源的浪費，也不利于生活、生產(chǎn)需要。因此，在許多日常和工業(yè)場合，需要及時準(zhǔn)確的獲取溫度信息，并能夠完成對溫度的預(yù)期控制。于是本課題以校園內(nèi)的熱水器水溫控制系統(tǒng)為例進(jìn)行研究。

近年來，模糊控制研究發(fā)展經(jīng)歷了“理論一應(yīng)用一理論”的交替熱潮過程。1965年美國加州大學(xué)L. A.ZADeh開創(chuàng)了模糊數(shù)學(xué)研究，之后又發(fā)展了模糊系統(tǒng)與模糊控制的基本概念及理論基礎(chǔ)[1]，Mamdani于1974年建立的第一個模糊控制器導(dǎo)致了模糊控制應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展[2]。1987年，Ying在模糊控制理論中首次嚴(yán)格地建立了模糊控制器與傳統(tǒng)控制器的分析解關(guān)系，其中特別重要的是證明了Marndani模糊PI (或PD)型控制器是具有變增益的非線性PID控制器[3]。1995年日本的 Takashi Iijima，PYoshiaki Nakajima，Yasushi Nishiwaki設(shè)計了一種模糊控制系統(tǒng)應(yīng)用在反應(yīng)釜的給水控制工作中[4]。

在韓國Hah Yung-Joon提出了一種模糊供電控制算法，應(yīng)用到了在壓水反應(yīng)釜裝之中[5]，取得了較好的效果。這些工作為模糊控制理論與傳統(tǒng)PID控制理論相結(jié)合建立了橋梁。我國在模糊理論及應(yīng)用方面的研究相比于其他國家，起步比較晚，但發(fā)展比較快，比如有孤島運行微電網(wǎng)中模糊PID下垂控制器設(shè)計[6，7]、自平衡機(jī)器人變論域模糊 PID控制研究[8-10]、模糊PID在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[11-12]、支持流媒體傳輸?shù)哪：齈ID速率控制器[13]、靜電懸浮研究[14]、遺傳算法PID控制器[15]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID[16-17]等。

目前校園內(nèi)的熱水器水溫控制系統(tǒng)為冷熱水勾兌式。采用手動調(diào)節(jié)冷熱水管的流量不僅操作繁瑣，而且很難精確調(diào)整出預(yù)期的水溫值。水溫控制是非線性的，并且時滯性長，那么采用這種手動勾兌的方法不僅會造成水資源的浪費，而且控制精度不高，實際水溫與預(yù)期值的誤差較大，效果不理想。本設(shè)計是基于STC12C5A60S2的智能型水溫控制系統(tǒng)，在硬件上實現(xiàn)鍵盤輸入、溫度釆集、AD轉(zhuǎn)換和液晶顯示，在軟件上采用模糊控制與PID算法相結(jié)合構(gòu)成的模糊PID控制器來對水溫進(jìn)行實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)。精確的控制水流速度，系統(tǒng)使用高精度的水流傳感器進(jìn)行流速檢測，并將檢測結(jié)果輸出給主控芯片構(gòu)成閉環(huán)控制，從而進(jìn)一步提高水溫控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精確度。為了讓冷水和熱水能夠均勻混合，以保障出水溫度穩(wěn)定的效果，系統(tǒng)使用了一個0.5L的混合器進(jìn)行冷熱水混合。圖1為基于單片機(jī)的智能型水溫控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)以STC12C5A60S2為主控芯片，實時采集目標(biāo)溫度、冷水溫度、熱水溫度和出水溫度，通過模糊PID算法控制冷水和熱水的流速達(dá)到出水溫度恒定控制。其中冷水溫度和熱水溫度使用DS18B20數(shù)字溫度傳感器來檢測，而出水溫度采用實時性更高的PT100鉑電阻進(jìn)行采集。24V常閉型電磁閥用于對水流進(jìn)行開關(guān)控制，主控芯片通過調(diào)制電磁閥的PWM占空比來實現(xiàn)對水流速度的控制。為了更

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計框圖

1.2 STC12C5A60S2芯片及最小系統(tǒng)

本系統(tǒng)所需的硬件模塊主要有STC12C5A60S2主控芯片及最小系統(tǒng)、溫度采集電路、電磁閥驅(qū)動電路、流量控制電路，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路圖

1）STC12C5A60S2/AD/PWM是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/S），針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。2）本系統(tǒng)只需要24 V和5 V兩種電壓源，因此本設(shè)計使用24 V的適配器作為供電電源，5 V電源只需要通過一個24 V轉(zhuǎn)5 V的穩(wěn)壓芯片即可實現(xiàn)?？紤]到24 V轉(zhuǎn)5 V的電壓差較大，不適合使用線性電源來穩(wěn)壓，因而選用LM2596開關(guān)電源芯片來實現(xiàn)穩(wěn)壓。3）本系統(tǒng)冷水溫度和熱水溫度采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器來檢測，DS18B20是常用的溫度傳感器，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點。但由于DS18B20導(dǎo)熱速度較慢，而系統(tǒng)要求出水溫度具有高響應(yīng)速度，因而采用實時性更高的PT100鉑電阻進(jìn)行溫度采集。電路使用TL431提供2.5V的基準(zhǔn)電壓，通過橋式電路實現(xiàn)對PT100鉑電阻的采樣，然后將采樣的電壓值通過LM358運放芯片進(jìn)行放大處理，再將放大后的信號AMI輸出給主控芯片進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，最后主控芯片通過查表法得到測量溫度值。4）本設(shè)計選用24 V常閉型電磁閥用于對水流進(jìn)行開關(guān)控制，主控芯片通過調(diào)制電磁閥的PWM占空比來實現(xiàn)對水流速度的控制。使用使用型號為IRF510A的N溝MOS管，該MOS管的最大驅(qū)動電流有2 A，并且具有開關(guān)響應(yīng)速度快的特點，完全可以滿足電磁閥的驅(qū)動需求?？紤]到電磁閥工作時會產(chǎn)生較大的電磁干擾，因此在電路上進(jìn)行了隔離處理，采用光耦芯片P521對電磁閥進(jìn)行隔離。

2 軟件程序設(shè)計

2.1 主程序

圖3 系統(tǒng)總程序設(shè)計

系統(tǒng)主程序如圖3所示，主要由系統(tǒng)初始化、主循環(huán)程序、定時中斷服務(wù)程序等幾部分組成。程序設(shè)計思想：首先對看門狗、定時器、LCD液晶屏、P、I、D等參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置，并使能定時器中斷。然后程序進(jìn)入主循環(huán)，當(dāng)定時時間到后系統(tǒng)執(zhí)行定時器中斷處理程序，主循環(huán)程序和定時器處理程序相互配合共同實現(xiàn)對水溫的控制功能。主循環(huán)程序是軟件系統(tǒng)的核心程序，它的設(shè)計思想為：首先調(diào)用按鍵掃描子程序，獲取按鍵設(shè)定的溫度值T0；然后調(diào)用冷水溫度檢測子程序，獲取冷水溫度T1；再調(diào)用熱水溫度檢測子程序，獲取熱水溫度T2；接著再調(diào)用出水溫度檢測子程序，獲取出水溫度T3，再控制LCD將所檢測到的溫度以及其它信息進(jìn)行顯示；最后調(diào)用PID算法子程序，計算得到需要的冷水流速V1和熱水流速V2。

2.2 模糊PID控制器的設(shè)計

PID算法是一種應(yīng)用及其廣泛的控制方法，對于一個線性系統(tǒng)，PID參數(shù)可以通過指定閉環(huán)極點的方法獲得。在本系統(tǒng)中，由于使用的是機(jī)械式電磁閥，難以保證電磁閥開關(guān)的精確度，那么PID的微分環(huán)節(jié)會受到精確度低的影響而干擾系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因而本系統(tǒng)舍棄微分環(huán)節(jié)使用PI算法控制水溫。

圖4 模糊控制器的結(jié)構(gòu)模型

模糊控制器的結(jié)構(gòu)模型如圖4所示，F(xiàn)uzzy控制的輸入為誤差E和誤差變化率Ec，輸出變量為Kp和Ki。

各變量的模糊子集是：

[NB負(fù)大，NM負(fù)中，NS負(fù)小，ZO零，PS正小，PM正中，PB正大]；

模糊論域是：

[-6，6]；

輸入輸出變量均采用高斯型隸屬度函數(shù)，采用重心法進(jìn)行解模糊化運算，模糊控制規(guī)則如表1所示。

3 實驗結(jié)果

我們對常規(guī)PID溫度控制和模糊PID溫度控制分別進(jìn)行了仿真，如圖5所示。

由結(jié)果可知，自適應(yīng)模糊PID控制器相對于傳統(tǒng)的線性PID控制器而言能夠根據(jù)E和Ec的變化在線整定PID參數(shù)，所得到的系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)曲線較好，超調(diào)量小，穩(wěn)定精度高。

根據(jù)Kp和Ki調(diào)節(jié)冷熱水流量的大小來構(gòu)建自適應(yīng)模糊PID水溫控制系統(tǒng)，裝置實物圖如圖6所示，實驗測定結(jié)果如表2所示。系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，測試結(jié)果客觀準(zhǔn)確。

4 結(jié) 論

針對目前校園內(nèi)的熱水器水溫控制系統(tǒng)為冷熱水勾兌式、手動調(diào)節(jié)冷熱水管的流量，不僅操作繁瑣，而且很難精確調(diào)整出預(yù)期的水溫值的情況，設(shè)計出自適應(yīng)模糊PID水溫控制系統(tǒng)。本裝置在硬件上實現(xiàn)鍵盤輸入、溫度釆集、AD轉(zhuǎn)換和液晶顯示，在軟件上采用模糊控制與PID算法相結(jié)合構(gòu)成的模糊PID控制器來對水溫進(jìn)行實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)。結(jié)果顯示，采用模糊PID控制策略，改善了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，提高響應(yīng)速度，能夠?qū)崿F(xiàn)水溫的數(shù)字式精確調(diào)節(jié)。

表1 模糊控制規(guī)則

圖5 仿真結(jié)果示意圖

圖6 裝置實物圖

表2 實驗測定結(jié)果

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Water temperature control system based on adaptive fuzzy-PID algorithm

GUO Xiu-zhen，HE Zhen-cheng，DUAN Shu-kai
（School of Electronic and Information Engineering，Southwest University，Chongqing 400715，China）

The water temperature control system plays an important role on both daily life and industrial production.This design is based on the controller of STC12C5A60S2，which can achieve keyboard input，temperature calculation implemented，AD conversion and liquid crystal display on hardware. Fuzzy control and PID algorithm have been combined to form the fuzzy-PID controller to achieve realtime monitor and adjust the water temperature.Results show that the fuzzy-PID control strategy，can improve the dynamic response and response speed of the system and can realize digital precise regulation of water temperature.

water temperature control system；fuzzy control；PID algorithm；dynamic property

TN02

：A

：1674－6236（2017）06-0151-05

2016-03-08稿件編號：201603093

郭秀珍（1994—），女，山西太原人。研究方向：信號與信息處理。