胡冬雪, 張宗達(dá), 王 睿, 楊 罕

(吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院, 長春 130012)

0 引 言

隨著科技的發(fā)展及產(chǎn)業(yè)自動化的日趨加強(qiáng), 在現(xiàn)代化的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中, 恒溫控制被廣泛應(yīng)用于食品加工、 電力工程、 機(jī)械制造和化工生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域[1-3]。及時、 準(zhǔn)確地獲取溫度信息和實現(xiàn)實時控制, 在工業(yè)生產(chǎn)的很多方面都具有重要意義[4,5]。傳統(tǒng)恒溫控制方法一般通過工業(yè)自動化實現(xiàn), 其中較為成熟的方法是使用PID(Proportion Integration Differentiation)算法進(jìn)行自動控制, 但這種方法響應(yīng)速度慢、 準(zhǔn)確度低, 經(jīng)常造成資源浪費(fèi), 由此而帶來產(chǎn)品質(zhì)量差、 效率低等嚴(yán)重問題。因此, 筆者針對上述問題研究出一種基于新型模糊PID算法的恒溫控制系統(tǒng), 使該系統(tǒng)能自動調(diào)節(jié)溫度并達(dá)到恒溫控制。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)總體由4個模塊組成, 分別是矩陣鍵盤輸入、 溫度檢測、 恒溫控制和液晶顯示模塊(見圖1)。輸入模塊輸入預(yù)期達(dá)到恒定的溫度, 溫度檢測模塊進(jìn)行溫度的實時監(jiān)測, 液晶顯示模塊顯示預(yù)期溫度和當(dāng)前溫度便于使用者進(jìn)行觀察, 當(dāng)監(jiān)測溫度低于預(yù)期恒定溫度時, 主控制器控制新型模糊PID算法對加熱模塊進(jìn)行加熱, 使系統(tǒng)溫度升高并穩(wěn)定在預(yù)期溫度。

溫控部分。筆者選用新型模糊PID算法設(shè)計一種新型模糊自整定PID控制器。該控制器是一種非線性調(diào)節(jié)器, 在設(shè)置一組初始比例、 積分和微分參數(shù)值后, 根據(jù)其與其終值之間的誤差進(jìn)行按步疊加, 最終得到整定參數(shù), 根據(jù)該整定參數(shù)給出控制量, 再將得到的控制量輸入到執(zhí)行部件。通過該控制量對系統(tǒng)進(jìn)行合理控制, 當(dāng)輸入與預(yù)期存在差值時, 系統(tǒng)進(jìn)行模糊PID控制, 使系統(tǒng)達(dá)到動態(tài)平衡并穩(wěn)定到預(yù)期溫度值。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

系統(tǒng)控制器選用ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F407芯片進(jìn)行總體控制, 該芯片具有高性能、 低成本、 低功耗的優(yōu)點[6]。控制器執(zhí)行讀取溫度傳感器的輸入、 人機(jī)交互、 算法解算與模糊PID輸出量的PWM(Pulse Width Modulation)控制。

溫度檢測模塊中溫度傳感器選用DS18B20(TO-92), 該傳感器使用單總線通信, 由64位ROM、 靈敏的溫度傳感器、 穩(wěn)定的高速緩存器和即時的溫度報警觸發(fā)器等組成。每塊芯片有其獨(dú)特的64位序列號, 存于其ROM地址的ROM中。主機(jī)在進(jìn)入相應(yīng)的操作程序之前, 用讀ROM的命令才能讀出該DS18B20的序列號, 此種讀取方式保證了數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性[7,8]。DS18B20可以程序設(shè)定9～12位分辨率, 該項目中設(shè)置12位分辨率, 在-10 ℃～85 ℃范圍內(nèi), 該溫度傳感器精度為±0.5℃。

恒溫控制模塊中加熱模塊選用半導(dǎo)體制冷片, 該片通過改變電流方向?qū)崿F(xiàn)制冷與加熱的切換, 其溫度控制范圍為-130 ℃～90 ℃。在加熱控制部分, 當(dāng)由N型和P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成的熱電偶對中有電流通過時, 兩端間就會產(chǎn)生熱量轉(zhuǎn)移, 從而產(chǎn)生溫差形成冷熱端, 當(dāng)冷熱端達(dá)到一定溫差, 這兩種熱傳遞的量相等時, 就會達(dá)到一個平衡點, 正逆向熱傳遞相互抵消。該系統(tǒng)通過新型模糊PID參數(shù)整定后得到加熱量, 對制冷片進(jìn)行PWM電流量的輸入, 按PWM占空比進(jìn)行實時加熱[9]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 新型模糊PID控制器原理

常規(guī)PID控制使用比例(P)、 積分(I)、 微分(D)等固定參數(shù)進(jìn)行控制[8], 因?qū)嶋H系統(tǒng)均處于動態(tài)變化, 而這組參數(shù)不能隨系統(tǒng)動態(tài)性能的改變而實時修正[10,11]。為此, 該系統(tǒng)引入一種新型模糊控制, 不斷對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行動態(tài)修正, 使系統(tǒng)能更好地應(yīng)對其靜態(tài)和動態(tài)性能[12], 圖2為新型模糊自整定PID框圖。

傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器的微分方程、 傳輸函數(shù)及其離散化如下

(1)

(2)

(3)

圖2 新型模糊自整定PID框圖Fig.2 Novel fuzzy-PID control block diagram

其中e(t)=r(t)-c(t), 即偏差值,Kp為比例增益(放大系數(shù)),Ti為積分時間常數(shù),Td為微分時間常數(shù),u0是模擬控制器的初始輸入量,u(t)是在t時刻的輸出[13,14]。

本文中的新型模糊控制在常規(guī)PID控制器基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。先設(shè)定PID控制器的初值, 然后根據(jù)模糊規(guī)則得到相應(yīng)調(diào)節(jié)值, 再將二值迭代累積即得到PID參數(shù)。

模糊規(guī)則使用誤差累積迭代的方法對出現(xiàn)的誤差進(jìn)行不斷疊加, 隨迭代次數(shù)的增多, 誤差越來越小。其模糊控制器參數(shù)迭代整定表達(dá)式如下

(4)

其中βp、βi和βd為迭代參數(shù),K(t-1)為前次參數(shù)值,K(t)為當(dāng)次參數(shù)值, ΔKp、ΔKi和ΔKd為前次和當(dāng)次參數(shù)差值。隨累積次數(shù)增多,K(t-1)逐漸趨近于K(t), 即誤差逐漸趨近于零, 系統(tǒng)達(dá)到理想控制。

(5)

由此, 得到離散系統(tǒng)的模糊PID控制器的參數(shù)和控制量方程。

3.2 新型模糊PID控制器設(shè)計

模糊控制器的輸入接口必須通過模糊化處理才可用于計算得出控制輸出。其作用是將真實的確定輸入量轉(zhuǎn)換為模糊矢量。對于一個模糊的輸入變量e, 其模糊控制的子集通常可劃分為1) {負(fù)大, 負(fù)小, 零, 正小, 正大}={NB,NS,ZO,PS,PB}; 2) {負(fù)大, 負(fù)中, 負(fù)小, 零, 正小, 正中, 正大}={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}; 3) {負(fù)大, 負(fù)中, 負(fù)小, 零負(fù), 零正, 正小, 正中, 正大}={NB,NM,NS,NZ,PZ,PS,PM,PB}。

模糊規(guī)則通常由一系列關(guān)系詞組成, 如if-then、 else、 also、 end、 or等。模糊關(guān)系詞需經(jīng)過“翻譯”處理, 而后將模糊規(guī)則數(shù)值化, 常用的關(guān)系詞有if-then、 also。本系統(tǒng)的模糊控制算法的輸入變量為誤差和誤差變化, 其對應(yīng)的語言變量定義為誤差E和誤差變化CEC, 其基本結(jié)構(gòu)歸納為If A and B then C[15]。Kp的控制規(guī)則如表1所示,Ki控制規(guī)則如表2所示。

表1 Kp控制規(guī)律表

表2 Ki控制規(guī)律表

3.3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

圖3 系統(tǒng)流程圖Fig.3 Software flow chart

系統(tǒng)上電復(fù)位后, 各模塊首先進(jìn)行初始化。而后, 測溫模塊開啟執(zhí)行溫度監(jiān)測, 人機(jī)交互模塊跟隨執(zhí)行并將結(jié)果顯示在液晶屏上。當(dāng)出現(xiàn)預(yù)期恒溫溫度與實際溫度不符, 進(jìn)入模糊控制模塊, 執(zhí)行本系統(tǒng)新型模糊PID控制函數(shù), 該函數(shù)基于模糊PID控制, 引入迭代方法, 確定最終參數(shù)值。系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

4 實驗數(shù)據(jù)

對本控制系統(tǒng)進(jìn)行測試, 對水循環(huán)系統(tǒng)儲水1 000 mL, 進(jìn)行檢測實驗, 以12 ℃為起始水溫, 設(shè)置預(yù)期恒定溫度70 ℃, 對系統(tǒng)溫度變化情況進(jìn)行觀測。通過本系統(tǒng)中新型模糊PID算法進(jìn)行實時溫控處理, 得到的水溫變化情況如表4所示。

表4 新型模糊PID控制系統(tǒng)的溫度響應(yīng)情況

對該組測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 與常規(guī)PID控制量進(jìn)行對比, 繪制溫度響應(yīng)圖, 得到系統(tǒng)溫度隨時間變化關(guān)系見圖4a。由圖4a可見, 新型模糊PID控制的溫度響應(yīng)與PID有明顯差別： 響應(yīng)速度方面, 新型模糊PID控制的溫度響應(yīng)速度較快, 能較快達(dá)到預(yù)期溫度并快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)； 精度方面, 新型模糊PID控制的溫度響應(yīng)超調(diào)較小, 穩(wěn)定誤差較小。

將新型模糊PID控制系統(tǒng)建模, 進(jìn)行仿真, 記錄溫度響應(yīng)變化情況, 對該組數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖處理, 得到系統(tǒng)仿真響應(yīng)見圖4b。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)得到系統(tǒng)的溫度誤差為0.1 ℃, 而系統(tǒng)的實際運(yùn)行誤差由于受傳感器精度影響, 實際測量誤差為0.5 ℃。由此可見, 該系統(tǒng)溫度響應(yīng)誤差較小, 很好地實現(xiàn)了精準(zhǔn)控制。

a 兩種PID實測溫度響應(yīng)對比 b 新型PID控制系統(tǒng)仿真圖圖4 系統(tǒng)測試分析圖Fig.4 Analysis chart of the system

5 結(jié) 語

筆者設(shè)計的恒溫控制控制系統(tǒng), 是一種基于新型模糊PID算法實現(xiàn)自動控制的系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計方面, 選用低功耗、 低成本的STM32F407芯片完成了對系統(tǒng)總體的控制, 同時給出了該設(shè)計中新型模糊PID控制算法在恒溫自動控制的軟件實現(xiàn)流程。實驗結(jié)果表明, 該系統(tǒng)可實現(xiàn)溫度自動檢測、 加熱與整體控制, 系統(tǒng)的理論絕對誤差為0.1 ℃, 實際測量誤差為0.5 ℃, 達(dá)到所選溫度傳感器的最高水平, 實現(xiàn)了低功耗控制, 同時達(dá)到了該系統(tǒng)的恒溫自動、 精準(zhǔn)控制的目的。

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