馬志航，虎恩典，毛 令，朱兆元，劉融宇

(北方民族大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，銀川 750021)

0 引言

國(guó)外智能閥門定位器發(fā)展比較成熟，以德國(guó)西門子SIPATT PS2系列為代表，其核心部件鑄造高標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)鑄造工藝水平難以達(dá)到要求。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的一些智能閥門定位器多數(shù)采用16位低功耗微處理器，它們?cè)诳垢蓴_、響應(yīng)速度、穩(wěn)定時(shí)間等方面表現(xiàn)優(yōu)秀，但在控制精度方面仍表現(xiàn)不足。一些國(guó)產(chǎn)閥門閥位在調(diào)節(jié)的過程中往往會(huì)出現(xiàn)往復(fù)抖動(dòng)的現(xiàn)象[1]，長(zhǎng)期使用的情況下控制精度進(jìn)一步下降。

本設(shè)計(jì)選用意法半導(dǎo)體超低功耗芯片STM32L152芯片為控制系統(tǒng)核心，以紅外遙控、霍爾按鍵、4～20 mA電流信號(hào)發(fā)生器配合定制顯示屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，不同的操作方法任意切換，采用自適應(yīng)模糊免疫PID控制算法實(shí)現(xiàn)參數(shù)自整定有效提高了控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。設(shè)計(jì)菜單式操作模式，可以查看當(dāng)前報(bào)警信息、閥門開度、溫度和壓力等。另外，預(yù)留主控制器接口為以后升級(jí)拓展做好準(zhǔn)備。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

二線制工業(yè)電流信號(hào)不僅作為閥門的定位信號(hào)，同時(shí)也是控制器的供電電源[2]。4～20 mA電流信號(hào)經(jīng)過信號(hào)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，控制器采樣計(jì)算后線性化為閥門開度，4 mA對(duì)應(yīng)閥門開度的0%，20 mA對(duì)應(yīng)閥門開度的100%。使用人機(jī)交互模塊進(jìn)行閥體工作狀態(tài)的顯示。閥門在運(yùn)行過程中開啟自檢，若當(dāng)前有故障發(fā)生則報(bào)警燈亮起，經(jīng)過8 s延時(shí)后閥門自動(dòng)回到全關(guān)位置；若無故障發(fā)生默認(rèn)進(jìn)入4～20 mA電流信號(hào)發(fā)生器直接控制閥門開度模式?？刂破鲗?duì)4～20 mA電流信號(hào)和位置傳感器反饋的信號(hào)進(jìn)行采樣處理，將得到的數(shù)字量做減法得到偏差，偏差值經(jīng)自適應(yīng)模糊免疫PID算法處理輸出PID值產(chǎn)生PWM波控制電磁閥的動(dòng)作，在此過程中位置傳感器不斷檢測(cè)位置信號(hào)返回控制器中，構(gòu)成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器

以超低功耗芯片STM32L152CBT6芯片為控制核心，該芯片采用Cortex-M3 32位RISC內(nèi)核，創(chuàng)新自主平臺(tái)工藝，具有電壓調(diào)節(jié)、低功耗模式、超低功耗模式。集成了高達(dá)24路12位模擬量輸入通道，2個(gè)12位DAC通道。芯片內(nèi)置LCD驅(qū)動(dòng)，最高支持8×40筆段，可以簡(jiǎn)化顯示部分軟件設(shè)計(jì)。芯片最高支持36 MHz工作頻率，且它在低功耗模式運(yùn)行的同時(shí)性能不會(huì)降低。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.2 電源模塊及開度/位移信號(hào)轉(zhuǎn)化模塊

二線制定位器電源和信號(hào)線共用兩根導(dǎo)線，供電完全從定位信號(hào)中抽取。三端穩(wěn)壓器選用LTC1474-3.3，其轉(zhuǎn)換率可超過92%，擁有極低的待機(jī)電流同時(shí)也可以保持電壓輸出，滿足低功耗的設(shè)計(jì)要求。電源模塊的信號(hào)源端電壓在8～12 V的范圍內(nèi)，為了保證系統(tǒng)在最低電流信號(hào)輸入時(shí)維持正常運(yùn)行，采用一個(gè)12 V穩(wěn)壓管。由于輸入的電流信號(hào)值大小會(huì)產(chǎn)生一定誤差，為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行留有5%的裕量，則在輸入電流信號(hào)最小為4 mA時(shí)系統(tǒng)允許消耗的最大電流為3.8 mA。電源模塊電路如圖2所示，輸入4 mA電流經(jīng)過整流濾波后，通過三端穩(wěn)壓器LTC1474-3.3轉(zhuǎn)化成了3.3 V的直流電，此時(shí)整個(gè)控制系統(tǒng)的功耗約為33 mW，滿足了人機(jī)交互模塊的功耗需求[3]。

圖2 電源模塊

開度/位移信號(hào)轉(zhuǎn)換電路中運(yùn)算放大器選用LM158。該放大器具有高增益，低功耗，3～30 V寬電壓供電的特點(diǎn)。定位信號(hào)(4～20 mA電流)經(jīng)過兩個(gè)100 Ω并聯(lián)電阻采樣后轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)電壓，輸入到LM158第一路放大器的負(fù)端，其輸出端接入控制器PA1引腳。位移傳感器反饋信號(hào)經(jīng)過電阻采樣后輸入到第二路放大器的正端，其輸出端接入控制器PA2引腳。為了避免低電壓采樣出錯(cuò)，將控制器的基準(zhǔn)電壓設(shè)置為2.5 V。這兩種信號(hào)經(jīng)過采樣轉(zhuǎn)化后在控制器中模擬量化為12位的數(shù)字量。信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊電路如圖3所示。

圖3 信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊圖

2.3 人機(jī)交互模塊

本設(shè)計(jì)以3種方式控制閥門的工作：1)通過安裝在電路板上的6個(gè)霍爾按鍵；2)使用紅外遙控器；3)直接使用4～20 mA電流信號(hào)發(fā)生器。這3種方式都需要配合LCD顯示屏進(jìn)行操作。

如圖4所示，LCD顯示屏主要用于人機(jī)交互界面內(nèi)容顯示，它整合了段碼屏和點(diǎn)陣屏，內(nèi)部集成驅(qū)動(dòng)芯片ST7567，穩(wěn)定性高，顯示內(nèi)容豐富。點(diǎn)陣屏部分顯示滾動(dòng)式菜單，段碼屏部分顯示閥門開度設(shè)定值、閥門開度實(shí)際值、電量圖標(biāo)、閥門開合圖標(biāo)、手型操作圖標(biāo)、遠(yuǎn)程操作圖標(biāo)及故障圖標(biāo)。在使用過程中兩部分顯示屏同時(shí)顯示，工人可以直觀地獲取閥體工作狀態(tài)和閥門開度；按動(dòng)霍爾按鍵對(duì)其輸入磁信號(hào)，霍爾元件內(nèi)部觸發(fā)器會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出電平信號(hào)也隨之由高變低。當(dāng)主控制器檢測(cè)到下降沿時(shí)，會(huì)根據(jù)具體的IO口執(zhí)行不同的指令，指令包括：切換操作方式為紅外遙控/遠(yuǎn)程控制、增大/減小閥門開度、暫停/中斷運(yùn)行；紅外遙控發(fā)出脈沖串信號(hào)，由安裝在電路板上的紅外接收器接收，控制器解碼。紅外遙控輸出方式為按下按鍵后發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，如果不松開則一直重復(fù)發(fā)送。紅外遙控控制方式具有霍爾按鍵控制方式的全部功能，且增加了閥門閥位點(diǎn)動(dòng)/連動(dòng)運(yùn)行功能；4～20 mA電流信號(hào)發(fā)生器只具有增大/減小閥門開度的功能，信號(hào)發(fā)生器輸出的電流每變化0.01 mA就會(huì)引起閥門動(dòng)作。3種不同的操作方式在一定程度上方便了工人對(duì)閥體的操作，同時(shí)也提高了閥體的工作效率，大大滿足了復(fù)雜多變的工業(yè)環(huán)境。

圖4 人機(jī)交互模塊

2.4 通信模塊

為了減少芯片拓展和降低誤碼率，上位機(jī)與下位機(jī)的通訊方式采用SPI接口實(shí)現(xiàn)。通信模式為全雙工，將下位機(jī)配置為主機(jī)，上位機(jī)配置為從機(jī)。上位機(jī)僅僅用于讀取下位機(jī)當(dāng)前的操作碼和閥門工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。每次進(jìn)行通信時(shí)，上位機(jī)都向下位機(jī)發(fā)送一幀8位的空數(shù)據(jù)，下位機(jī)返回實(shí)際數(shù)據(jù)。這樣做的目的是防止數(shù)據(jù)交換時(shí)系統(tǒng)卡死。另外，設(shè)計(jì)了RS232接口電路用于完成控制器與PC間的通訊。

3 MATLAB仿真設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)模型建立

為了能夠驗(yàn)證不同控制算法對(duì)系統(tǒng)的控制效果，在本節(jié)中將建立起控制系統(tǒng)的廣義傳遞數(shù)學(xué)模型。G1為反饋桿的數(shù)學(xué)模型，G2為氣動(dòng)執(zhí)行器的數(shù)學(xué)模型，G3為電氣轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)閥的數(shù)學(xué)模型，H為反饋環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型[4]。

(1)

(2)

(3)

(4)

3.2 免疫反饋系統(tǒng)的原理

免疫系統(tǒng)是生物體內(nèi)所必備的一套特征生理反應(yīng)防御機(jī)制，用于保護(hù)自己的身體免受自然界中各種病毒、微生物與細(xì)菌的侵害。對(duì)我們來說，一系列具有免疫功能的特異淋巴細(xì)胞，包括吞噬細(xì)胞、B細(xì)胞和T細(xì)胞就共同組成了保護(hù)人體的免疫系統(tǒng)。

如圖5所示，可以看出存在兩條反饋回路：(1)免疫反應(yīng)的初期，病毒和細(xì)菌等抗原侵入，吞噬細(xì)胞為了得到正確的抗原信息會(huì)將其吞噬并分析，之后會(huì)產(chǎn)生特異Th細(xì)胞和Ts細(xì)胞。這時(shí)B細(xì)胞在Th細(xì)胞和Ts細(xì)胞的共同作用下就會(huì)產(chǎn)生出相應(yīng)的特異抗體用來消滅抗原。免疫系統(tǒng)剛開始作用時(shí)，體內(nèi)的抗原濃度較高，Ts細(xì)胞數(shù)量較少，使得Th細(xì)胞能夠起到促進(jìn)作用，刺激B細(xì)胞活化，以產(chǎn)生更多的抗體去消滅入侵的抗原。(2)到免疫反應(yīng)的末期，抗原被抗體逐漸消滅，濃度減小，此時(shí)體內(nèi)的Ts細(xì)胞就會(huì)對(duì)Th細(xì)胞和免疫B細(xì)胞起到抑制作用，減少抗體的生成，使得人體在經(jīng)過一段時(shí)間后，免疫反饋系統(tǒng)會(huì)逐漸恢復(fù)到平衡狀態(tài)。

圖5 免疫反饋過程

3.3 模糊免疫PID算法

將入侵的抗原的第k代時(shí)的數(shù)量假設(shè)為ε(k)，Th細(xì)胞和Ts細(xì)胞在受到免疫反應(yīng)刺激后的輸出設(shè)為Th(k)和Ts(k)，將B細(xì)胞在兩種T細(xì)胞的共同作用下受到的影響設(shè)為S(k)，受到影響的變化率為ΔS(k)，則有：

S(k)=Th(k)-Ts(k)

(5)

在式(5)中：

Th(k)=k1ε(k)，Ts(k)=k2f(S(k),ΔS(k))ε(k)。不妨在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，將系統(tǒng)偏差e(k)等同于第k代抗原的數(shù)量ε(k)，系統(tǒng)的輸入u(k)等同于B細(xì)胞所受到的總影響S(k)，則可以總結(jié)出如下的反饋控制公式：

S(k)=k1ε(k)-k2f(S(k),ΔS(k))ε(k)

(6)

可寫作:

S(k)=K(1-ηf(S(k),ΔS(k))ε(k)=KP1e(k)

(7)

在式(7)中，Kp1=K(1-ηf(u(k),Δu(k)))，K=k1為控制系統(tǒng)反應(yīng)速度參數(shù)，η=k2/k1為控制系統(tǒng)穩(wěn)定效果的參數(shù)。選定一個(gè)非線性函數(shù)f(·)，則：

f(·)=f(u(k),Δu(k))

(8)

如此，就可以將上式(7)視作是一個(gè)非線性的P控制器，而其P控制器的比例系數(shù)Kp1=K(1-ηf(u(k),Δu(k)))就會(huì)隨著控制器的輸出u(k)變化而變化。其中K為比例系數(shù)，可以通過增大它的值來避免系統(tǒng)響應(yīng)速度過慢，但同時(shí)也要注意增大K值帶來超調(diào)量和控制曲線更加波動(dòng)的問題；η為抑制系數(shù)，其大小決定了控制系統(tǒng)對(duì)控制過程的抑制作用。

根據(jù)增量式PID的公式：

u(k)=u(k-1)+Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+

Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

(9)

將公式中的Kp用Kp1所代替，就可以的得到一個(gè)免疫非線性的PID控制器：

u(k)=u(k-1)+Kp1[e(k)-e(k-1)] +

Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

(10)

3.4 免疫模糊非線性PID控制器的設(shè)計(jì)

從3.3中可以看出，能否設(shè)計(jì)出一個(gè)合適的非線性函數(shù)f(·)對(duì)于系統(tǒng)的控制性能會(huì)產(chǎn)生很大的影響?？刹捎玫脑O(shè)計(jì)方式有：基于函數(shù)模型和基于模糊推理規(guī)則逼近兩種[5]。由于模糊控制作為一種新型的控制方式不需要確定被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，在面對(duì)非線性控制對(duì)象時(shí)也能體現(xiàn)出很好的魯棒性和適應(yīng)性而被廣泛運(yùn)用于現(xiàn)在的控制系統(tǒng)當(dāng)中[6]。因此，采用模糊推理規(guī)則逼近的方式來獲得非線性函數(shù)會(huì)是比較好的選擇。

將第一個(gè)模糊控制器的輸入量定為系統(tǒng)的控制量u和控制量的變化率Δu，輸出為f(·)。兩個(gè)輸入量由正、負(fù)兩個(gè)模糊子集模糊化，輸出量由正、零和負(fù)3個(gè)模糊集模糊化。u、Δu和f(·)基本論域均為[0,1]，各模糊變量的隸屬度函數(shù)圖如圖6所示。

圖6 u、Δu、f(·)的隸屬度函數(shù)圖

根據(jù)“細(xì)胞收到的刺激越大，抑制能力越?。患?xì)胞受到的刺激越小，抑制能力越強(qiáng)”的免疫過程的原則來設(shè)計(jì)模糊規(guī)則，可以得到如表1所示模糊規(guī)則[7]。

表1 f(u(k),Δu(k))的模糊控制規(guī)則

將第二個(gè)模糊控制器的輸入量定為控制誤差e(k)和控制誤差的變化率Δe(k)，輸出為ΔKi和ΔKd。這4個(gè)量都是由負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大、零、正小、正中和正大7個(gè)模糊子集來模糊化。e(k)和Δe(k)的基本論域均為[-3,3]，ΔKi的基本論域?yàn)閇-0.06,0.06]，ΔKd的基本論域?yàn)閇-0.3,0.3]，各模糊變量的隸屬度函數(shù)圖如圖7所示。

圖7 e、ec、Ki、Kd的隸屬度函數(shù)圖

ΔKi、ΔKd模糊控制規(guī)則如表2～3所示。

表2 ΔKi的模糊控制規(guī)則表

以上兩個(gè)模糊控制器模糊化方法均采用Mamdani模糊推理機(jī)制AND操作，解模糊化方法采用重心法。

表3 ΔKd的模糊控制規(guī)則表

控制網(wǎng)絡(luò)框圖如圖8，由控制論可知在一定范圍內(nèi)增大比例系數(shù)可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)；增強(qiáng)積分環(huán)節(jié)的作用可以消除靜差，提高系統(tǒng)無差度；引入微分環(huán)節(jié)系統(tǒng)可以產(chǎn)生早期修正信號(hào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間，引入模糊控制對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，可以使得被控對(duì)象具有良好的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自適應(yīng)控制[8]。

圖8 控制網(wǎng)絡(luò)框圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

使用MDK5開發(fā)平臺(tái)基于STM32芯片庫(kù)函數(shù)對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行開發(fā)，直接在固件庫(kù)中調(diào)用所需函數(shù)，這在很大程度上降低了程序開發(fā)的難度[9]?？刂葡到y(tǒng)需要用到的片上資源有：SPI，定時(shí)器TIME，ADC，DAC，外部中斷EXIT等。開發(fā)軟件內(nèi)容主要包括：霍爾按鍵子程序，紅外信號(hào)接收子程序，點(diǎn)陣與段碼顯示子程序，位移、溫度、壓力采集子程序，通訊子程序，PID自整定子程序，報(bào)警子程序等。系統(tǒng)的主要功能由控制器的外部中斷和串口中斷實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)上電運(yùn)行后，首先對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入死循環(huán)[10]。在死循環(huán)中默認(rèn)進(jìn)行的是4～20 mA電流信號(hào)發(fā)生器直接控制閥門開度操作，按動(dòng)霍爾按鍵切換到按鍵操作或者紅外遙控操作，整個(gè)過程調(diào)用顯示子程序，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前閥門的狀態(tài)。

圖9 主程序流程圖

為克服偶然因素引起的高頻干擾波動(dòng)，采用中值濾波的方法對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理，連續(xù)采集13個(gè)信號(hào)，將之形成有序數(shù)據(jù)，取中間值作為本次的有效值，并對(duì)其進(jìn)行歸一化處理。經(jīng)過處理后的采樣信號(hào)分別作為閥位的輸入值和輸出值，若當(dāng)前需要進(jìn)行參數(shù)自整定則調(diào)用自適應(yīng)模糊免疫PID算法整定PID參數(shù)輸出PWM波驅(qū)動(dòng)電磁閥。

圖10 自適應(yīng)模糊免疫PID算法流程圖

5 仿真結(jié)果及聯(lián)機(jī)調(diào)校

根據(jù)上文所得到的數(shù)學(xué)模型，建立起相應(yīng)的自適應(yīng)模糊免疫控制系統(tǒng)、傳統(tǒng)的模糊PID控制系統(tǒng)和常規(guī)PID控制系統(tǒng)。仿真時(shí)間取5 s，采樣時(shí)間為0.01 s，設(shè)定輸入值為10，Kp1=2(1-1.69f(·))。通過仿真來得到3個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線并比較它們的控制效果。結(jié)果如圖11(第3 s時(shí)施加擾動(dòng))：

圖11 施加擾動(dòng)下的控制系統(tǒng)仿真曲線

根據(jù)圖11從響應(yīng)時(shí)間來看，3種控制算法中自適應(yīng)模糊免疫PID算法要優(yōu)于模糊PID算法，但比常規(guī)PID算法要差；從超調(diào)量來看，常規(guī)PID算法的超調(diào)量為12.3%，自適應(yīng)模糊免疫PID算法和模糊PID算法基本可以實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)；從調(diào)整時(shí)間來看，常規(guī)PID算法為2.988 s，模糊PID算法為1.4 s，自適應(yīng)模糊免疫PID算法為0.8 s；從抗擾動(dòng)來看，自適應(yīng)模糊免疫PID算法性能最好。

閥門閥位行程數(shù)據(jù)如表4所示。在3種控制算法下對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)校，開度設(shè)置為從0%到100%，整個(gè)過程中記錄閥門行程數(shù)據(jù)。其中，使用自適應(yīng)免疫模糊PID算法進(jìn)行參數(shù)自整定?？梢钥闯?，自適應(yīng)免疫模糊PID算法能夠最快達(dá)到目標(biāo)值。通過仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比，自適應(yīng)模糊免疫PID算法性能最優(yōu)。既避免了閥位抖動(dòng)，又實(shí)現(xiàn)了無差調(diào)節(jié)，這對(duì)閥門長(zhǎng)時(shí)間地穩(wěn)定運(yùn)行起著關(guān)鍵的作用[11]。

表4 閥門閥位行程數(shù)據(jù)表

6 結(jié)束語

提出一種以超低功耗芯片STM32L152芯片為核心的閥門定位器。硬件設(shè)計(jì)部分以低功耗為依據(jù)對(duì)外圍電路器件進(jìn)行選型，為以后升級(jí)開發(fā)留下電源利用空間。軟件設(shè)計(jì)部分以自適應(yīng)模糊免疫PID算法作為參數(shù)整定策略，依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果該控制算法提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，特別是提高了閥門閥位控制精度和避免了閥位抖動(dòng)問題。對(duì)閥門的操作方法進(jìn)行了一定創(chuàng)新，多種操作方法為工業(yè)生產(chǎn)帶來了便利性，滿足了設(shè)計(jì)初衷。實(shí)踐表明，控制系統(tǒng)在給定開度為100%時(shí)不到1.25 s輸出達(dá)到目標(biāo)值；低電流維持正常運(yùn)行時(shí)功率僅為33 mW。