岳云峰，任天平，朱振偉，2

（1.鄭州大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，河南鄭州 450001；2.河南機電職業(yè)學(xué)院機電工程學(xué)院，河南鄭州 450001）

1 引言

MPCVD，即微波等離子體化學(xué)氣相沉積法，是制備金剛石薄膜的常用方法［1］。樣品臺溫度在MPCVD設(shè)備運行過程中直接影響著金剛石薄膜的產(chǎn)量和品質(zhì)，是影響制備效果的關(guān)鍵因素［2］。目前通常采用水冷方式對MPCVD設(shè)備的樣品臺進行冷卻，對冷卻水的溫度進行控制可以提高樣品臺的溫度控制精度，有利于高品質(zhì)金剛石薄膜的制備。

近日來冷卻控制系統(tǒng)的相關(guān)研究在工業(yè)領(lǐng)域得到越來越多人的重視，諸多專家學(xué)者在該領(lǐng)域進行探索并取得了卓越的成果。文獻(xiàn)［3］提出了一種發(fā)動機冷卻泵智能控制系統(tǒng)，通過測量發(fā)動機工作時的冷卻液溫度，根據(jù)散熱要求采用MC9S12單片機對水泵的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了汽車發(fā)動機冷卻泵的智能控制；文獻(xiàn)［4］提出了一種隨型面變冷卻系統(tǒng)，通過采集冷卻液的出口溫度、流量等數(shù)據(jù)，采用Fluent和LS?DYNA仿真計算，較好的解決了變截面零件熱成形生產(chǎn)過程中大小端冷卻不均勻的問題。但是，目前針對MPCVD設(shè)備冷卻控制系統(tǒng)的研究還很少，設(shè)備運行時冷卻水裝置通常只是以恒流量的方式運行，對裝置中的發(fā)熱器件進行冷卻保護?，F(xiàn)場人員需要根據(jù)設(shè)備實際運行情況手動調(diào)節(jié)冷卻水的流量，確保樣品臺溫度維持在適合金剛石薄膜制備的溫度范圍內(nèi)。這種手動調(diào)節(jié)的方式無法對樣品臺溫度的突然變化做出及時的響應(yīng)，不利于金剛石薄膜的生產(chǎn)制備，容易引起生長速度緩慢、晶體純度差等問題；且需要現(xiàn)場人員密切關(guān)注生產(chǎn)過程，工作負(fù)擔(dān)較重。

因此，針對MPCVD設(shè)備運行過程中冷卻水手動調(diào)節(jié)方式存在的弊端，設(shè)計了一種冷卻水溫度控制系統(tǒng)，采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法，通過STM32F103控制器驅(qū)動步進電機，對冷卻水的流量進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)冷卻水出口溫度的自動控制。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

冷卻水溫度控制系統(tǒng)以STM32F103單片機為控制核心，主要包括控制器、步進電機、DS18B20溫度傳感器、渦輪流量計、流量調(diào)節(jié)閥等硬件組成部分。

系統(tǒng)的總體架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Overall Architecture of System

系統(tǒng)的溫度控制原理，如圖2所示。上位機對冷卻水的出口溫度進行設(shè)定，同時溫度傳感器將采集到的溫度信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后實時反饋給控制器；控制器根據(jù)設(shè)定水溫與實際水溫之間的偏差，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法獲得步進電機位移的調(diào)整量；控制器驅(qū)動步進電機，帶動絲杠螺母副上下移動，改變流量調(diào)節(jié)閥的開度。當(dāng)冷卻水的溫度偏高時，增大閥的開度，通過增加冷卻水的流量來降低水溫；當(dāng)冷卻水的溫度偏低時，則減小閥的開度，通過減小冷卻水的流量來提升水溫，通過調(diào)節(jié)冷卻水流量對冷卻水的出口溫度進行控制，確保冷卻水出口溫度維持在設(shè)定水溫的合理范圍內(nèi)。

圖2 溫度控制原理Fig.2 Principle of Temperature Control

3 硬件電路設(shè)計

3.1 MCU模塊

MCU模塊是控制系統(tǒng)的核心，具體設(shè)計，如圖3所示。模塊以STM32F103 作為主控制芯片，包括電源、時鐘、調(diào)試接口、復(fù)位、啟動方式等部分，確保單片機能夠正常工作。

圖3 MCU模塊電路Fig.3 Circuit of MCU Module

3.2 步進電機驅(qū)動模塊

步進電機的驅(qū)動電路，如圖4所示。系統(tǒng)采用TB6600HQ芯片對步進電機進行驅(qū)動，實現(xiàn)步進電機的加減速控制。通過STM32單片機控制芯片TB6600HQ的電流、轉(zhuǎn)向、衰減、細(xì)分等參數(shù)，實現(xiàn)對步進電機轉(zhuǎn)速和力矩的控制。

圖4 步進電機驅(qū)動電路Fig.4 Driving Circuit of Stepper Motor

3.3 通信模塊

系統(tǒng)工作時，控制器和上位機之間通過RS485 方式進行通訊。485通訊為半雙工模式，采用MODBUS協(xié)議的RTU 模式［5］。485通信模塊的電路，如圖5所示。

圖5 485通訊電路Fig.5 Communication Circuit of 485

4 控制器設(shè)計

PID控制作為傳統(tǒng)控制策略，因為其算法簡單、魯棒性好以及可靠性高等諸多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于實際的工業(yè)控制中。但是冷卻水的溫度控制過程具有非線性、大滯后等特點，使用傳統(tǒng)的PID 控制難以獲得良好的控制效果。因此，系統(tǒng)中考慮將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的PID 控制相結(jié)合，實現(xiàn)PID 控制參數(shù)的動態(tài)調(diào)整［6?7］。系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)Fig.6 System Control Structure

4.1 增量式PID控制

系統(tǒng)控制器的控制對象為步進電機，采用增量式PID算法對步進電機進行控制，控制器的輸出為步進電機位移的增量。增量式PID算法的公式，如式（1）所示。

式中：u（k）、u（k?1）—增量式PID 控制器第K次和第K?1 次的輸出；Δu（k）—控制器的增量，具體形式，如式（2）所示。

式中：Kp、Ki、Kd—PID控制的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)；e（k）、e（k?1）、e（k?2）—本次的冷卻水出口溫度偏差、前一次的冷卻水溫度偏差和前兩次的冷卻水溫度偏差。

4.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中采用標(biāo)準(zhǔn)的三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，隱含層的數(shù)目為1。冷卻水的溫度控制過程中的變量主要有設(shè)定溫度、實際溫度以及二者的偏差，所以輸入層的神經(jīng)元個數(shù)n設(shè)為3；輸出層的神經(jīng)元個數(shù)l確定為3個，分別對應(yīng)增量式PID控制的三個參數(shù)；隱含層的神經(jīng)元個數(shù)m的確定［8］，如式（3）所示。

式中：α—（1~10）之間的常數(shù)。

隱含層的神經(jīng)元個數(shù)m設(shè)為5，則系統(tǒng)中BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

圖7 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of BP Neural Network

4.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法

冷卻水溫控系統(tǒng)中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層的輸入，如式（4）所示。

式中：j—輸入層神經(jīng)元的序號，j=1，2，3。

BP 網(wǎng)絡(luò)隱含層的輸入neti（2）和輸出Oi（2）如式（5）、式（6）所示：

式中：wij（2）—隱含層的權(quán)值；i—隱含層神經(jīng)元的序號，i=（1~5）；上標(biāo)（1）、（2）、（3）表示的分別是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的輸入層、隱含層和輸出層；f（x）—隱含層的Sigmoid 激活函數(shù)，其表達(dá)式，如式（7）所示：

式中：l—輸出層神經(jīng)元的序號；g（x）—輸出層激活函數(shù)，采用非負(fù)的Sigmoid激活函數(shù)［9］，其表達(dá)式，如式（10）所示。

輸出層的輸出對應(yīng)PID控制的三個參數(shù)，如下所示。

系統(tǒng)的控制性能指標(biāo)E（k）的表達(dá)式，如式（12）所示。

式中：r（k）—冷卻水出口溫度的設(shè)定值；y（k）—實際值。

采用梯度下降法［10］對BP網(wǎng)絡(luò)各層之間的權(quán)值進行修正：

式中：η—修正過程中的學(xué)習(xí)速率；α—修正過程的慣性系數(shù)。

其中，

由式（1）、式（2）、式（9）聯(lián)立可得：

根據(jù)以上可得到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層的權(quán)值調(diào)整公式：

其中有：

同理可得BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層的權(quán)值調(diào)整公式：

5 仿真與試驗驗證

5.1 系統(tǒng)仿真

MPCVD設(shè)備的冷卻水溫度控制過程具有非線性、滯后性、時變性等特點，因此采用具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)對系統(tǒng)進行等效，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，如式（19）所示。

在Matlab軟件上對控制系統(tǒng)進行仿真實驗，在階躍信號的激勵下，對比系統(tǒng)分別采用傳統(tǒng)PID控制和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制時的系統(tǒng)響應(yīng)曲線，仿真結(jié)果，如圖8所示。

其中，常規(guī)的PID 控制參數(shù)通過試湊法得到，分別為Kp=3.13、Ki=9.44、Kd=0.07；系統(tǒng)采用常規(guī)PID 控制時超調(diào)量為17%，調(diào)節(jié)時間為6.12s。系統(tǒng)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制時，設(shè)各層之間權(quán)值的初值為［?0.5，0.5］區(qū)間內(nèi)的隨機值，用于權(quán)值調(diào)整時學(xué)習(xí)速率為0.1，慣性系數(shù)為0.2；優(yōu)化后的PID參數(shù)分別為Kp=2.72、Ki=8.62、Kd=0.06，超調(diào)量為7%，調(diào)節(jié)時間為4.83s。通過仿真結(jié)果可以看出：系統(tǒng)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制時，超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時間短，控制效果更好。

5.2 系統(tǒng)試驗及分析

搭建試驗平臺：采用DS18B20溫度傳感器和GTLWGY系列的渦輪流量計分別對冷卻水的出口溫度和流量進行測量；采用57系列的兩相步進電機。對系統(tǒng)中溫度和流量信號的測量、步進電機驅(qū)動接口以及系統(tǒng)的控制效果進行了測試與試驗。

5.2.1 信號采集模塊測試

為了獲取冷卻水的流量，采用測頻法對頻率進行測量。信號發(fā)生器產(chǎn)生占空比為50%的1000Hz的頻率信號，經(jīng)示波器驗證可知其波形與頻率均正確。將信號接到系統(tǒng)的第一路流量信號采集接口，頻率測試界面的結(jié)果，如圖9所示。通過實驗可知，系統(tǒng)的頻率測量電路和對應(yīng)的軟件接口都工作正常。

圖9 頻率測量模塊測試Fig.9 Test of Frequency Measurement Module

為了驗證系統(tǒng)溫度測量的準(zhǔn)確性，采用PT100與DS18B20溫度傳感器進行對比實驗，由實驗可得，系統(tǒng)中測量的溫度數(shù)據(jù)值得信任。

5.2.2 步進電機驅(qū)動接口測試

對步進電機接口進行連續(xù)性測試，發(fā)送指令使步進電機進行空載連續(xù)運動，運動結(jié)束后電機回到初始位置，說明步進電機的位移控制準(zhǔn)確。手動發(fā)生指令，令步進電機在細(xì)分為16的條件下運動0.01圈，控制器發(fā)送的脈沖，如圖10所示。由實驗可知，控制器共發(fā)送32個脈沖，脈沖數(shù)量無誤，且脈沖寬度符合步進電機的S型曲線控制規(guī)律。

圖10 步進電機接口測試Fig.10 Interface Test of Stepper Motor

5.2.3 系統(tǒng)控制效果

為了驗證冷卻水溫度控制系統(tǒng)的控制效果，對系統(tǒng)分別采用常規(guī)PID控制和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制兩種控制算法進行了對比實驗，試驗結(jié)果，如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)控制效果對比圖Fig.11 Comparison of System Control Effect

其中，溫度控制效果對比，如圖11（a）所示。溫度控制誤差對比，如圖11（b）所示。MAE和RMSE誤差，如圖11（c）所示。從圖11可以看出，與常規(guī)的PID控制方式相比，系統(tǒng)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法時冷卻水的溫度控制效果更好。結(jié)果顯示，系統(tǒng)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法具有更高的精度，均方根誤差和平均絕對誤差也更小。

6 結(jié)論

（1）系統(tǒng)中的溫度和流量信號采集模塊以及步進電機驅(qū)動模塊均可正常工作，硬件電路與軟件接口的設(shè)計無誤。（2）仿真與試驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)PID控制相比，系統(tǒng)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制策略，超調(diào)量更小，控制精度更高，誤差更小，具有更好的冷卻水溫度調(diào)節(jié)效果。（3）系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)MPCVD設(shè)備運行過程中冷卻水溫度的自動控制，能夠?qū)悠放_的溫度變化做出及時的響應(yīng)，具有一定的工程實際意義。