模糊自整定PID控制算法在薄膜型硫化鉛紅外傳感器制作中的應用

引言

硫化鉛紅外傳感器薄膜的制作方法是將多種化學藥劑在一定的溫度條件下按一定的規(guī)則加入事先放有基片的反應杯內(nèi)，按特定的溫度曲線進行加熱，配制的料液發(fā)生化學反應后在基片上生成硫化鉛薄膜。目前的溫度控制方法是甘油加熱法，由人工操作將120。。的甘油做為加熱介質，通過油泵注入反應杯加熱槽，依靠甘油的注入量來控制沉淀料液的溫度，控溫精度得不到保證。為了提高化學沉淀過程中的控溫度精度，本文采用模糊自整定PID控制設計了一個電加熱化學沉淀溫度自動控制系統(tǒng)，控溫精度達到±1.5°C以內(nèi)，達到了薄膜型硫化鉛紅外傳感器化學制膜過程的溫度控制要求。

1系統(tǒng)組成及原理

系統(tǒng)建立的主要目的是通過單片機的有效控制，使化學沉淀溫度按照設定的溫度曲線進行升溫。控制系統(tǒng)硬件由89C55WD單片機、AI501測溫儀、D/A器轉換及V/I轉換器、AIJK3調功觸發(fā)器、加熱絲、沉淀槽、微型打印機、液晶顯示器等組成。AI501測溫儀測量沉淀料液溫度，通過串口送89C55WD單片機，顯示、存儲、打印數(shù)據(jù)，進行模糊PID控制運算輸出數(shù)字信號，經(jīng)D/A轉換及V/I轉換為0?20mA標準電流信號控制調功觸發(fā)器輸出加熱電壓，保證料液溫度按設定的溫度曲線變化。

2建立化學沉淀標準溫度曲線模型

化學沉淀標準溫度曲線是一條連續(xù)上升的非線性曲線,由初溫(18?22C)至終點溫度90為了便于單片機處理，將一條連續(xù)的非線性化學沉淀標準溫度曲線分成多條線段，每個短線段近似為一條直線段，建立一條經(jīng)線性化處理的化學沉淀標準溫度曲線。單片機根據(jù)每條線段的起點溫度、終點溫度、起點時間、終點時間參數(shù)計算出斜率和對應時間點的溫度值。圖1選取三種不同型號硫化鉛紅外傳感器各自的標準溫度沉淀曲線。

其中：K表示斜率；Tb1表示段的終點溫度；Tb°表示段的起點溫度；1表示段的終點時間；0表示段的起點時間；表示標準溫度;表示當前沉淀時間。

3建立控制算法模型

不同硫化鉛紅外傳感器，它們的化學沉淀標準溫度曲線有很大差別。為了方便工作，系統(tǒng)具有輸入新曲線或修改曲線參數(shù)功能。為達到精確控制的目的，針對PID控制和模糊控制的優(yōu)缺點，采用模糊自整定PID控制算法控制化學沉淀料液溫度。使化學沉淀溫度自動控制系統(tǒng)能夠根據(jù)實際情況調整比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)K和微分系數(shù)Kd，以達到調節(jié)作用的實時最優(yōu)。系統(tǒng)結構如圖2所示。

4模糊控制規(guī)則表的建立

4.1灼,控制設計

在PID控制中，Kp值的選取決定于系統(tǒng)的響應速度。調節(jié)初期應適當取較大的Kp值以提高響應速度，在調節(jié)中期,Kp則取較小值，以使控制過程減少溫度的過沖或者加熱不夠的情況發(fā)生，并且保證系統(tǒng)具有較快的響應速度；為了提高升溫過程中的控制精度，在調節(jié)后期適當調大Kp值以便減小靜差。Kp控制設計如表1所列。

4.2K控制設計

在溫度控制過程中，積分Ki的作用是消除控溫過程中的穩(wěn)態(tài)誤差。溫度控制過程的開始階段，積分K應適當減小,最小可以為0;而到了溫度控制的中間階段，積分K應適當增大，這樣就保證了控溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性；到了溫度控制的最后階段，為了減小靜差，應該再次增強積分K的作用。積分K控制設計表如表2所列。

4.3Kd控制設計

溫度控制過程中的微分爲控制調節(jié)是為了解決大慣性過沖而引入的，微分調節(jié)系數(shù)是為了改變溫度控制系統(tǒng)的動態(tài)特性。在硫化鉛紅外傳感器薄膜的制作過程中，有某些階段升溫速率特別快，這就要求在調節(jié)的初始階段，為了得到最小的超調，此時應該加大微分Kd的控制作用；而到了溫度控制的中期，應適當減小并保持微分Kd值固定不變；到了溫度控制的后期應適當減小微分Kd的值，可以增強溫度升溫過程中的制動作用，進一步補償在調節(jié)過程初始階段由于微分Kd值取值較大而引起的溫度調節(jié)過程中的時間T的延長。微分Kd控制設計如表3所列。

5輸出量計算

通過模糊控制設計表可以求得Kp、K、、Kd，運用重心法逆模糊化后的處理公式如下:

其中：u（k）表示為k采樣周期時的輸出；e（k）表示為k采樣周期時的偏差；表示為采樣周期。通過輸出u（k）乘以相應的比例因子Ku就可得出精確的輸出量u其公式如下：

6控溫程序設計

該系統(tǒng)采用MS51匯編碼設計程序，軟件設計包含四個部分，液晶顯示及驅動程序（包含菜單、參數(shù)修改、實時時鐘）、打印程序、標準溫度沉淀曲線計算程序、控溫程序（模糊自整定PID運算）?？販爻绦蚩驁D如圖4所示。

沉淀開始，89C55WD單片機先從X5045讀取首條線段參數(shù)（線段的起點溫度、終點溫度、起點時間、終點時間參數(shù)），按式（1）計算出斜率，根據(jù)斜率與實時時間的關系，按式（2）計算出實時標準溫度。采樣周期設為1s，每秒采樣三次進行濾波處理，然后進行差值運算，模糊自整定PID運算處理,輸出控制量。首條線段沉淀結束再調用第二段，以此類推直至沉淀結束。

7結語

采用模糊自整定PID控制設計的化學沉淀溫度自動控制系統(tǒng)，控溫精度達到±1.5。。以內(nèi)，已投入在實際應用中。經(jīng)過長期使用，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，完全滿足設計要求。

20211223_61c41c1fb7da2__模糊自整定PID控制算法在