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(yīng)用

引言

硫化鉛紅外傳感器薄膜的制作方法是將多種化學(xué)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(yīng)杯內(nèi)，按特定的溫度曲線進(jìn)行加熱，配制的料液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)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(zhì)，通過油泵注入反應(yīng)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(xué)沉淀過程中的控溫度精度，本文采用模糊自整定PID控制設(shè)計了一個電加熱化學(xué)沉淀溫度自動控制系統(tǒng)，控溫精度達(dá)到±1.5°C以內(nèi)，達(dá)到了薄膜型硫化鉛紅外傳感器化學(xué)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(jī)的有效控制，使化學(xué)沉淀溫度按照設(shè)定的溫度曲線進(jìn)行升溫?？刂葡到y(tǒng)硬件由89C55WD單片機(jī)、AI501測溫儀、D/A器轉(zhuǎn)換及V/I轉(zhuǎn)換器、AIJK3調(diào)功觸發(fā)器、加熱絲、沉淀槽、微型打印機(jī)、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(jī)，顯示、存儲、打印數(shù)據(jù)，進(jìn)行模糊PID控制運算輸出數(shù)字信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換及V/I轉(zhuǎn)換為0?20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號控制調(diào)功觸發(fā)器輸出加熱電壓，保證料液溫度按設(shè)定的溫度曲線變化。

2建立化學(xué)沉淀標(biāo)準(zhǔn)溫度曲線模型

化學(xué)沉淀標(biāo)準(zhǔn)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(jī)處理，將一條連續(xù)的非線性化學(xué)沉淀標(biāo)準(zhǔn)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(xué)沉淀標(biāo)準(zhǔn)溫度曲線。單片機(jī)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)溫度;表示當(dāng)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(xué)沉淀標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(xué)沉淀料液溫度。使化學(xué)沉淀溫度自動控制系統(tǒng)能夠根據(jù)實際情況調(diào)整比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)K和微分系數(shù)Kd，以達(dá)到調(diào)節(jié)作用的實時最優(yōu)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4模糊控制規(guī)則表的建立

4.1灼,控制設(shè)計

在PID控制中，Kp值的選取決定于系統(tǒng)的響應(yīng)速度。調(diào)節(jié)初期應(yīng)適當(dāng)取較大的Kp值以提高響應(yīng)速度，在調(diào)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(yīng)速度；為了提高升溫過程中的控制精度，在調(diào)節(jié)后期適當(dāng)調(diào)大Kp值以便減小靜差。Kp控制設(shè)計如表1所列。

4.2K控制設(shè)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(yīng)適當(dāng)減小,最小可以為0;而到了溫度控制的中間階段，積分K應(yīng)適當(dāng)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(yīng)該再次增強(qiáng)積分K的作用。積分K控制設(shè)計表如表2所列。

4.3Kd控制設(shè)計

溫度控制過程中的微分爲(wèi)控制調(diào)節(jié)是為了解決大慣性過沖而引入的，微分調(diào)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(diào)節(jié)的初始階段，為了得到最小的超調(diào)，此時應(yīng)該加大微分Kd的控制作用；而到了溫度控制的中期，應(yīng)適當(dāng)減小并保持微分Kd值固定不變；到了溫度控制的后期應(yīng)適當(dāng)減小微分Kd的值，可以增強(qiáng)溫度升溫過程中的制動作用，進(jìn)一步補償在調(diào)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(diào)節(jié)過程中的時間T的延長。微分Kd控制設(shè)計如表3所列。

5輸出量計算

通過模糊控制設(shè)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(yīng)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(shè)計

該系統(tǒng)采用MS51匯編碼設(shè)計程序，軟件設(shè)計包含四個部分，液晶顯示及驅(qū)動程序（包含菜單、參數(shù)修改、實時時鐘）、打印程序、標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(guān)系，按式（2）計算出實時標(biāo)準(zhǔn)溫度。采樣周期設(shè)為1s，每秒采樣三次進(jìn)行濾波處理，然后進(jìn)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(jié)束再調(diào)用第二段，以此類推直至沉淀結(jié)束。

7結(jié)語

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

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