基于自適應(yīng)模糊PID控制的高精度溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0引言

在氣象探測(cè)領(lǐng)域,中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所自主研發(fā)的QFW—6000型微波輻射計(jì)^[1]通過實(shí)時(shí)測(cè)量大氣微波輻射信號(hào),監(jiān)測(cè)大氣積分水汽含量、路徑液態(tài)水含量的連續(xù)變化,反演輸出大氣溫、濕度廓線等,能夠?qū)崿F(xiàn)短時(shí)、臨近天氣預(yù)報(bào),提高中小尺度天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力;通過對(duì)災(zāi)害性天氣加密觀測(cè),對(duì)其變化趨勢(shì)和影響區(qū)域進(jìn)行科學(xué)研判,提高預(yù)報(bào)的精細(xì)化水平;同時(shí)也可以為人工影響天氣作業(yè)方案的科學(xué)設(shè)計(jì)、作業(yè)條件的綜合判別和作業(yè)實(shí)施提供依據(jù),減少人工影響天氣作業(yè)的盲目性,增加作業(yè)的科學(xué)性。

現(xiàn)如今,溫度控制技術(shù)主要包括定值開關(guān)控制、 PID控制與智能控制^[2]。定值開關(guān)控制適用于溫度要求不高的場(chǎng)合,不適用于該系統(tǒng)。傳統(tǒng)PID溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性好,且具有較強(qiáng)的適應(yīng)性,在大多生產(chǎn)控制過程中獲得了較好的控制效果并得到了廣泛應(yīng)用,但在處理一些復(fù)雜、非線性、不確定性的系統(tǒng)時(shí),其性能往往會(huì)受到限制。智能控制^[3]則利用高性能計(jì)算機(jī)與專家系統(tǒng)等智能設(shè)備的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行算法優(yōu)化,從而較好地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

本文結(jié)合PID控制與智能控制特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種基于自適應(yīng)模糊PID控制的高精度溫控系統(tǒng)^[4] ,對(duì) PID參數(shù)進(jìn)行在線自整定,使系統(tǒng)達(dá)到溫控精度。最后對(duì)設(shè)備實(shí)際測(cè)試,該溫控系統(tǒng)為輻射計(jì)接收機(jī)提供了穩(wěn)定的工作溫度,具有更好的自適應(yīng)性、魯棒性和控制精度^[5],對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率具有重要的實(shí)際意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

QFW—6000型微波輻射計(jì)主要由天線、接收機(jī)、 伺服控制系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、中央處理系統(tǒng)等組成,接收機(jī)為輻射計(jì)核心部件,包含V波段和K波段,接收機(jī)將接收到的微弱信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),并運(yùn)用反演算法,連續(xù)輸出氣象產(chǎn)品數(shù)據(jù)。微波輻射計(jì)為被動(dòng)接收設(shè)備,不主動(dòng)發(fā)射激勵(lì)信號(hào),接收的信號(hào)為大氣微弱的輻射噪聲信號(hào),特別容易受自身溫度噪聲影響, 自身溫度的變化會(huì)極大地影響接收機(jī)的輸出電壓,進(jìn)而影響輻射計(jì)的整體測(cè)量精度。因此,接收機(jī)的高精度恒溫控制系統(tǒng)是微波輻射計(jì)不可或缺的重要組成部分,是輻射計(jì)高精度測(cè)量的前提條件。

1.1 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以DSP28335芯片作為控制系統(tǒng)的核心,通過接收機(jī)內(nèi)部的高精度溫度傳感器獲取多點(diǎn)溫度數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字濾波后輸入自適應(yīng)模糊PID控制器,經(jīng)算法運(yùn)算后輸出PWM控制信號(hào)調(diào)節(jié)輸出電流大小,控制加熱或制冷模塊功率,實(shí)現(xiàn)溫度控制。

溫控系統(tǒng)硬件功能包括電源模塊、處理器單元、控制輸出單元、溫度采集單元、通信單元等;電源模塊包括系統(tǒng)電源及溫控電源,系統(tǒng)電源通過電源模塊將外部供應(yīng)電源轉(zhuǎn)換成采集控制板各單元需要的電源,供內(nèi)部使用;溫控電源則經(jīng)過控制板輸出到外部恒溫單元的加熱或制冷設(shè)備,通過控制輸出單元對(duì)輸出功率進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)恒溫單元的溫度控制。處理器單元主要包括DSP電路、晶振電路、燒寫電路等處理器最小系統(tǒng)。溫度采集單元?jiǎng)t用于連接數(shù)字溫度傳感器,實(shí)時(shí)采集接收機(jī)溫度數(shù)據(jù)。通信單元主要包括一路CAN總線電路,與上位機(jī)進(jìn)行通信等。圖1為恒溫控制系統(tǒng)的總體框圖。

1.2 各模塊電路

1.2.1DSP處理單元

TMS320C2000系列DSP處理器集微控制器和高性能DSP的特點(diǎn)于一身,具有強(qiáng)大的控制和信號(hào)處理能力,能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制算法。DSP處理器最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

DSP處理單元電路主要由芯片復(fù)位電路、JTAG 燒寫電路及晶振電路等組成,構(gòu)成DSP處理器最小系統(tǒng)電路。

1.2.2電源單元

恒溫控制電源采用系統(tǒng)電源與溫控電源分開設(shè)計(jì),兩者相互獨(dú)立,中間通過光耦控制輸出,保證了系統(tǒng)電源穩(wěn)定性。系統(tǒng)電源輸入電壓為5 V輸入,經(jīng)過電源芯片轉(zhuǎn)化成3.3 V和1.9 V,其中根據(jù)DSP上電時(shí)序要求,1.9 V電源芯片受控3.3 V芯片,當(dāng)3.3 V正常上電后,使能1.9 V電源芯片輸出電壓。因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)有模擬量信號(hào),該數(shù)字電源通過電感輸出模擬電源為模擬信號(hào)供電。電源設(shè)計(jì)電路如圖3所示。

1.2.3控制輸出單元

控制電路由光耦及CMOS管組成,光耦輸入端連接DSP控制信號(hào),輸出端連接CMOS控制端,通過控制CMOS通斷實(shí)現(xiàn)對(duì)恒溫設(shè)備的功率控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)備恒溫控制。該系統(tǒng)恒溫控制功率主要受CMOS芯片性能影響,所選芯片最大電流為45 A,滿足功率要求。控制輸出電路如圖4所示。

1.2.4通信單元

本系統(tǒng)包含一路CAN通信電路。CAN總線采用多主競(jìng)爭(zhēng)式總線結(jié)構(gòu),具有多主站運(yùn)行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點(diǎn)。CAN總線上任意節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)而不分主次,因此可在各節(jié)點(diǎn)之間自由通信。CAN網(wǎng)絡(luò)電路圖如圖5所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件總體框架

本文設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)軟件主要由主控芯片通過溫度傳感器采集接收機(jī)內(nèi)部溫度,然后與設(shè)定值進(jìn)行比較,對(duì)溫度偏差及偏差變化率進(jìn)行溫控精度判別,如果溫差范圍滿足控制精度,則系統(tǒng)仍沿用之前 PID控制器參數(shù)進(jìn)行溫度控制,如果溫差范圍大于控制精度,則軟件介入自適應(yīng)模糊控制進(jìn)行PID參數(shù)自整定,直至調(diào)整至溫度控制精度。

程序流程圖如圖6所示。

2.2 溫度控制算法設(shè)計(jì)

2.2.1PID控制器設(shè)計(jì)

PID控制器通過將偏差的比例、積分和微分環(huán)節(jié) 疊加到輸入中,來調(diào)整被控對(duì)象的行為,具有算法簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠性高的特點(diǎn),比較適用于大體為線性且動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)。圖7為PID控制器原理圖,其中虛線部分就是傳統(tǒng)的PID控制器。

其中輸入偏差e(t)的表達(dá)式為:

e(t)=r(t)—c(t)     (1)

PID控制器是一個(gè)負(fù)反饋閉環(huán)控制器,其控制原理就是將被控對(duì)象的實(shí)際輸出c(t)反饋到PID控制器 與輸入r(t)進(jìn)行比較,在計(jì)算出偏差e(t)后,通過PID 控制器對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的各種組合的運(yùn)算,得到PID控制器的輸出量U(t)。輸出量U(t)的表達(dá)式為:

式中:U(t)為控制系統(tǒng)輸出量;∫^t₀e(t)dt為被控對(duì)象在t時(shí)刻的誤差;de(t)/dt為被控對(duì)象在t時(shí)刻的誤差變化率Δec(t);K_P、K_I、K_D為比例、積分、微分增益。比例增益K_p使系統(tǒng)反應(yīng)靈敏,快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)誤差;積分增益K_I逐漸消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差;微分增益K_D提前預(yù)測(cè)系統(tǒng)誤差變化趨勢(shì),從而消除誤差,抑制調(diào)節(jié)過程中產(chǎn)生的振蕩。

系統(tǒng)中控制參數(shù)的正確選取是達(dá)到控制目標(biāo)的關(guān)鍵,不合適的控制參數(shù)會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響。

2.2.2模糊控制器設(shè)計(jì)

模糊控制器^[6]主要由模糊化接口、模糊推理機(jī)、數(shù)據(jù)庫、規(guī)則庫、解模糊化接口等五部分組成。模糊控制主要流程為:首先將系統(tǒng)的輸入變量根據(jù)比例因子轉(zhuǎn)化為模糊論域的模糊值,然后經(jīng)過模糊推理得到相應(yīng)的模糊控制量,最后經(jīng)過反模糊化運(yùn)算轉(zhuǎn)化為精確值輸出^[7]。模糊控制器結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

本模糊控制器將溫度偏差e(t)和溫度偏差變化率Δec(t)作為模糊控制器的輸入,以K_P、K_I、K_D三個(gè)參數(shù)的在線修正量ΔK_P、ΔK_I、ΔK_D作為模糊控制器的輸出變量。

定義e(t)和Δec(t)語言變量為E與EC,根據(jù)它們將系統(tǒng)使用三角隸屬函數(shù)部分的基本論域設(shè)為偏差e ∈[—1,1],偏差變化率Δe ∈[—0.5,0.5]。再把基本論域乘以相應(yīng)的比例因子K_e=6,K_Δec=12,語言變量E與 EC的模糊論域均為[—6,6]。定義ΔK_P、ΔK_I、ΔK_D對(duì)應(yīng)語言變量為K_P、K_I、K_D, 基本論域分別為[—20,20]、[—10,10]和[—5,5]。再把基本論域乘以相應(yīng)的比例因子K₀=20,K₁=10,K₂=5,語言變量K_P、K_I、K_D論域均為[—1,1]。輸入與輸出變量的模糊子集均記為{NB, NM,NS,ZO,PS,PM,PB},子集中元素分別代表:負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中和正大。基于以上條件,采用三角形隸屬函數(shù)作為控制器輸入與輸出變量的隸屬函數(shù)^[8]。

根據(jù)PID控制規(guī)律,制定K_P、K_I、K_D的模糊控制規(guī)則,如表1所示。

控制程序通過查詢模糊控制規(guī)則表得出每條控制規(guī)則的模糊關(guān)系,例如K_P的E=NS,EC=PM,則 K_P=NS。系統(tǒng)選用最大隸屬度法將模擬量轉(zhuǎn)化成精確量,精確量乘以比例因子得到最終控制量。所有最終控制量都是在起始PID參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正的,在線整定K_P、K_I、K_D參數(shù)的公式為:

式中:K_PP、K_II、K_DD均為PID控制器整定好的參數(shù)初始值,通過試湊法在預(yù)整定中得到;ΔK_P、ΔK_I、ΔK_D分別對(duì)應(yīng)K_P、K_I、K_D三個(gè)參數(shù)的在線變量。

2.2.3 自適應(yīng)模糊PID控制器設(shè)計(jì)

合并上述PID控制與模糊控制器,組成該系統(tǒng)的自適應(yīng)模糊控制器。自適應(yīng)模糊PID控制器^[9]結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

3 試驗(yàn)與分析

輻射計(jì)接收機(jī)對(duì)溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求是在—45~60℃范圍內(nèi),恒溫控制在54℃ ,溫控精度為±0.05℃ 。根據(jù)指標(biāo)要求,對(duì)溫控系統(tǒng)開展試驗(yàn),驗(yàn)證控制性能。

為使系統(tǒng)快速到達(dá)設(shè)定狀態(tài),在設(shè)備升溫階段,溫控系統(tǒng)滿功率運(yùn)行,使系統(tǒng)快速達(dá)到溫控點(diǎn)附近,然后再加入自適應(yīng)模糊PID控制,如圖10所示。選擇恒溫一天的數(shù)據(jù),如圖11所示。

圖10、圖11中,采樣周期為1 s,縱坐標(biāo)值為實(shí)際值的10倍。數(shù)據(jù)顯示,設(shè)備開機(jī)后,接收機(jī)溫度能夠迅速到達(dá)恒溫點(diǎn),并伴有輕微超調(diào),最大超調(diào)溫度為0.1℃ 。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到恒溫溫度后,溫度最大偏差為±0.02℃,滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

4結(jié)束語

為了降低接收機(jī)溫度變化對(duì)微波輻射計(jì)測(cè)量結(jié)果的影響,保障其測(cè)量精度,本文針對(duì)QFW-6000型微波輻射計(jì)溫控性能要求,結(jié)合常規(guī)PID控制器與模糊控制器特點(diǎn),將兩種控制從軟件上有機(jī)結(jié)合,設(shè)計(jì)了自適應(yīng)模糊PID溫度控制系統(tǒng)。最后,將溫控系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際設(shè)備中,驗(yàn)證控制器控制性能。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,最大溫度偏差只有±0.02℃,該溫控系統(tǒng)滿足溫控指標(biāo)要求。

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2024年第18期第9篇