基于模糊PID控制的半導(dǎo)體制冷溫控系統(tǒng)研制

引言

半導(dǎo)體制冷是利用"帕爾貼效應(yīng)"進(jìn)行制冷的一種方法,具備占用空間小、無需制冷劑、制冷速度快等優(yōu)點(diǎn),但是半導(dǎo)體制冷是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)過程,因此,要實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制冷溫度的精確控制有一定難度。本文基于半導(dǎo)體制冷技術(shù),結(jié)合模糊PID控制算法,有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)半導(dǎo)體制冷溫度的精確控制。

1硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)半導(dǎo)體制冷溫控系統(tǒng)由上位機(jī)、單片機(jī)、制冷片組、散熱裝置（風(fēng)扇）、溫度傳感器和電源組成。溫度傳感器將獲取到的溫度信息傳給單片機(jī),單片機(jī)再經(jīng)過串口將溫度信息傳至上位機(jī),上位機(jī)中的溫度分析軟件通過分析溫度信息生成控制指令,并經(jīng)由串口反饋至單片機(jī),由單片機(jī)輸出PWM控制制冷片組的工作狀態(tài)。

1.1溫度傳感器

本系統(tǒng)采用AD590溫度傳感器進(jìn)行溫度檢測(cè),能將溫度轉(zhuǎn)換為電流信號(hào),以絕對(duì)零度為基準(zhǔn),溫度每增加1℃,輸出電流就會(huì)增加1μA,0℃時(shí),輸出電流為273μA。

1.2制冷片控制電路

溫控系統(tǒng)采用PWM模式驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷片。當(dāng)PWM控制信號(hào)處于低電平時(shí),繼電器的觸點(diǎn)3和1相連,電路處于斷開狀態(tài),此時(shí)制冷片不工作:當(dāng)PWM信號(hào)處于高電平時(shí),觸點(diǎn)3與觸點(diǎn)2相連,電路處于導(dǎo)通狀態(tài),制冷片正常工作。由此發(fā)現(xiàn)可以通過改變PWM的占空比控制制冷片的工作時(shí)間,從而控制制冷片的制冷效率。當(dāng)環(huán)境溫度顯著高于或者顯著低于設(shè)定溫度時(shí),PWM信號(hào)的占空比應(yīng)較高,當(dāng)環(huán)境溫度接近設(shè)定溫度時(shí),PWM信號(hào)的占空比應(yīng)較低。本系統(tǒng)采用模糊PID控制算法確定PWM信號(hào)的占空比,能夠?qū)崿F(xiàn)一定范圍內(nèi)溫度的精確控制。制冷片控制電路如圖1所示。

2溫度控制算法

PID控制器在長期的工程實(shí)踐中已經(jīng)變得非常成熟,應(yīng)用也極其廣泛,但由于實(shí)際的控制對(duì)象通常具有非線性、時(shí)變不確定性等特性,使用常規(guī)的PID控制器難以達(dá)到理想的控制效果。

2.1增量式PlD控制算法

連續(xù)PID的表達(dá)式為:

式中,Kp是比例系數(shù):Ki是積分系數(shù):Kd是微分系數(shù)。

將式（1）進(jìn)行離散化后可得到表達(dá)式:

由遞推原理可以從式（2）得到.（k-1）的表達(dá)式。

u（k）與u（k-1）相減可得增量△u（k）的表達(dá)式為:

式中,△u（k）為控制量增量:e（k）為第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值:e（k-1）為第k-1次采樣時(shí)刻輸入的偏差值:△e（k）為兩次采樣偏差值的差值。

式（3）即增量式PID的表達(dá)式,由此可知△u（k）只需要通過計(jì)算最近三次（k、k-1、k-2）的采樣值就可以確定。

2.2模糊PlD控制原理

由于實(shí)際應(yīng)用中溫度存在較大的時(shí)變性和非線性,一組固定不變的PID參數(shù)無法滿足溫控系統(tǒng)快速穩(wěn)定調(diào)節(jié)的需求,所以需要引入模糊PID控制算法實(shí)時(shí)PID參數(shù)調(diào)節(jié)。

模糊PID屬于智能PID控制,能夠根據(jù)誤差e及誤差變化率ec（de/dl）來自動(dòng)調(diào)節(jié)PID的控制參數(shù)。將誤差e及誤差變化率ec作為控制器的輸入量,以操作人員的調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)作為知識(shí)庫,經(jīng)過模糊化以及模糊推理后輸出模糊量輸入到PID控制器中,對(duì)預(yù)設(shè)的PID參數(shù)進(jìn)行在線修改。實(shí)際參數(shù)Kp=CpKp0,Ki=CiKi0,Kd=CdKd0,其中Cp、Ci、Cd分別為比例修正系數(shù)、積分修正系數(shù)和微分修正系數(shù),Kp0、Ki0和Kd0是預(yù)設(shè)的初始值。模糊PID控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

PID的3個(gè)控制參數(shù)Kp、Ki、Kd共同作用于溫控系統(tǒng),但它們對(duì)系統(tǒng)的影響是不同的,比例系數(shù)Kp可以使系統(tǒng)快速動(dòng)作,但Kp過大時(shí)會(huì)引起超調(diào),過小則會(huì)使得調(diào)節(jié)時(shí)間變長:積分系數(shù)Ki可以消除系統(tǒng)誤差,但初始階段不宜過大,過大就會(huì)產(chǎn)生積分飽和,破壞系統(tǒng)穩(wěn)定,過小就不能消除系統(tǒng)誤差:微分系數(shù)Kd可以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力,提前預(yù)測(cè)誤差的變化率,從而抑制誤差的變化。

當(dāng)偏差e較大時(shí),Kp應(yīng)取較大值,此時(shí)會(huì)引起較大的偏差變化率,為了抑制微分系數(shù)的影響,應(yīng)取較小的Kd,在響應(yīng)過程中,可以將Ki=0。

當(dāng)偏差e中等大小時(shí),為了避免超調(diào)同時(shí)繼續(xù)消除偏差,Kp應(yīng)取小一點(diǎn),此時(shí)變化率一般,Kd可以取大一點(diǎn)的值,Ki取小值。

當(dāng)偏差e很小的時(shí)候,系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)狀態(tài),此時(shí)主要是要消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,所以應(yīng)增加Kp和Ki的值,Kd視情況而定,ec較小時(shí),取較大的Kd,ec較大時(shí),取較小的Kd。

以比例修正系數(shù)為例,把e、ec和cp的值域分為8個(gè)部分,中間的7個(gè)分割點(diǎn)分別用NB、NM、NS、Z0、PS、PM、PB表示。假設(shè)e、ec和cp之間的模糊規(guī)則如表1所示。設(shè)e的兩個(gè)隸屬度值為PM、PB,e屬于PM的隸屬度為a,屬于PB的隸屬度為(1-a）,再假設(shè)ec的兩個(gè)隸屬度值為NB、NM,ec屬于NM的隸屬度為b,則屬于NB的隸屬度為(1-b）。所以輸出值為Z0的隸屬度和為a×b+a×(1-b）+(1-a）(1-b）,輸出值為NS的隸屬度為(1-a）×b。假設(shè)cp的Z0值為c,NS值為d,所以最后的模糊輸出值:

至此,整個(gè)模糊過程就結(jié)束了,同理可以計(jì)算出相應(yīng)的積分修正系數(shù)和微分修正系數(shù),最后根據(jù)修正系數(shù)計(jì)算出實(shí)際的PID控制參數(shù),使得系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

3結(jié)語

本系統(tǒng)采用的AD590溫度傳感器能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確采集環(huán)境溫度,為實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制提供數(shù)據(jù)支持,并設(shè)計(jì)了基于模糊PID控制的溫度控制算法,可以實(shí)時(shí)在線修改PID控制的三個(gè)參數(shù),使得系統(tǒng)對(duì)于環(huán)境溫度的變化能夠迅速作出反應(yīng),該系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、上升時(shí)間快、動(dòng)態(tài)跟蹤品質(zhì)好和穩(wěn)態(tài)精度高等優(yōu)勢(shì)。