基于自適應模糊PID控制的高精度溫控系統(tǒng)設計

0引言

在氣象探測領域,中國電子科技集團公司第二十二研究所自主研發(fā)的QFW—6000型微波輻射計^[1]通過實時測量大氣微波輻射信號,監(jiān)測大氣積分水汽含量、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,能夠實現(xiàn)短時、臨近天氣預報,提高中小尺度天氣的監(jiān)測預警能力;通過對災害性天氣加密觀測,對其變化趨勢和影響區(qū)域進行科學研判,提高預報的精細化水平;同時也可以為人工影響天氣作業(yè)方案的科學設計、作業(yè)條件的綜合判別和作業(yè)實施提供依據,減少人工影響天氣作業(yè)的盲目性,增加作業(yè)的科學性。

現(xiàn)如今,溫度控制技術主要包括定值開關控制、 PID控制與智能控制^[2]。定值開關控制適用于溫度要求不高的場合,不適用于該系統(tǒng)。傳統(tǒng)PID溫度控制系統(tǒng)結構簡單、魯棒性好,且具有較強的適應性,在大多生產控制過程中獲得了較好的控制效果并得到了廣泛應用,但在處理一些復雜、非線性、不確定性的系統(tǒng)時,其性能往往會受到限制。智能控制^[3]則利用高性能計算機與專家系統(tǒng)等智能設備的優(yōu)勢進行算法優(yōu)化,從而較好地實現(xiàn)目標。

本文結合PID控制與智能控制特點,設計了一種基于自適應模糊PID控制的高精度溫控系統(tǒng)^[4] ,對 PID參數(shù)進行在線自整定,使系統(tǒng)達到溫控精度。最后對設備實際測試,該溫控系統(tǒng)為輻射計接收機提供了穩(wěn)定的工作溫度,具有更好的自適應性、魯棒性和控制精度^[5],對于提高產品質量和生產效率具有重要的實際意義。

1 系統(tǒng)總體設計

QFW—6000型微波輻射計主要由天線、接收機、 伺服控制系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、中央處理系統(tǒng)等組成,接收機為輻射計核心部件,包含V波段和K波段,接收機將接收到的微弱信號轉換成電壓信號,并運用反演算法,連續(xù)輸出氣象產品數(shù)據。微波輻射計為被動接收設備,不主動發(fā)射激勵信號,接收的信號為大氣微弱的輻射噪聲信號,特別容易受自身溫度噪聲影響, 自身溫度的變化會極大地影響接收機的輸出電壓,進而影響輻射計的整體測量精度。因此,接收機的高精度恒溫控制系統(tǒng)是微波輻射計不可或缺的重要組成部分,是輻射計高精度測量的前提條件。

1.1 系統(tǒng)電路設計

系統(tǒng)以DSP28335芯片作為控制系統(tǒng)的核心,通過接收機內部的高精度溫度傳感器獲取多點溫度數(shù)據,數(shù)據經過數(shù)字濾波后輸入自適應模糊PID控制器,經算法運算后輸出PWM控制信號調節(jié)輸出電流大小,控制加熱或制冷模塊功率,實現(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電源轉換成采集控制板各單元需要的電源,供內部使用;溫控電源則經過控制板輸出到外部恒溫單元的加熱或制冷設備,通過控制輸出單元對輸出功率進行控制,實現(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)。溫度采集單元則用于連接數(shù)字溫度傳感器,實時采集接收機溫度數(shù)據。通信單元主要包括一路CAN總線電路,與上位機進行通信等。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的特點于一身,具有強大的控制和信號處理能力,能夠實現(xiàn)復雜的控制算法。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位電路、JTAG 燒寫電路及晶振電路等組成,構成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計,兩者相互獨立,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,經過電源芯片轉化成3.3 V和1.9 V,其中根據DSP上電時序要求,1.9 V電源芯片受控3.3 V芯片,當3.3 V正常上電后,使能1.9 V電源芯片輸出電壓。因為系統(tǒng)內有模擬量信號,該數(shù)字電源通過電感輸出模擬電源為模擬信號供電。電源設計電路如圖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,輸出端連接CMOS控制端,通過控制CMOS通斷實現(xiàn)對恒溫設備的功率控制,進而實現(xiàn)設備恒溫控制。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?？刂戚敵鲭娐啡鐖D4所示。

1.2.4通信單元

本系統(tǒng)包含一路CAN通信電路。CAN總線采用多主競爭式總線結構,具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點。CAN總線上任意節(jié)點可在任意時刻主動向網絡上其他節(jié)點發(fā)送信號而不分主次,因此可在各節(jié)點之間自由通信。CAN網絡電路圖如圖5所示。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 軟件總體框架

本文設計的溫控系統(tǒng)軟件主要由主控芯片通過溫度傳感器采集接收機內部溫度,然后與設定值進行比較,對溫度偏差及偏差變化率進行溫控精度判別,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,則軟件介入自適應模糊控制進行PID參數(shù)自整定,直至調整至溫度控制精度。

程序流程圖如圖6所示。

2.2 溫度控制算法設計

2.2.1PID控制器設計

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,來調整被控對象的行為,具有算法簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高的特點,比較適用于大體為線性且動態(tài)特性不隨時間變化的系統(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)的表達式為:

e(t)=r(t)—c(t)     (1)

PID控制器是一個負反饋閉環(huán)控制器,其控制原理就是將被控對象的實際輸出c(t)反饋到PID控制器 與輸入r(t)進行比較,在計算出偏差e(t)后,通過PID 控制器對其進行相應的各種組合的運算,得到PID控制器的輸出量U(t)。輸出量U(t)的表達式為:

式中:U(t)為控制系統(tǒng)輸出量;∫^t₀e(t)dt為被控對象在t時刻的誤差;de(t)/dt為被控對象在t時刻的誤差變化率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)反應靈敏,快速調節(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提前預測系統(tǒng)誤差變化趨勢,從而消除誤差,抑制調節(jié)過程中產生的振蕩。

系統(tǒng)中控制參數(shù)的正確選取是達到控制目標的關鍵,不合適的控制參數(shù)會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響。

2.2.2模糊控制器設計

模糊控制器^[6]主要由模糊化接口、模糊推理機、數(shù)據庫、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)的輸入變量根據比例因子轉化為模糊論域的模糊值,然后經過模糊推理得到相應的模糊控制量,最后經過反模糊化運算轉化為精確值輸出^[7]。模糊控制器結構圖如圖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,根據它們將系統(tǒng)使用三角隸屬函數(shù)部分的基本論域設為偏差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對應語言變量為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:負大、負中、負小、零、正小、正中和正大?；谝陨蠗l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)的基礎上進行修正的,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,通過試湊法在預整定中得到;ΔK_P、ΔK_I、ΔK_D分別對應K_P、K_I、K_D三個參數(shù)的在線變量。

2.2.3 自適應模糊PID控制器設計

合并上述PID控制與模糊控制器,組成該系統(tǒng)的自適應模糊控制器。自適應模糊PID控制器^[9]結構圖如圖9所示。

3 試驗與分析

輻射計接收機對溫控系統(tǒng)設計指標要求是在—45~60℃范圍內,恒溫控制在54℃ ,溫控精度為±0.05℃ 。根據指標要求,對溫控系統(tǒng)開展試驗,驗證控制性能。

為使系統(tǒng)快速到達設定狀態(tài),在設備升溫階段,溫控系統(tǒng)滿功率運行,使系統(tǒng)快速達到溫控點附近,然后再加入自適應模糊PID控制,如圖10所示。選擇恒溫一天的數(shù)據,如圖11所示。

圖10、圖11中,采樣周期為1 s,縱坐標值為實際值的10倍。數(shù)據顯示,設備開機后,接收機溫度能夠迅速到達恒溫點,并伴有輕微超調,最大超調溫度為0.1℃ 。當系統(tǒng)達到恒溫溫度后,溫度最大偏差為±0.02℃,滿足系統(tǒng)指標要求。

4結束語

為了降低接收機溫度變化對微波輻射計測量結果的影響,保障其測量精度,本文針對QFW-6000型微波輻射計溫控性能要求,結合常規(guī)PID控制器與模糊控制器特點,將兩種控制從軟件上有機結合,設計了自適應模糊PID溫度控制系統(tǒng)。最后,將溫控系統(tǒng)應用到實際設備中,驗證控制器控制性能。試驗數(shù)據顯示,最大溫度偏差只有±0.02℃,該溫控系統(tǒng)滿足溫控指標要求。

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2024年第18期第9篇