摘要：為了擴大粉塵測量儀的測量范圍，采用一種自適應(yīng)的測量方法，即根據(jù)被測環(huán)境粉塵的濃度自動調(diào)節(jié)傳感器的接收靈敏度，并結(jié)合相應(yīng)的軟件算法，使高、低濃度的粉塵都能得到有效測量。在設(shè)計過程中運用PID算法對測量過程進行控制，使測量儀在運行中進行實時調(diào)節(jié)，以降低測量數(shù)據(jù)的振蕩。通過對煙霧釋放出粉塵的濃度測量，運用Matlab對測量數(shù)據(jù)進行擬合，得到了平滑的響應(yīng)曲線。實測結(jié)果表明，該方法有效地擴大了測量范圍，使測量范圍達到了0．01～48 mg／m3。
關(guān)鍵詞：自適應(yīng)；粉塵測量；PID；數(shù)字濾波
隨著我國現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，空氣中粉塵的污染越來越嚴重，這一污染嚴重危害著人類健康，因此粉塵濃度的測量在治理環(huán)境污染，保護人類健康領(lǐng)域中意義重大。粉塵濃度的測量方法多種多樣，目前我國一些環(huán)保部門仍采用“濾膜稱重法”測量粉塵濃度，這種方法不能實現(xiàn)在線連續(xù)測量，且測量誤差較大。國外均采用基于光散射理論的在線測量，該技術(shù)已非常成熟。目前我國也展開了基于光散射測量粉塵技術(shù)的研究，但與國外技術(shù)相比，還有很大差距。在多年對光散射法測量粉塵濃度的研究中體會到這種方法的測量范圍小，儀器數(shù)據(jù)顯示不穩(wěn)定，本文提出一種自適應(yīng)測量方法，通過實驗驗證，該方法能有效擴大測量范圍，減小振蕩。
1 儀器的總體設(shè)計
測量儀主要由光學(xué)傳感器、氣路系統(tǒng)、光／電轉(zhuǎn)換、放大器、A／D轉(zhuǎn)換、微機控制與管理系統(tǒng)、電源系統(tǒng)組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。儀器的工作過程如下：
由半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光波穿過具有粉塵的被測區(qū)域后，光學(xué)傳感器將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號。為確保能對信號直接進行A／D轉(zhuǎn)換，提高信號的抗干擾能力和儀器的靈敏度，還必須對信號進行調(diào)理。調(diào)理后的電信號通過A／D轉(zhuǎn)換后再傳送到微處理器，通過微處理器對數(shù)據(jù)進行處理分析再顯示。
2 自適應(yīng)測量的實現(xiàn)
2．1 自適應(yīng)調(diào)節(jié)原理
采用一般傳感器測量粉塵濃度，其測量范圍約為0～3 mg／m3。為保證高濃度和低濃度的測量準確性，擴大儀器的測量范圍，本文提出了一種通過調(diào)節(jié)傳感器接收靈敏度來實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)的算法(調(diào)節(jié)原理如圖2所示)，即當被測環(huán)境的粉塵濃度較低時，提高傳感器的接收靈敏度；當被測環(huán)境的粉塵濃度較高時，降低傳感器的接收靈敏度，并通過實驗對這種方法進行了驗證，圖3是軟件控制流程圖。
2．2 實現(xiàn)電路
圖4是光電轉(zhuǎn)換原理圖，Rf是程控的電阻調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，通過對Rf值的調(diào)節(jié)，改變傳感器的接收靈敏度，使不同信號值均能得到有效測量。其功能實現(xiàn)如下：當儀器進入測量時，微處理器發(fā)出控制命令，使傳感器處于接收靈敏度最高狀態(tài)。讀取數(shù)據(jù)后判斷傳感器是否處于最佳工作狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)溢出或不在最佳工作狀態(tài)，則改變傳感器的接收靈敏度，使其進入最佳的工作狀態(tài)。為了使測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一，通過軟件對測得的數(shù)據(jù)進行修正。
3 測量數(shù)據(jù)的控制與處理
3．1 測量數(shù)據(jù)的濾波處理
該測量儀是數(shù)據(jù)更新率較高的實時系統(tǒng)，為克服采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時隨機干擾帶來的誤差，軟件上對測得的數(shù)據(jù)進行了數(shù)字濾波，鑒于滑動平均濾波算法具有能夠良好抑制周期性干擾，平滑度高的特點，這里選取滑動平均濾波法。其原理是：將測量數(shù)據(jù)看成一個長度為N的隊列，把每次的采樣新值放人隊尾，隊首的一個數(shù)據(jù)出列，其他數(shù)據(jù)前移一位，這樣隊列中始終有N個“最新”數(shù)據(jù)，再將隊列中的N個數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)平均，從而得到新的濾波值。其數(shù)學(xué)表達式為：
式中：為第n次采樣濾波后的輸出；Xn-i為未經(jīng)濾波的第n-i次采樣；N為滑動平均項數(shù)。
數(shù)據(jù)采集過程如下：按測量鍵后，連續(xù)采樣1 min(1 min采樣10次)，此次測量顯示這一分鐘內(nèi)采樣值的平均值，繼續(xù)采樣，此時顯示值為此次采樣值與前九次采樣值的平均值，即每6 s得一個數(shù)據(jù)值，LCD可以連續(xù)顯示。當切換測量擋時，延時采樣0.5s。
3．2 PID控制系統(tǒng)
為防止調(diào)節(jié)傳感器接收靈敏度時由于超調(diào)或者失調(diào)引起的振蕩，使儀器讀數(shù)能夠平緩上升或者下降，這里采用PID算法加以調(diào)節(jié)，以對振蕩進行抑制，在控制過程中采用智能判斷的方法使系統(tǒng)處于最優(yōu)狀態(tài)。PID調(diào)節(jié)器具有規(guī)律簡單，運行可靠，易于實現(xiàn)等特點。
圖5是PID控制的基本原理示意圖，其基本輸入輸出關(guān)系可表示為：
式中：μ(t)為控制器輸出；e(t)為控制器輸入的偏差信號；e(t)=r(t)-c(t)。
比例環(huán)節(jié)調(diào)整系統(tǒng)的開環(huán)比例系數(shù)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，降低系統(tǒng)的惰性，加快響應(yīng)速度；積分環(huán)節(jié)可以提高系統(tǒng)的型別，消除或減小穩(wěn)態(tài)誤差，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能得到改善；微分控制使得系統(tǒng)的響應(yīng)速度變快，超調(diào)減小，振蕩減輕。PID控制過程調(diào)節(jié)流程如圖6所示。
3．3 PID參數(shù)的設(shè)定
PID控制參數(shù)的設(shè)定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容，它是根據(jù)被控對象的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小，確保其在系統(tǒng)受到擾動后仍保持穩(wěn)定并將誤差保持在最小值。
3．3．1 PID參數(shù)的初始值
Ziegler Nichols方法是基于簡單被控過程的Niquist曲線的臨界點計算PID參數(shù)初值，其整定準則是要求系統(tǒng)的暫態(tài)過程衰減率為0.75，該算法簡單，使用方便。本文采用4：1的衰減比性能準則獲得PID參數(shù)的初始值。
設(shè)控制系統(tǒng)有一響應(yīng)曲線，如圖7所示，給系統(tǒng)加一階躍輸入U，可用一階延時系統(tǒng)近似為：
式中：K為放大系數(shù)；τ為滯后時間；T為時間常數(shù)。
設(shè)輸出值達到設(shè)定值的50％和75％時所用的時間分別為：t1和t2，則PID參數(shù)的初始值可表示為比例系數(shù)Kp=1．2U／(RL)，積分時間常數(shù)TI=2L，微分時間常數(shù)TD=0．5L。其中：斜率R=(0．75-0．5)V／(t2-t1)，滯后L=t1-(2V0-4V1)(t2-t1)／V。
3．3．2 PID的自校正調(diào)節(jié)原理
本文利用測量誤差改變調(diào)節(jié)器的步長，實現(xiàn)PID參數(shù)的自動整定，使輸出值平穩(wěn)快速地達到設(shè)定值。首先將采樣值與給定值的誤差絕對值分成若干個區(qū)間，各區(qū)間設(shè)定不同的步長，采用不同的計算式。這里PID參數(shù)的調(diào)整周期應(yīng)小于采樣周期，采樣周期由整個放大電路的傳輸延時和后續(xù)A／D轉(zhuǎn)換器的性能指標決定。
3．4 中斷服務(wù)程序
中斷服務(wù)程序流程圖如圖8所示。
4 實驗結(jié)果與分析
實驗時對煙霧釋放出的粉塵濃度進行了測量。圖9和圖10分別是未加自適應(yīng)測量功能和加了自適應(yīng)測量功能測得的粉塵濃度值及其擬合曲線。圖中“*”是采樣得到的粉塵濃度值；“——”是用Matlab對測得的數(shù)據(jù)點進行擬合后的曲線。由圖9可以看出，當粉塵濃度達到3．1 mg／m3時，濃度不再變化，儀器達到飽和。由圖10可知：濃度較低時，儀器的響應(yīng)曲線線性度較好，能夠完整地反應(yīng)粉塵濃度的變化過程，可測得48 mg／m3的濃度值，測量范圍大大地擴大了。采用PID加以控制，數(shù)據(jù)的平滑度較好，幾乎沒有超調(diào)，測量值能夠平穩(wěn)的上升，達到了預(yù)期的效果。
5 結(jié)語
通過實驗驗證，采用這種自適應(yīng)測量的方法可以使測量范圍達到0．01～48 mg／m3。采用PID參數(shù)的自校正調(diào)節(jié)，可以使測量曲線平穩(wěn)地過渡到設(shè)定值。PID控制結(jié)果幾乎沒有超調(diào)，穩(wěn)定時間短，在設(shè)定的目標角度值附近振蕩少，有效抑制了調(diào)節(jié)傳感器接收靈敏度時引起的振蕩。
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