顧一飛 嚴(yán)平 費(fèi)桂義

摘? 要： 為解決航空物流食品在周轉(zhuǎn)過(guò)程中臨時(shí)儲(chǔ)存溫度監(jiān)測(cè)難，以及控制精度低等問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)了一種冷熱儲(chǔ)藏裝置。其控制系統(tǒng)是基于模糊PID控制理論，使用STM32平臺(tái)對(duì)保溫桶內(nèi)的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制、TFT顯示器作為人機(jī)交互系統(tǒng)，引入優(yōu)化模糊PID控制算法，構(gòu)建新型模糊控制器，通過(guò)在比例、積分、微分環(huán)節(jié)這三個(gè)參數(shù)值進(jìn)行調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)冷熱量的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)控制。實(shí)驗(yàn)表明，該控溫系統(tǒng)能夠有效調(diào)節(jié)存儲(chǔ)桶內(nèi)的溫度，系統(tǒng)理論誤差為0.1 ?C，實(shí)際測(cè)量誤差為0.6 ?C。

關(guān)鍵詞： 優(yōu)化模糊PID控制; 冷熱量調(diào)節(jié); 自動(dòng)控制; 精準(zhǔn)調(diào)節(jié)

中圖分類號(hào)：G305? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2018）12-54-04

Abstract： In order to solve the problem of difficult temperature monitoring and low control accuracy of the temporary storage of aviation logistics food in the process of turnover， a cold and hot storage device was designed. Its control system is based on the fuzzy PID control theory， using the STM32 platform for monitoring and controlling temperature in the heat insulation barrels， TFT monitor as the man-machine interactive system， fuzzy PID control algorithm is introduced to optimize， build new type of fuzzy controller， through three links of proportion， integral， differential adjusted parameter values for the regulation of cold heat control. Experiments show that the temperature control system can effectively regulate the temperature inside the bucket， system theory error is 0.1? ?C， the actual measurement error is 0.6? ?C.

Key words： optimize fuzzy PID control; Cold heat regulation; the automatic control; precise adjustment

0 引言

目前我國(guó)航空物流缺乏高效率保存食品的裝置系統(tǒng)，傳統(tǒng)的航空保鮮食品運(yùn)輸裝置是采用人工裝箱運(yùn)輸至飛機(jī)，存在轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間長(zhǎng)，食品保鮮程度低，用電量大等一系列問(wèn)題。而及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取溫度信息和實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，對(duì)于航空物流運(yùn)輸具有重要意義。在實(shí)際應(yīng)用中，最廣泛使用的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分和微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制。但是這種調(diào)節(jié)方式存在調(diào)節(jié)反應(yīng)慢，準(zhǔn)確度低，根據(jù)實(shí)際情況需要反復(fù)調(diào)節(jié)KP，KI，KD不便于操作，會(huì)帶來(lái)食品保鮮敗壞等問(wèn)題。因此本人設(shè)計(jì)了一套基于模糊PID控制算法的航空物流食品控溫裝置系統(tǒng)，使得該系統(tǒng)能夠自動(dòng)達(dá)到控溫的目的。

1 裝置模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體是由四個(gè)部件組成的，分別是主控制器STM32、溫度檢測(cè)、定溫控制、TFT液晶顯示模塊（圖1），輸入模塊輸入預(yù)期設(shè)定參數(shù)達(dá)到恒定的溫度，溫度檢測(cè)模塊會(huì)實(shí)時(shí)地檢測(cè)儲(chǔ)存桶內(nèi)的環(huán)境溫度。TFT液晶顯示屏幕會(huì)顯示當(dāng)前儲(chǔ)存桶內(nèi)溫度與設(shè)定溫度。當(dāng)觀測(cè)溫度高于或低于設(shè)定溫度時(shí)，主控制器優(yōu)化模糊PID算法會(huì)對(duì)儲(chǔ)存桶內(nèi)的物品進(jìn)行了冷藏或加熱，使得整個(gè)空間溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度。

對(duì)于原先的時(shí)變、非線性溫度變化情況，提出一種優(yōu)化模糊PID算法設(shè)計(jì)。此系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將當(dāng)前參數(shù)與初始設(shè)定的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行了比較，根據(jù)其變動(dòng)的差值，給出控制量，再將控制量作為二次設(shè)定值輸入執(zhí)行元件，系統(tǒng)進(jìn)行模糊PID控制，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定并穩(wěn)定在預(yù)定溫度。

2 裝置硬件設(shè)計(jì)

裝置的控制器選擇使用選擇ARM處理器STM32F103C8T6，這是一款基于ARM32位的Cortext M3內(nèi)核的單片機(jī)，占用單片機(jī)的比例I/O資源非常少具有成本低，速度快，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)[1]。控制器的功能包括儲(chǔ)存桶內(nèi)溫度的讀取和變化量的輸入（PWM）、人機(jī)的交互、算法的運(yùn)行。

溫度檢測(cè)模這一部分采用CJ2M-CPU31，該傳感器LD執(zhí)行命令時(shí)間降低至40ns，浮點(diǎn)三角函數(shù)運(yùn)算低于1μs，通過(guò)具有EnterNet/IP數(shù)據(jù)鏈接功能的標(biāo)準(zhǔn)EnterNet端口進(jìn)行數(shù)據(jù)通行并且CJ2單元支持?jǐn)?shù)據(jù)通信，具有高速、大容量、智能等特點(diǎn)。PLC系統(tǒng)利用CJ1W-IC101與CJ1W-II101來(lái)拓展機(jī)架，采用I/O電纜將將兩個(gè)機(jī)架連接[2]。一方面采集實(shí)時(shí)的溫度變化數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破髁硪环矫娓鶕?jù)控制器的命令對(duì)PLC進(jìn)行控制。在-15℃至50℃范圍內(nèi)，該溫度傳感器的誤差為±0.5℃。

恒溫控制模塊分為兩部分，一部分是以用半導(dǎo)體制冷片為主的制冷模塊另一部分是制熱單元。半導(dǎo)體制冷是利用半導(dǎo)體材料組成的P-N端[3]，在兩端施加直流電進(jìn)行制冷，是一種將電能轉(zhuǎn)化成熱能的技術(shù)。并且只要使通過(guò)半導(dǎo)體制冷片中的電流反向流轉(zhuǎn)就能產(chǎn)生熱泵工況起到輔助制熱的效果。整個(gè)系統(tǒng)的硬件如圖2所示。

3 模糊原理及模糊控制器

3.1 優(yōu)化模糊PID原理

PID控制器是一種線性控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)偏差進(jìn)行比例、積分、微分控制實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制[4]。模糊PID控制器是由兩部分組成：傳統(tǒng)PID控制器和模糊化模塊。PID模糊控制的重點(diǎn)是找出PID的三個(gè)參數(shù)與誤差e和誤差變化率ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中不斷監(jiān)測(cè)e和ec，根據(jù)確定的模糊控制規(guī)則來(lái)對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，滿足不同e和ec對(duì)三個(gè)參數(shù)的不同要求。傳統(tǒng)PID的控制規(guī)律和傳遞函數(shù)的形式如下：

其中e（t）=r（t）-c（t），為偏差值，Kp為放大系數(shù)（比例增益），Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為積分時(shí)間常數(shù)，u（t）是在t時(shí)刻的輸出[5-6]。本文的優(yōu)化模糊PID在傳統(tǒng)的PID基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。首先根據(jù)儲(chǔ)存桶保存不同物品所需溫度值進(jìn)行設(shè)定，然后根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行模糊化處理得到所需的相應(yīng)增量值。模糊規(guī)則使用前一次的輸出參數(shù)與增量的結(jié)合作為下一次的輸入值，所迭代的次數(shù)越多最終得出的數(shù)據(jù)越精確。其模糊控制器迭代參數(shù)整定如下：

其中為迭代參數(shù)，為前一次輸出的參數(shù)值，為后一次的輸入?yún)?shù)值，為其差值，當(dāng)前一次的數(shù)值逐漸趨近于后一次的數(shù)值時(shí)，說(shuō)明誤差逐漸趨近于零，說(shuō)明整個(gè)系統(tǒng)的溫度接近設(shè)定值。

3.2 優(yōu)化模糊控制器設(shè)計(jì)

儲(chǔ)存桶進(jìn)入嵌入式插槽充電裝置后，系統(tǒng)各部分開(kāi)始初始化。首先，溫控部分開(kāi)始測(cè)量?jī)?chǔ)存桶內(nèi)的溫度，隨后在TFT液晶顯示屏上出現(xiàn)桶內(nèi)測(cè)量溫度。當(dāng)模塊檢測(cè)值與預(yù)定設(shè)置值不符合時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入模糊控制模塊，進(jìn)行模糊化處理，進(jìn)行差值迭代最終趨于設(shè)定值。系統(tǒng)工作流程圖如圖3所示：

3.2.1 三模糊量化及隸屬函數(shù)選取

偏差e和偏差ec的語(yǔ)言變量分別為E和EC，輸出變量u的語(yǔ)言變量為U[7]。U和EC的模糊集均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB};E的模糊集為{NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB}。語(yǔ)言變量的含義為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，其中E的模糊集中，NO，PO分別為負(fù)零，正零。誤差E劃分為10個(gè)等級(jí){-4，-3，-2，-1，0，+0，1，2，3，4}。誤差變化EC的論域?yàn)閧-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}。溫度偏差、偏差變化及輸出量實(shí)際范圍為[b，c]，轉(zhuǎn)換到各自論域[-n，n]，取整。選擇E，EC，U的隸屬函數(shù)均為三角函數(shù)。

優(yōu)化模糊控制器的輸入誤差e和誤差變化二次，優(yōu)化模糊規(guī)則是根據(jù)調(diào)節(jié)過(guò)程的溫度的偏差和偏差變化率來(lái)確定輸出控制量u的值。模糊規(guī)則通常由一系列關(guān)系詞組成，如if then、else、also、end和or等等。模糊關(guān)系詞需經(jīng)過(guò)規(guī)則處理后，將其規(guī)則數(shù)值化。常用的關(guān)系詞if-then，also[8]等本規(guī)則采用：

優(yōu)化模糊規(guī)則如表1所示。

4 實(shí)驗(yàn)與仿真

本實(shí)驗(yàn)采取的實(shí)驗(yàn)對(duì)象是處于低溫狀態(tài)下保存類的海鮮類產(chǎn)品，保存溫度為0℃至3℃。為了在實(shí)驗(yàn)中精確控制溫度，設(shè)定初值為0℃，以10℃為起始溫度對(duì)系統(tǒng)溫度變化進(jìn)行觀測(cè)。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)優(yōu)化PID算法進(jìn)行實(shí)時(shí)溫控處理，得到的儲(chǔ)存桶內(nèi)溫度的變化情況如表2所示。

對(duì)兩組測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，比較傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)與優(yōu)化PID控制系統(tǒng)對(duì)溫度的響應(yīng)情況，如圖4所示。可見(jiàn)優(yōu)化PID控制溫度的響應(yīng)與傳統(tǒng)PID有明顯的區(qū)別，從響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)速度上來(lái)說(shuō)，優(yōu)化模糊PID的響應(yīng)速度遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)PID控制，能夠很快達(dá)到預(yù)先設(shè)定的溫度并且趨于穩(wěn)定。再者從控制精度方面來(lái)說(shuō)，優(yōu)化模糊PID控制的溫度響應(yīng)超調(diào)比較小。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)航空物流食品供應(yīng)鏈不足的發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了優(yōu)化模糊PID控制系統(tǒng)。本套系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是，低能耗，低成本的STM32F103C8T6的芯片來(lái)控制，TFT液晶顯示屏的設(shè)計(jì)便于實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的觀測(cè)。通過(guò)對(duì)兩種不同PID算法數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化模糊PID算法在原有自動(dòng)檢測(cè)溫度、制冷與整體控制的基礎(chǔ)上[10]，進(jìn)一步優(yōu)化了，不僅響應(yīng)速度快而且控制精度高，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的目的。在針對(duì)傳統(tǒng)PID算法只能在定量的計(jì)算問(wèn)題上，采用了優(yōu)化的針對(duì)變量的，具有不確定性的模糊PID算法來(lái)處理實(shí)時(shí)溫度變化的問(wèn)題。優(yōu)化模糊PID算法的提出與應(yīng)用極大地解決了航空物流食品供應(yīng)鏈中運(yùn)輸時(shí)產(chǎn)生的保鮮問(wèn)題。本控溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)的提出不僅僅在使用的設(shè)備使用上面成本低廉而且效率高能耗少，但在對(duì)溫度的靈敏度上還需進(jìn)一步優(yōu)化。

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