于 靜，戴 豪

(北京爍科精微電子裝備有限公司，北京 100176)

為避免電氣設(shè)備在運(yùn)行中受到外界環(huán)境的干擾，通常會(huì)將電氣設(shè)備內(nèi)置在結(jié)構(gòu)組件柜內(nèi)，通過(guò)這種方式可避免電氣設(shè)備運(yùn)行受外界惡劣環(huán)境干擾。減少外界環(huán)境對(duì)電氣設(shè)備的干預(yù)后，集成在組件柜內(nèi)的電氣設(shè)備在運(yùn)行中會(huì)存在溫度變化不穩(wěn)定的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會(huì)加劇設(shè)備安全隱患[1]。為避免環(huán)境溫度過(guò)高對(duì)設(shè)備安全造成影響，本文介紹了一種基于模糊PID控制技術(shù)開(kāi)發(fā)的可用于電氣設(shè)備的溫度控制系統(tǒng)。盡管國(guó)內(nèi)嘗試?yán)媚：齈ID控制技術(shù)對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行溫度控制起步很早，對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行散熱處理，降低電氣設(shè)備溫度急劇上升所帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)；但由于早期研究投入不足或研究層次深度不夠，導(dǎo)致早期開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)一直未能正式被投入市場(chǎng)應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用中仍存在功能與性能方面的短板與不足。為此，本文從硬件與軟件兩個(gè)方面，介紹了這種溫度控制系統(tǒng)。為電氣設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供一種相對(duì)適宜的環(huán)境，保證位于組件柜中的電氣設(shè)備溫度處于可調(diào)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備管理的智能化與自動(dòng)化。

1 硬件設(shè)計(jì)

為確保開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)可以在實(shí)際應(yīng)用中能夠起到良好的溫度控制效果，應(yīng)在設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件功能前，對(duì)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面地規(guī)劃與部署[2]。根據(jù)電氣設(shè)備運(yùn)行需求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)屬于三層架構(gòu)系統(tǒng)，系統(tǒng)共由采集層、處理層與存儲(chǔ)層構(gòu)成，采集層由數(shù)據(jù)采集器作為支撐，在采集終端建立與環(huán)境中溫度傳感器、濕度傳感器之間的通信，使用采集器主動(dòng)獲取傳感器感知的數(shù)據(jù)。處理層由處理器支撐，由A/D轉(zhuǎn)換器、核心處理器與PID控制器協(xié)同構(gòu)成一個(gè)控制循環(huán)，保證電氣設(shè)備溫度控制過(guò)程的動(dòng)態(tài)化。存儲(chǔ)層由存儲(chǔ)器支撐，獲取的信息將通過(guò)上機(jī)位被導(dǎo)入存儲(chǔ)終端，根據(jù)溫度數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化存儲(chǔ)格式，在終端進(jìn)行數(shù)據(jù)的規(guī)范化存儲(chǔ)。以傳感器、PID控制器為例，對(duì)硬件結(jié)構(gòu)展開(kāi)詳細(xì)設(shè)計(jì)。

1.1 傳感器選型

首先針對(duì)傳感器進(jìn)行選型設(shè)計(jì)說(shuō)明，考慮到電氣設(shè)備溫度參數(shù)在獲取時(shí)會(huì)受到周圍環(huán)境干擾因素的影響，因此選擇具備高精度的SHT21-46980型號(hào)溫度傳感器，該溫度傳感器的基本性能指標(biāo)如表1所示。

表1 SHT21-46980型號(hào)溫度傳感器性能指標(biāo)記錄表

利用表1中各項(xiàng)性能指標(biāo)的SHT21-46980型號(hào)溫度傳感器對(duì)電氣設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的溫度參數(shù)進(jìn)行采集，該型號(hào)傳感器具備較高的采集精度，因此能夠進(jìn)一步保持后續(xù)控制系統(tǒng)的控制精度[3]。除此之外，SHT21-46980型號(hào)溫度傳感器在傳統(tǒng)溫度傳感器的基礎(chǔ)上具備更寬的電源電壓范圍以及更高的精度，可實(shí)現(xiàn)該傳感器在控制系統(tǒng)當(dāng)中更靈活運(yùn)用。在實(shí)際運(yùn)行中，SHT21-46980型號(hào)溫度傳感器的功耗更低，并且能夠?qū)崿F(xiàn)在1.0 ms內(nèi)的上電和測(cè)量，可靠性更強(qiáng)，且能夠保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。將該型號(hào)溫度傳感器應(yīng)用到該控制系統(tǒng)當(dāng)中能夠?yàn)楹罄m(xù)控制最優(yōu)量的選擇提供可靠的依據(jù)。

1.2 PID控制器選型

在完成對(duì)溫度傳感器的選擇后，再對(duì)系統(tǒng)當(dāng)中的控制裝置進(jìn)行選擇。選用OM49-680型號(hào)控制器，為實(shí)現(xiàn)對(duì)模糊PID控制技術(shù)的合理應(yīng)用，在控制器當(dāng)中引入PID控制芯片。OM49-680型號(hào)控制器的規(guī)格為60.0 mm×40.0 mm×25.0 mm，該型號(hào)控制器可提供1/8或1/4兩種DIN面板尺寸，具備極高的運(yùn)行穩(wěn)定性。通過(guò)PID和開(kāi)/關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備的控制，從而滿足電氣設(shè)備的應(yīng)用需要。同時(shí)，由于在OM49-680型號(hào)控制器當(dāng)中應(yīng)用了PID控制芯片，因此具備了自適應(yīng)調(diào)整算法優(yōu)化控制性能?？刂破鳟?dāng)中包含了20.0個(gè)設(shè)定點(diǎn)程序，16.0個(gè)斜坡停留段以及8.0個(gè)事件輸出，將控制器與PLC、監(jiān)控以及數(shù)據(jù)及記錄等系統(tǒng)模塊進(jìn)行連接，能夠在控制的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備運(yùn)行效果的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 建立電氣設(shè)備溫度模糊PID控制目標(biāo)函數(shù)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備溫度的精準(zhǔn)控制，應(yīng)在硬件設(shè)備的支撐下，建立針對(duì)電氣設(shè)備的模糊PID控制目標(biāo)函數(shù)。開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)為三角隸屬度函數(shù)，在控制時(shí)，通過(guò)對(duì)頂點(diǎn)作為位置的確定，進(jìn)行函數(shù)形狀的形狀[4]。考慮到針對(duì)函數(shù)隸屬子集的待優(yōu)化參數(shù)較多，因此，為避免計(jì)算量過(guò)大，需要在控制時(shí)，設(shè)定一個(gè)約束函數(shù)，使用此函數(shù)對(duì)控制目標(biāo)進(jìn)行約束，計(jì)算公式為：

式(1)中，F(xiàn)t表示為控制目標(biāo)約束函數(shù)；e(t)表示為函數(shù)在約束中的適應(yīng)度。將控制中的溫度輸出值與期望值的最小差值作為控制目標(biāo)，以此建立控制目標(biāo)函數(shù)。計(jì)算公式為：

式(2)中，fmin表示為控制中的溫度輸出值與期望值的最小差值。設(shè)定目標(biāo)，以此種方式完成對(duì)目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)建。

2.2 基于溫度輸入子集模糊化的電氣設(shè)備溫度控制程序

在控制前端進(jìn)行輸入溫度子集的模糊化處理，可以假設(shè)輸入子集的溫度基本閾值為[-a，+a]，量化閾值的偏差閾為m，此時(shí)基本閾值與量化閾值之間存在一定的差異，此種差異會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在進(jìn)行溫度控制時(shí)存在偏差[5]。為降低基本閾值與量化閾值之間的偏差，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度控制的精準(zhǔn)性，可在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，采用最大隸屬度函數(shù)，對(duì)控制量進(jìn)行模糊化，使控制量成為一個(gè)具體定制，對(duì)此過(guò)程進(jìn)行描述，計(jì)算公式為：

公式(3)中，Vkp表示為溫度輸入子集的模糊化處理；NB表示為最大隸屬度決策值；PB表示為模糊控制量；λi表示為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制值。按照上述計(jì)算公式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模糊控制量的具體化。在計(jì)算時(shí)，輸出具體控制量，對(duì)控制量不斷進(jìn)行偏差變化率檢測(cè)，將偏差變化率控制在可控范圍內(nèi)或設(shè)定閾值范圍內(nèi)后，按照計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行電氣設(shè)備的溫度調(diào)節(jié)。為了準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)給定的位置指令，對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行位置閉環(huán)控制，其控制計(jì)算公式為：

式(4)中，S表示電氣設(shè)備的位置轉(zhuǎn)速閉環(huán)給定量，MD表示電氣設(shè)備的位置閉環(huán)控制系數(shù)，ηq表示CPU發(fā)送的給定位置量，ηw表示電氣設(shè)備的給定位置的反饋量，MDi表示積分系數(shù)，ηz表示電氣設(shè)備的給定位置誤差量。采用P控制法對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)行控制，轉(zhuǎn)速環(huán)控制計(jì)算公式為：

式(5)中，xj表示給定的制造設(shè)備的電流環(huán)控制量，MS表示增益系數(shù)。通過(guò)對(duì)CPU給定量的位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的控制，使電氣設(shè)備溫度控制系統(tǒng)能夠?qū)Πl(fā)出的指令進(jìn)行快速響應(yīng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)溫度控制?？刂瞥绦蛉鐖D2所示。

按照?qǐng)D2所示流程，即可完成實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備溫度的精準(zhǔn)控制。

圖2 系統(tǒng)溫度控制程序

3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)所開(kāi)發(fā)系統(tǒng)有效性的檢驗(yàn)，選擇某電氣單位作為此次實(shí)驗(yàn)的參與對(duì)象。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)參與單位管理人員的集中交涉發(fā)現(xiàn)，該企業(yè)中的電氣設(shè)備均集成在組件柜中使用，通過(guò)此種方式，避免電氣設(shè)備受到外界惡劣運(yùn)行環(huán)境的影響。但在與企業(yè)工作人員的交流中發(fā)現(xiàn)，該企業(yè)去年由于電氣設(shè)備在組件柜內(nèi)溫度異常導(dǎo)致的事故已經(jīng)嚴(yán)重影響到了企業(yè)收益。因此，以集成在組件柜中的電氣設(shè)備為例，對(duì)設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)可行性展開(kāi)評(píng)估設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)前，先將設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)集成在組件柜中的電氣設(shè)備上，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，合理布置溫度傳感器、PID控制器、存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換器等硬件設(shè)備的位置。在此基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟件程序調(diào)試，確保溫度傳感器與控制系統(tǒng)可以保持通信連接后，建立電氣設(shè)備溫度模糊PID控制目標(biāo)函數(shù)，輸入電氣設(shè)備在運(yùn)行中的最高溫度與最低溫度，將其作為控制的上限與下限，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)電氣設(shè)備溫度最優(yōu)控制量。通過(guò)對(duì)溫度輸入子集的模糊化處理，傳輸電氣設(shè)備控制程序，根據(jù)程序的合理化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備在溫度控制中的溫度調(diào)控。

為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一定的對(duì)比性，選擇基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫度控制系統(tǒng)作為傳統(tǒng)系統(tǒng)。按照相同的方式，將該系統(tǒng)部署在組件柜的通信終端，通過(guò)此種方式，建立系統(tǒng)與監(jiān)控終端之間的通信連接。完成上述設(shè)計(jì)后，使用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的迭代處理，在迭代處理中定位最優(yōu)溫度值，將最優(yōu)溫度作為控制溫度，以此種方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的調(diào)控。

將兩個(gè)系統(tǒng)按照規(guī)范安裝在兩個(gè)相同配置的組件柜中，開(kāi)啟電氣設(shè)備后，開(kāi)始使用安裝在組件柜中溫度傳感器進(jìn)行設(shè)備溫度信息的獲取與傳輸，截取從電氣設(shè)備開(kāi)始運(yùn)行到其內(nèi)部溫度穩(wěn)定的時(shí)段，將電氣設(shè)備溫度變化繪制成平滑曲線圖，如圖3所示。

圖3 新系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)溫度控制效果

從圖3可以看出，在12:00時(shí)刻開(kāi)啟電氣設(shè)備，開(kāi)始對(duì)其運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控，新系統(tǒng)在12:01便實(shí)現(xiàn)了將電氣設(shè)備溫度控制在溫度上限與溫度下限范圍內(nèi)，傳統(tǒng)系統(tǒng)在12:02實(shí)現(xiàn)了將電氣設(shè)備溫度控制在指定范圍內(nèi)。根據(jù)監(jiān)控時(shí)段內(nèi)溫度的變化趨勢(shì)可以看出，在控制過(guò)程，新系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)將電氣設(shè)備的溫度控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，且控制過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)溫度超出界限的問(wèn)題，而傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)在進(jìn)行溫度控制時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)設(shè)計(jì)，即在控制中出現(xiàn)溫度超界限的問(wèn)題。綜上所述，在完成上述對(duì)比實(shí)驗(yàn)后，得出下述實(shí)驗(yàn)結(jié)論：相比基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫度控制系統(tǒng)，基于模糊PID控制技術(shù)新系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)在縮短控制時(shí)間的基礎(chǔ)上，保證電氣設(shè)備溫度一直在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

電子裝備行業(yè)是支撐國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步增長(zhǎng)的重點(diǎn)行業(yè)之一。隨著現(xiàn)代化技術(shù)與智能化技術(shù)的引入，電子裝備行業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)一種全新的趨勢(shì)。為助力電子裝備行業(yè)的發(fā)展，從建立電氣設(shè)備溫度模糊PID控制目標(biāo)函數(shù)、基于溫度輸入子集模糊化的電氣設(shè)備溫度控制程序2個(gè)方面，開(kāi)展了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有更好的控制效果。