基于模糊理論的蒸汽加熱罐溫度控制系統的設計*

張開生，折 嬌

（陜西科技大學電氣與信息工程學院，陜西西安 710021）

0 引言

蒸汽加熱罐是獼猴桃果脯制作過程中的關鍵設備，果脯產品質量的好壞，很大程度上取決于蒸汽加熱罐的溫度和加熱時間。目前，獼猴桃果脯加工多停留在較傳統的工藝步驟上，手工加工使得低糖果脯加工工藝與添加劑配方都還不能有效進行［1］。本研究采用嵌入式微處理器依據模糊控制方法對獼猴桃果脯生產工藝進行調控，32位高速控制系統比單片機的溫度控制系統有了更高的測量精度和控制精度，而且實時性好，能進行復雜的算法運算，系統裝置體積也大大減小，有著非常人性化的人機界面。模糊自整定PID不僅能發揮模糊控制的魯棒性好、動態響應好、上升時間快和超調小的特點，而且具有PID控制器的動態跟蹤品質和穩態精度［2］。因此，對指導成本低、性能可靠、實現自動監測控制的低糖獼猴桃果脯自動化加工工藝，具有重要的現實意義。

1 控制系統設計原理

蒸汽加熱罐溫度控制系統總體結構框圖如圖1所示。溫度控制系統以LPC2103為核心，外擴鍵盤輸入、LCD和超溫報警等外圍電路實現。加熱罐的溫度由傳感器DS18B20檢測，通過微控制器一方面將溫度經LCD顯示出來;另一方面將該溫度值與被控制值（由鍵盤輸入的設定溫度值）進行比較，根據其偏差值的大小，采用模糊自整定PID控制算法進行運算，最后通過D/A與V/I轉換電路，驅動氣動薄膜調節閥自動調節蒸汽的通入，也可以通過手操器的手動、自動切換手動調節薄膜閥，進而達到對蒸汽加熱罐溫度的控制。如果實際測得的溫度值超過預先設定的溫度范圍，LPC2103就會向報警裝置發出指令，從而進行超溫報警。同時通過E2PROM來儲存必要的數據，以便日后查詢。

2 溫控系統硬件電路設計

系統采用 Philips公司推出的基于 ARM7TDMI—S，LQFP48封裝的LPC2103高速處理器，它的最高工作速度可達70 MHz，外設工作電壓為3.3 V，內核工作電壓為1.8 V。高工作頻率、低功耗以及小封裝充分滿足了系統設計的要求。

圖1 系統總體結構框圖Fig 1 Overall structure block diagram of system

溫度控制系統硬件設計以LPC2103為核心控制模塊，通過擴展的相應模塊來共同完成系統的監測，系統硬件設計如圖2所示，各模塊主要實現以下功能:

1）數據采集:由單總線數字溫度傳感器DS18B20檢測溫度，同時完成模/數轉換功能，方便計算機可以直接識別傳感器的輸出值，完成溫度數據的采集。

2）鍵盤輸入:由用戶設置所需溫度和各參數值，讀取并保存鍵盤信息。

3）顯示模塊:方便用戶監測蒸汽加熱罐的狀態，選用單色點陣型圖形液晶顯示模塊HG12864，接收微控制器傳送的顯示信息。

4）限溫模塊:設置異常和溫度超標報警。

5）輸出控制模塊:將輸出量經D/A轉換與V/I轉換，控制薄膜式蒸汽調節閥。

圖2 系統硬件電路圖Fig 2 The hardware circuit

3 溫控系統軟件設計

系統軟件程序開發都是基于ADS1.2集成開發平臺而進行的。設計采用模塊化思想，依據系統所要完成的任務，系統設計包括主模塊、溫度檢測模塊、模糊控制算法模塊、鍵盤、顯示和報警模塊，其軟件設計的主流程圖如圖3所示。

采集溫度時，為了在最大程度上減小干擾的影響，取連續3次采樣結果，如果數據相差不超過0.2℃，則取這3個數據的平均值即可，若超過則丟棄數據重新進行采樣。經過驗證，該方法能夠較好地保證控制器平穩地進行工作。模糊控制器設計是利用Matlab進行仿真，由軟件編程得到合理的參數，進而調節模糊自整定PID算法。鍵盤工作方式采用中斷掃描，可進一步提高CPU工作效率，同時利用軟件消抖，增加按鍵可靠性的判斷。

圖3 軟件設計主流程圖Fig 3 Main flow chart of the software

4 溫度模糊控制器設計

由于在低糖獼猴桃果脯制作過程中，不同處理液體、不同溫度及不同處理時間下，加工出來的產品質量是不同的，同時控制系統也難以建立精確的數學模型，為此設計模糊自整定PID控制蒸汽加熱罐的溫度［1，3］。實現思想是先找出PID各個參數與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關系，在運行中通過不斷檢測e和ec，再根據模糊控制原理來對各個參數進行在線修改，以滿足在不同e和ec時對控制參數的不同要求，使控制對象具有良好的動、靜態性能，且計算量小，易于實現［4］。其控制器結構框圖如圖4所示。

圖4 模糊自整定控制器結構Fig 4 Structure of fuzzy self-tuning controller

5 溫度模糊控制器軟件的設計

溫度控制器軟件的設計是系統軟件設計的重點，需要有效地利用模糊控制技術來提高控制精度［5］，具體的模糊控制算法流程圖如圖5。

圖5 模糊控制算法流程圖Fig 5 Flow chart of fuzzy control algorithm

6 仿真分析

為進一步驗證模糊自整定PID控制算法的合理性，采用SIMULINK軟件工具進行仿真分析，同時建立.fis文件，確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量，根據分析分別輸入E，EC，KP，KI和KD的隸屬度函數和量化區間，設計完成49條模糊控制規則的輸入。

其中，建立的SIMULINK模型如圖6。最后得出常規PID和模糊PID仿真結果如圖7。

圖6 仿真模型Fig 6 Simulation model

圖7 常規PID和模糊PID仿真結果Fig 7 Conventional PID and fuzzy PID simulation results

從仿真結果可以看出:模糊自整定PID控制比常規PID有較小的超調量與調節時間，動態響應好，并且同步精度較高。

7 實驗結果與分析

蒸汽加熱罐溫度控制系統的溫度實驗變化曲線如圖8。

從圖8所示可知，采用DS18B20集成溫度傳感器對蒸汽加熱罐溫度進行采集，由ARM微控制器LPC2103進行模糊控制運算，控制精度可達±0.2℃，并且溫度變化穩定。

圖8 實驗溫度變化曲線Fig 8 Experimental temperature change curve

8 結論

采用微控制器LPC2103利用模糊PID對獼猴桃果脯生產中的蒸汽加熱罐的溫度進行控制，溫度控制精度為±0.2℃。DS18B20溫度傳感器具有測量速度快、精度高、智能化等特點，由此構成的溫度控制系統可靠性高、成本低，而且系統結構簡單，適用范圍廣，對于提高獼猴桃果脯的生產質量具有較好的應用價值。

［1］馬守磊，田呈瑞，王 輝.低糖獼猴桃果脯生產藝及其質量控制［J］.農產品加工，2008（10）:11－13.

［2］陳素麗，司 文.ARM在珍珠巖生產過程中溫度控制的應用［J］.微計算機應用，2007，28（12）:1306 －1309.

［3］Zhang Kaisheng，Wang Qinhui.Research on the product quality control in the processing of low-sugar preserved chinese gooseberry［C］//2009 International Conference on Industrial Mechatronics and Automation，2009:309 －312.

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［5］張寶珍，樊軍慶.基于模糊理論的巴氏滅菌機溫度控制系統［J］.儀表技術與傳感器，2010（3）:28 －30，33.