基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 的快速冷凍系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

王安敏 劉聰毅

（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 青島 266061）

1 引言

隨著食品工業(yè)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對(duì)食品質(zhì)量的要求逐漸提高，對(duì)于食品中的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值以及食品的質(zhì)量的要求也越來越高。在食品酒店行業(yè)中，對(duì)于一些食品在消費(fèi)過程中有時(shí)需要快速冷凍，來保持食物新鮮。傳統(tǒng)的冷凍方式冷凍時(shí)間慢，食品的品質(zhì)差。食品快速冷凍裝置可以快速冷凍食品，并使其穩(wěn)定在某一溫度，提高食品的食用品質(zhì)。食品快速冷凍裝置以STM32F429 為控制模塊，STM32F 系列屬于中低端的32 位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導(dǎo)體（ST）公司出品［1］，其內(nèi)核是Cortex-M4，F(xiàn)4 代表了高性能，主頻180MHz［2］。溫度數(shù)據(jù)采集采用的NTC 熱敏電阻、橋式電路以及AD12864組成的溫度采集模塊，測(cè)量溫度的范圍廣，確保溫控控制的精確性［3］，采用PWM 輸出波形控制壓縮機(jī)進(jìn)行快速降溫以及溫度的保持。

2 系統(tǒng)工作原理設(shè)計(jì)

該裝置由冷凍室、測(cè)溫模塊、控制模塊、冷凝管、壓縮機(jī)以及其他外部設(shè)備組成，將需要冷凍的食品放入冷凍室中，由測(cè)溫模塊每隔固定時(shí)間測(cè)得冷凍室箱體內(nèi)溫度，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制算法進(jìn)行比較分析計(jì)算，以獲得最優(yōu)的KP、KD、KI。在冷凍過程中用過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 算法獲得控制壓縮機(jī)工作的PWM 輸出波形的占空比，已達(dá)到快速制冷的目的。在達(dá)到指定溫度后通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制算法以及采集模塊所采集的溫度，通過調(diào)節(jié)PWM占空比，以達(dá)到使箱體內(nèi)部溫度始終保持在所設(shè)計(jì)的溫度值的目的，系統(tǒng)裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 快速冷凍結(jié)構(gòu)示意圖

3 溫度控制

3.1 溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

溫度檢測(cè)采用電阻電橋，冷凍裝置在進(jìn)行冷凍之前需要獲得食品的溫度以確定制冷的總時(shí)間。

通過獲得食品的溫度，通過大量試驗(yàn)獲得制冷時(shí)間有關(guān)的數(shù)據(jù)，通過一次差值確定時(shí)間與溫度的函數(shù)，其電路圖如圖2所示。

圖2 溫度傳感器電路圖

當(dāng)電橋的輸出端連接阻抗較大的運(yùn)放時(shí)，由于運(yùn)放的輸入阻抗非常高，因此可視為開放電路［4～8］。此時(shí)輸出電壓為

取NTC 電阻初始阻值R1=R2=R3=R4=R，忽略ΔR的高次項(xiàng)，則上式可寫成：

當(dāng)四個(gè)橋臂是NTC熱敏電阻時(shí)，將公式代入上式，得：

最后憑借熱敏電阻的阻值變化特性，得到所測(cè)物體溫度與NTC 熱敏電阻之間的表達(dá)式，代入式（5）可得到溫度與橋臂輸出電壓的關(guān)系［9～11］。NTC熱敏電阻溫度傳感器實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 NTC熱敏電阻溫度傳感器實(shí)物圖

3.2 PID控制系統(tǒng)

PID 控制是在控制系統(tǒng)中比較常用的一種控制方法，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性強(qiáng)、工作可靠原理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。PID控制原理圖如圖4所示。

圖4 PID控制原理圖

傳統(tǒng)的PID 控制算法使用的是比例（P）、積分（I）、微分（D）等固定參數(shù)進(jìn)行控制。PID 控制器是線控制器，PID 控制輸入值是系統(tǒng)設(shè)定數(shù)值e（t）與實(shí)際數(shù)值c（t）的差構(gòu)成：

將比例（P）、積分（I）、微分（D）通過線性組成控制量，等到輸出的控制量為

式（7）中Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間系數(shù)，TD為微分時(shí)間系數(shù)。將模擬PID 控制算法式（7）經(jīng)過離散化，可得：

式（8）中，Tit=T/Ti，TDt=TD/T，T 為采樣周期，u（k）為輸出量，e（k）為采樣k 時(shí)刻的偏差值，e（k-1）為k-1時(shí)刻系統(tǒng)的偏差值［12～13］。系統(tǒng)的每一次輸出值u（k）均和u（k-1）的值有關(guān)，計(jì)算時(shí)需要上位機(jī)內(nèi)存配置偏高，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，控制誤差偏大，不利于系統(tǒng)的精確控制。實(shí)際系統(tǒng)均處于動(dòng)態(tài)變化，而這組參數(shù)不能隨系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的改變而實(shí)時(shí)修正［14～16］。為此，采用了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制。

3.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制

BP 神經(jīng)網(wǎng)路PID 算法是一種誤差反向傳播的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是通過對(duì)權(quán)值和閾值系數(shù)的調(diào)整和學(xué)習(xí)并改正的過程，為PID 提供數(shù)據(jù)，通過控制PID 的三個(gè)參數(shù)，使冷凍室內(nèi)的溫度可以達(dá)到理想值，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖5。

圖5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

增量式PID控制算式：

式中rp為變化量的理想設(shè)定值，yp為測(cè)量值。

正網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值量由最快下降法來修正，就是朝權(quán)系數(shù)的減小方向進(jìn)行搜索調(diào)整，另外附加一個(gè)全局極小的慣性項(xiàng)用來使搜索速度加快收斂，從而得到：

通過對(duì)各種方法的比較分析，得到分析結(jié)果如圖6 所示。未使用算法的情況下、運(yùn)用傳統(tǒng)PID 的情況下和運(yùn)用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制的情況下三者之間作比較，通過Matlab 進(jìn)行仿真，未使用算法的情況下的溫度響應(yīng)與使用PID 算法的溫度響應(yīng)有明顯差別。未使用算法時(shí)到達(dá)指定溫度并且趨于穩(wěn)定的時(shí)間最長(zhǎng)，而使用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制所用的時(shí)間最短并且能快速到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。所以使用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有明顯的改善效果。

圖6 制冷仿真圖

3.4 溫度控制方法

在食品放入到冷凍裝置的箱體中后，快速冷凍裝置通過NTC 熱敏電阻、橋式電路以及AD12864組成的溫度采集模塊測(cè)量得到箱體內(nèi)的食品的溫度，在制冷過程中，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制實(shí)時(shí)計(jì)算出制冷的時(shí)間，然后通過調(diào)節(jié)PWM 操縱壓縮機(jī)制冷，從而達(dá)到快速制冷的目的。溫度控制流程如圖7所示。

4 數(shù)據(jù)比較分析

選用相同質(zhì)量的三塊牛肉，在三種不同的模式下進(jìn)行冷凍實(shí)驗(yàn)，得到了快速冷凍的折線圖如圖8所示，在三種模式下，采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 算法后，其冷凍速度要比其他模式的冷凍速度快，說明通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 算法控制可以進(jìn)一步縮短冷凍時(shí)間。

5 結(jié)語

系統(tǒng)運(yùn)用STM32F429 作為本設(shè)計(jì)的控制單元，通過NTC 熱敏電阻、橋式電路以及AD12864 組成的溫度采集模塊測(cè)量得到箱體內(nèi)的食品的溫度，通過PWM 控制壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速來達(dá)到制冷的目的，并同時(shí)采用了一種基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 算法實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制溫度的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了低功耗快速控制，同時(shí)達(dá)到了該系統(tǒng)的溫度自動(dòng)、精準(zhǔn)控制的目的。

圖7 溫度控制流程圖

圖8 三種模式冷凍實(shí)驗(yàn)折線圖