模糊PID技術(shù)在糧倉(cāng)溫度控制的應(yīng)用

方威+張騰

摘 要 自改革開放以來，我國(guó)糧食產(chǎn)量大幅增加，據(jù)權(quán)威部門估計(jì)，2013年我國(guó)糧食產(chǎn)量可能達(dá)到6億噸，再次創(chuàng)造歷史記錄。這樣，我國(guó)每年有很多糧食要儲(chǔ)存。在儲(chǔ)存過程中，為防止糧食變質(zhì)、霉?fàn)€，這就對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)的溫度、濕度等條件提出較高的要求，而基于模糊PID技術(shù)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)可以很好的勝任對(duì)糧倉(cāng)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)的任務(wù)。

關(guān)鍵詞 模糊PID技術(shù)；糧倉(cāng)；溫度監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）01-0010-02

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的不斷提高以及各種高產(chǎn)品種的農(nóng)作物投入市場(chǎng)，我國(guó)糧食產(chǎn)量逐年穩(wěn)定增加，在2012年，我國(guó)的糧食產(chǎn)量達(dá)到5億9千多萬噸，比2011年增加1800多萬噸，增長(zhǎng)率為3.2%，高居世界第一位，而且我國(guó)的糧食儲(chǔ)量連續(xù)多年也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)際安全水平。目前我國(guó)大部分地區(qū)的糧食存儲(chǔ)仍采用傳統(tǒng)的方式，即在糧倉(cāng)中安裝的傳感器是銅電阻或熱敏電阻，工作人員需要逐個(gè)點(diǎn)進(jìn)行查看，工作效率很低，實(shí)時(shí)性差，精確度也比較差，我們知道糧食是很容易長(zhǎng)霉菌的，每年我國(guó)因糧食發(fā)霉而造成的經(jīng)濟(jì)損失就高達(dá)幾千萬，所以，建立起一套準(zhǔn)確、快速以及能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制糧倉(cāng)溫度和濕度的系統(tǒng)對(duì)于提高糧倉(cāng)質(zhì)量、減少存儲(chǔ)糧食的變質(zhì)量是十分必要的。

1 模糊PID控制技術(shù)的原理和特點(diǎn)

在現(xiàn)代各類工業(yè)生產(chǎn)和工程建設(shè)中，比例控制、積分控制和微分控制是應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律，這些技術(shù)總稱為模糊PID控制技術(shù)，又稱為PID調(diào)節(jié)技術(shù)。在20世紀(jì)四五十年代，PID控制技術(shù)就已經(jīng)問世，經(jīng)過近70年的發(fā)展和改進(jìn)，此技術(shù)憑借結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠、工作效率高以及調(diào)節(jié)方便等特點(diǎn)，成為各類工業(yè)生產(chǎn)和工程建設(shè)最主要的控制技術(shù)之一。

在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，很多被監(jiān)控對(duì)象的許多重要參數(shù)不能被完全掌握，如果采用傳統(tǒng)的控制技術(shù)時(shí)，將得不到比較精確的數(shù)學(xué)模型，不得不憑借經(jīng)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)候傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)的實(shí)用性就會(huì)大打折扣，而模糊PID控制技術(shù)非常適用于這種情況，當(dāng)我們不能得到有效的系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，模糊PID控制技術(shù)就會(huì)根據(jù)參數(shù)誤差，利用比例、微分和幾份等數(shù)學(xué)手段計(jì)算出控制量，最終將監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)控制。模糊PID控制技術(shù)的基礎(chǔ)是自然控制規(guī)則和模糊推理，不像傳統(tǒng)控制系統(tǒng)依賴于精確的數(shù)學(xué)模型。該系統(tǒng)的核心部分是模糊控制器，控制器的設(shè)計(jì)主要包括函數(shù)的確定、編制模糊控制規(guī)則以及反模糊設(shè)計(jì)。模糊PID控制技術(shù)結(jié)合了模糊控制器的智能化和PID系統(tǒng)的精確性，最終使控制系統(tǒng)達(dá)到最佳效果。

2 模糊PID控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

在20世紀(jì)50年代，模糊PID控制技術(shù)還處于剛剛起步的階段，經(jīng)過十多年的發(fā)展，國(guó)外出現(xiàn)第一種能夠進(jìn)行自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制的系統(tǒng)，然而由于它的很多技術(shù)還不成熟，可靠性較差，而且由于人類當(dāng)時(shí)電子技術(shù)還不發(fā)達(dá)，導(dǎo)致該系統(tǒng)的體積龐大，價(jià)格昂貴，根本無法滿足市場(chǎng)需求。之后隨著人類計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，研發(fā)人員利用人工智能方法將之前的很多調(diào)控經(jīng)驗(yàn)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，這樣計(jì)算機(jī)就能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)收集到的數(shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)整各種PID參數(shù)，最終大幅度提高了該系統(tǒng)的自動(dòng)性、快速性以及可靠性。

3 控制糧倉(cāng)溫度的模糊PID控制系統(tǒng)的介紹

3.1 系統(tǒng)框架

圖1是模糊PID技術(shù)在糧倉(cāng)溫度的監(jiān)控系統(tǒng)框架圖。整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心是單片機(jī)AT89C51（應(yīng)用了模糊PID技術(shù)），對(duì)糧倉(cāng)溫度的監(jiān)測(cè)是由安置在多個(gè)不同地點(diǎn)的溫度傳感器來完成的，然后由多路模擬開關(guān)對(duì)溫度傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，經(jīng)過放大電路后由轉(zhuǎn)換器接收，最后進(jìn)入單片機(jī)，最后溫度會(huì)顯示出來，一旦溫度超出了最初設(shè)定的范圍，報(bào)警器就會(huì)響起，同時(shí)通風(fēng)裝置也會(huì)啟動(dòng)，此套系統(tǒng)可以精確控制糧倉(cāng)的溫度在某一限定的范圍內(nèi)變化，從而有效保證被存儲(chǔ)糧食的質(zhì)量。

圖1

3.2 對(duì)系統(tǒng)各個(gè)部件的簡(jiǎn)單介紹

3.2.1 溫度傳感器

溫度傳感器在該系統(tǒng)中充當(dāng)著“先鋒”的作用，作為關(guān)鍵部件之一，它的精度以及性能的高低將直接關(guān)系到整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的運(yùn)行效果。目前應(yīng)用較多的是AD590集成溫度傳感器，它的測(cè)溫范圍大概是-50℃到100℃，誤差在±0.3℃左右，完全滿足在糧倉(cāng)內(nèi)使用的環(huán)境要求，另外，它的輸出電流和絕對(duì)溫度有關(guān)，與附加的電阻值無關(guān)，而且該型傳感器的輸入和輸出均采用差動(dòng)的方式，這樣做的目的就是當(dāng)通信模塊的工作受到干擾時(shí)，兩根信號(hào)線能夠同時(shí)產(chǎn)生干擾電平，這就會(huì)平衡對(duì)差動(dòng)輸入的影響，這些設(shè)計(jì)都使得該型傳感器不會(huì)因?yàn)閭鬏斁嚯x太遠(yuǎn)等因素產(chǎn)生誤差。

3.2.2 多路模擬開關(guān)

在該監(jiān)控系統(tǒng)中，要求多路模擬開關(guān)在接通時(shí)兩端的電阻值很小，在斷開的狀態(tài)下電阻很大，并且要求開關(guān)反應(yīng)速度快，工作穩(wěn)定性好以及使用壽命較長(zhǎng)，而且要求多段模擬開關(guān)對(duì)傳輸信號(hào)要有很好的線性度，這樣才能減少信號(hào)的失真度，保證信號(hào)的精確度。目前應(yīng)用較為廣泛的是CC4051型單八路模擬開關(guān)，它由電平位移電路以及帶禁止端的譯碼器組成，CC4051型多段模擬開關(guān)真值表如表1所示。

表1

輸入狀態(tài) 導(dǎo)通通道

INH C B A

0 0 0 0 1

0 0 0 1 2

0 0 1 0 3

0 0 1 1 4

0 1 0 0 5

0 1 0 1 6

0 1 1 0 7

0 1 1 1 8

1 ⊕ ⊕ ⊕ 關(guān)斷

3.2.3 放大電路

溫度傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)往往很小，需要先將這些電信號(hào)經(jīng)過放大處理，集成運(yùn)算放大器以其簡(jiǎn)單的電路和較為方便的調(diào)試被應(yīng)用的較為廣泛。ICL7650型放大器是由Intersil公司利用動(dòng)態(tài)校零技術(shù)制作而成的，另外它還采用了CMOS工藝，具有輸入偏值電流小、增益高、反應(yīng)快以及性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，基本特性為：1）低電源電流為2mA，低觸壓為1μV；2）無微調(diào)需要的偏移電壓；3）具有時(shí)間和溫度的低偏移漂流；4）高增益的CMRR和PSRR為120dB。endprint

3.2.4 A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器也就是模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱為ADC，它的功能就是可以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，即輸入端是一個(gè)電壓信號(hào)，輸出端是一個(gè)模擬信號(hào)，但是因?yàn)閿?shù)字信號(hào)只是表示一個(gè)相對(duì)大小，并沒有什么實(shí)際意義，所以通常需要一個(gè)作為轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)的參考模擬量。A/D轉(zhuǎn)換器的工作順序一般是采樣、保持、量化和編碼四個(gè)步驟。

在本文介紹的系統(tǒng)中，我們選用ADC0809型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，它是帶有8路多路開關(guān)和兼容微處理機(jī)控制邏輯的組件，由于其內(nèi)部帶有輸出鎖存器，所以可以直接和單片機(jī)連接。它的選擇通道如表2所示。

表2

C B A 選擇的通道

0 0 0 IN0

0 0 1 IN1

0 1 0 IN2

0 1 1 IN3

1 0 0 IN4

1 0 1 IN5

1 1 0 IN6

1 1 1 IN7

3.2.5 單片機(jī)

在監(jiān)控糧倉(cāng)溫度系統(tǒng)中，我們采用AT89C51單片機(jī)。它完全兼容MCS-51系列單片機(jī)的所有功能，并且本身帶有2K的內(nèi)存儲(chǔ)器，可以在編程器上實(shí)現(xiàn)閃爍式的電擦寫達(dá)幾萬次以上，比以往慣用的8031CPU外加EPROM為核心的單片機(jī)系統(tǒng)在硬件上具有更加簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，具體如下：1）AT89C51單片機(jī)是最早期也最典型的產(chǎn)品，低功耗、高性能、采用CHMOS工藝的8位單片機(jī)；2）它在硬件資源和功能、軟件指令及編程上與Intel 80C3X單片機(jī)完全相同。在應(yīng)用中可直接替換；3）在AT89C51內(nèi)部有FLASH程序存儲(chǔ)器，既可用常規(guī)的編程器編程，也可用在線使之處于編程狀態(tài)對(duì)其編程。編程速度很快，擦除時(shí)也無需紫外線，非常方便；4）AT89C5X系列可認(rèn)為是Intel 80C3X的內(nèi)核與Atmel FLASH技術(shù)的結(jié)合體。它為許多嵌入式控制系統(tǒng)提供了靈活、低成本的解決方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的糧倉(cāng)溫度測(cè)控系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、抗干擾能力強(qiáng)以及可遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。但是我們始終要明白，在任何時(shí)候機(jī)器是永遠(yuǎn)代替不了人的思維，所以我們不能完全盲目的相信機(jī)器，因此在現(xiàn)實(shí)的工作中，我們更應(yīng)該認(rèn)真負(fù)責(zé)，既應(yīng)該積極采用高科技手段但又不能對(duì)它產(chǎn)生過度依賴性。另外我們的科技工作者們也要不斷努力，創(chuàng)造出更多質(zhì)量好的產(chǎn)品以滿足我們各行各業(yè)的需求。

參考文獻(xiàn)

[1]付立思，孫曉杰，吳秀華，等.模糊自適應(yīng)PID控制器在太陽(yáng)能干燥溫度控制中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22（7）：217-219.

[2]彭勇剛，韋巍.人工氣候溫箱濕度模糊控制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22（8）：166-169.

[3]李朝清.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005：38-47.

[4]傅宇，宋長(zhǎng)垣，周昭峰.基于單片機(jī)的糧食干燥設(shè)備溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].糧油加工，2006（8）：74-75.

作者簡(jiǎn)介

方威（1987-），男，西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院碩士研究生在讀，研究方向：計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。endprint

3.2.4 A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器也就是模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱為ADC，它的功能就是可以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，即輸入端是一個(gè)電壓信號(hào)，輸出端是一個(gè)模擬信號(hào)，但是因?yàn)閿?shù)字信號(hào)只是表示一個(gè)相對(duì)大小，并沒有什么實(shí)際意義，所以通常需要一個(gè)作為轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)的參考模擬量。A/D轉(zhuǎn)換器的工作順序一般是采樣、保持、量化和編碼四個(gè)步驟。

在本文介紹的系統(tǒng)中，我們選用ADC0809型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，它是帶有8路多路開關(guān)和兼容微處理機(jī)控制邏輯的組件，由于其內(nèi)部帶有輸出鎖存器，所以可以直接和單片機(jī)連接。它的選擇通道如表2所示。

表2

C B A 選擇的通道

0 0 0 IN0

0 0 1 IN1

0 1 0 IN2

0 1 1 IN3

1 0 0 IN4

1 0 1 IN5

1 1 0 IN6

1 1 1 IN7

3.2.5 單片機(jī)

在監(jiān)控糧倉(cāng)溫度系統(tǒng)中，我們采用AT89C51單片機(jī)。它完全兼容MCS-51系列單片機(jī)的所有功能，并且本身帶有2K的內(nèi)存儲(chǔ)器，可以在編程器上實(shí)現(xiàn)閃爍式的電擦寫達(dá)幾萬次以上，比以往慣用的8031CPU外加EPROM為核心的單片機(jī)系統(tǒng)在硬件上具有更加簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，具體如下：1）AT89C51單片機(jī)是最早期也最典型的產(chǎn)品，低功耗、高性能、采用CHMOS工藝的8位單片機(jī)；2）它在硬件資源和功能、軟件指令及編程上與Intel 80C3X單片機(jī)完全相同。在應(yīng)用中可直接替換；3）在AT89C51內(nèi)部有FLASH程序存儲(chǔ)器，既可用常規(guī)的編程器編程，也可用在線使之處于編程狀態(tài)對(duì)其編程。編程速度很快，擦除時(shí)也無需紫外線，非常方便；4）AT89C5X系列可認(rèn)為是Intel 80C3X的內(nèi)核與Atmel FLASH技術(shù)的結(jié)合體。它為許多嵌入式控制系統(tǒng)提供了靈活、低成本的解決方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的糧倉(cāng)溫度測(cè)控系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、抗干擾能力強(qiáng)以及可遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。但是我們始終要明白，在任何時(shí)候機(jī)器是永遠(yuǎn)代替不了人的思維，所以我們不能完全盲目的相信機(jī)器，因此在現(xiàn)實(shí)的工作中，我們更應(yīng)該認(rèn)真負(fù)責(zé)，既應(yīng)該積極采用高科技手段但又不能對(duì)它產(chǎn)生過度依賴性。另外我們的科技工作者們也要不斷努力，創(chuàng)造出更多質(zhì)量好的產(chǎn)品以滿足我們各行各業(yè)的需求。

參考文獻(xiàn)

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[2]彭勇剛，韋巍.人工氣候溫箱濕度模糊控制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22（8）：166-169.

[3]李朝清.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005：38-47.

[4]傅宇，宋長(zhǎng)垣，周昭峰.基于單片機(jī)的糧食干燥設(shè)備溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].糧油加工，2006（8）：74-75.

作者簡(jiǎn)介

方威（1987-），男，西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院碩士研究生在讀，研究方向：計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。endprint

3.2.4 A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器也就是模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱為ADC，它的功能就是可以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，即輸入端是一個(gè)電壓信號(hào)，輸出端是一個(gè)模擬信號(hào)，但是因?yàn)閿?shù)字信號(hào)只是表示一個(gè)相對(duì)大小，并沒有什么實(shí)際意義，所以通常需要一個(gè)作為轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)的參考模擬量。A/D轉(zhuǎn)換器的工作順序一般是采樣、保持、量化和編碼四個(gè)步驟。

在本文介紹的系統(tǒng)中，我們選用ADC0809型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，它是帶有8路多路開關(guān)和兼容微處理機(jī)控制邏輯的組件，由于其內(nèi)部帶有輸出鎖存器，所以可以直接和單片機(jī)連接。它的選擇通道如表2所示。

表2

C B A 選擇的通道

0 0 0 IN0

0 0 1 IN1

0 1 0 IN2

0 1 1 IN3

1 0 0 IN4

1 0 1 IN5

1 1 0 IN6

1 1 1 IN7

3.2.5 單片機(jī)

在監(jiān)控糧倉(cāng)溫度系統(tǒng)中，我們采用AT89C51單片機(jī)。它完全兼容MCS-51系列單片機(jī)的所有功能，并且本身帶有2K的內(nèi)存儲(chǔ)器，可以在編程器上實(shí)現(xiàn)閃爍式的電擦寫達(dá)幾萬次以上，比以往慣用的8031CPU外加EPROM為核心的單片機(jī)系統(tǒng)在硬件上具有更加簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，具體如下：1）AT89C51單片機(jī)是最早期也最典型的產(chǎn)品，低功耗、高性能、采用CHMOS工藝的8位單片機(jī)；2）它在硬件資源和功能、軟件指令及編程上與Intel 80C3X單片機(jī)完全相同。在應(yīng)用中可直接替換；3）在AT89C51內(nèi)部有FLASH程序存儲(chǔ)器，既可用常規(guī)的編程器編程，也可用在線使之處于編程狀態(tài)對(duì)其編程。編程速度很快，擦除時(shí)也無需紫外線，非常方便；4）AT89C5X系列可認(rèn)為是Intel 80C3X的內(nèi)核與Atmel FLASH技術(shù)的結(jié)合體。它為許多嵌入式控制系統(tǒng)提供了靈活、低成本的解決方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的糧倉(cāng)溫度測(cè)控系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、抗干擾能力強(qiáng)以及可遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。但是我們始終要明白，在任何時(shí)候機(jī)器是永遠(yuǎn)代替不了人的思維，所以我們不能完全盲目的相信機(jī)器，因此在現(xiàn)實(shí)的工作中，我們更應(yīng)該認(rèn)真負(fù)責(zé)，既應(yīng)該積極采用高科技手段但又不能對(duì)它產(chǎn)生過度依賴性。另外我們的科技工作者們也要不斷努力，創(chuàng)造出更多質(zhì)量好的產(chǎn)品以滿足我們各行各業(yè)的需求。

參考文獻(xiàn)

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[3]李朝清.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005：38-47.

[4]傅宇，宋長(zhǎng)垣，周昭峰.基于單片機(jī)的糧食干燥設(shè)備溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].糧油加工，2006（8）：74-75.

作者簡(jiǎn)介

方威（1987-），男，西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院碩士研究生在讀，研究方向：計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。endprint