基于SOC單片機的pH值檢測與控制

　　圖4 自適應模糊PID的控制框圖

　　將系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec變化范圍定義為模糊集上的域，e，ec={-3，-2，-1，0，1，2，3}，其模糊子集為e，ec={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，子集中元素分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。對于單片機構(gòu)成的模糊控制器，考慮到占用CPU時間，節(jié)約存儲空間，減少計算量等方面的問題，隸屬度函數(shù)曲線采用三角形。根據(jù)各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型，應用模糊合成推理設計PID參數(shù)的模糊矩陣表，查出修正參數(shù)代入下式計算：在線運行過程中，控制系統(tǒng)通過對模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運算，完成對PID參數(shù)的在線自校正。

　　3 計算機仿真及結(jié)果

　　3.1 仿真模型的建立與算法實現(xiàn)

　　數(shù)字仿真模型如圖4所示，其中被控制對象包括：電磁閥傳遞函數(shù)，pH傳感器動態(tài)特性
，pH滴定曲線的非線性特性等。運用上述模糊PID參數(shù)自整定控制方法，將模糊邏輯工具箱(fuzzy logic tool box)與Matlab函數(shù)相結(jié)合，在Matlab7.1中Simulink環(huán)境下進行了仿真研究。其中，模糊推理方法采用Mamdani型推理，去模糊化采用加權(quán)平均值方法。

　　3.2 仿真結(jié)果分析

　　為了便于比較控制效果，在常規(guī) PID 和模糊PID 控制中PID 的3 個參數(shù)kp，ki，kd 是相同的。圖5 給出了常規(guī)PID 控制與模糊PID 參數(shù)自整定算法控制仿真曲線比較，圖6 是在常規(guī)PID 控制與模糊PID 均達到穩(wěn)定后，在t=80s 時加擾動仿真曲線。圖5、圖6 中虛線所標示的是常規(guī)PID 的仿真效果，實線標示的是模糊PID 的仿真效果。從仿真結(jié)果可看出：

　　（1）模糊PID 參數(shù)自整定控制具有較小的超調(diào)量和較短的調(diào)節(jié)時間，具有較好的動態(tài)響應特性和穩(wěn)態(tài)特性，它優(yōu)于常規(guī)的PID 控制；

　?。?）由于模糊PID 參數(shù)自整定控制能根據(jù)工況變化過程中偏差和偏差變化率自動進行PID 參數(shù)調(diào)整，因而具有較好的自適應能力。

　　由此可見，模糊PID 參數(shù)自調(diào)整對于pH 值的控制具有較好的控制效果，具有動態(tài)性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，抗干擾性能好及較強的魯棒性的特點。

　　圖 5 常規(guī)PID 控制與模糊PID 控制效果比較

　　圖 6 存在擾動時的控制效果比較

　　4 結(jié)論

　　基于 SOC 高性能單片機C8051F020 設計pH 值檢測控制儀器具有性能好、抗干擾性強、有較高的性價比，針對pH 值滯后、非線性、時變、耦合性等特點采用的模糊PID 在線自適應控制方法具有動態(tài)性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，抗干擾性能好和具有較強的魯棒性。

　　本文作者創(chuàng)新點：根據(jù) pH 傳感器信號檢測的特點設計了pH 信號放大電路、抗干擾電路；根據(jù)pH 值測量原理提出了pH 電極的校正方法；根據(jù)水環(huán)境pH 值的特點采用了模糊PID 控制方法并仿真，同時與常規(guī)PID 控制效果做了比較。參考文獻:

[1].C8051F020 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/C8051F020+_209830.html.
[2].MCS-51datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/MCS-51_477840.html.
[3].CA3140datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/CA3140_211595.html.