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基于SOC單片機的pH值檢測與控制

作者: 時間:2013-02-20 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏


  圖4 自適應(yīng)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(yīng)用模糊合成推理設(shè)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(biāo)示的是常規(guī)PID 的仿真效果,實線標(biāo)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(yīng)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(shè)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.

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