基于模糊理论的蒸汽加热罐温度控制系统的设计*

张开生，折 娇

（陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安 710021）

0 引言

蒸汽加热罐是猕猴桃果脯制作过程中的关键设备，果脯产品质量的好坏，很大程度上取决于蒸汽加热罐的温度和加热时间。目前，猕猴桃果脯加工多停留在较传统的工艺步骤上，手工加工使得低糖果脯加工工艺与添加剂配方都还不能有效进行［1］。本研究采用嵌入式微处理器依据模糊控制方法对猕猴桃果脯生产工艺进行调控，32位高速控制系统比单片机的温度控制系统有了更高的测量精度和控制精度，而且实时性好，能进行复杂的算法运算，系统装置体积也大大减小，有着非常人性化的人机界面。模糊自整定PID不仅能发挥模糊控制的鲁棒性好、动态响应好、上升时间快和超调小的特点，而且具有PID控制器的动态跟踪品质和稳态精度［2］。因此，对指导成本低、性能可靠、实现自动监测控制的低糖猕猴桃果脯自动化加工工艺，具有重要的现实意义。

1 控制系统设计原理

蒸汽加热罐温度控制系统总体结构框图如图1所示。温度控制系统以LPC2103为核心，外扩键盘输入、LCD和超温报警等外围电路实现。加热罐的温度由传感器DS18B20检测，通过微控制器一方面将温度经LCD显示出来;另一方面将该温度值与被控制值（由键盘输入的设定温度值）进行比较，根据其偏差值的大小，采用模糊自整定PID控制算法进行运算，最后通过D/A与V/I转换电路，驱动气动薄膜调节阀自动调节蒸汽的通入，也可以通过手操器的手动、自动切换手动调节薄膜阀，进而达到对蒸汽加热罐温度的控制。如果实际测得的温度值超过预先设定的温度范围，LPC2103就会向报警装置发出指令，从而进行超温报警。同时通过E2PROM来储存必要的数据，以便日后查询。

2 温控系统硬件电路设计

系统采用 Philips公司推出的基于 ARM7TDMI—S，LQFP48封装的LPC2103高速处理器，它的最高工作速度可达70 MHz，外设工作电压为3.3 V，内核工作电压为1.8 V。高工作频率、低功耗以及小封装充分满足了系统设计的要求。

图1 系统总体结构框图Fig 1 Overall structure block diagram of system

温度控制系统硬件设计以LPC2103为核心控制模块，通过扩展的相应模块来共同完成系统的监测，系统硬件设计如图2所示，各模块主要实现以下功能:

1）数据采集:由单总线数字温度传感器DS18B20检测温度，同时完成模/数转换功能，方便计算机可以直接识别传感器的输出值，完成温度数据的采集。

2）键盘输入:由用户设置所需温度和各参数值，读取并保存键盘信息。

3）显示模块:方便用户监测蒸汽加热罐的状态，选用单色点阵型图形液晶显示模块HG12864，接收微控制器传送的显示信息。

4）限温模块:设置异常和温度超标报警。

5）输出控制模块:将输出量经D/A转换与V/I转换，控制薄膜式蒸汽调节阀。

图2 系统硬件电路图Fig 2 The hardware circuit

3 温控系统软件设计

系统软件程序开发都是基于ADS1.2集成开发平台而进行的。设计采用模块化思想，依据系统所要完成的任务，系统设计包括主模块、温度检测模块、模糊控制算法模块、键盘、显示和报警模块，其软件设计的主流程图如图3所示。

采集温度时，为了在最大程度上减小干扰的影响，取连续3次采样结果，如果数据相差不超过0.2℃，则取这3个数据的平均值即可，若超过则丢弃数据重新进行采样。经过验证，该方法能够较好地保证控制器平稳地进行工作。模糊控制器设计是利用Matlab进行仿真，由软件编程得到合理的参数，进而调节模糊自整定PID算法。键盘工作方式采用中断扫描，可进一步提高CPU工作效率，同时利用软件消抖，增加按键可靠性的判断。

图3 软件设计主流程图Fig 3 Main flow chart of the software

4 温度模糊控制器设计

由于在低糖猕猴桃果脯制作过程中，不同处理液体、不同温度及不同处理时间下，加工出来的产品质量是不同的，同时控制系统也难以建立精确的数学模型，为此设计模糊自整定PID控制蒸汽加热罐的温度［1，3］。实现思想是先找出PID各个参数与偏差e和偏差变化率ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，再根据模糊控制原理来对各个参数进行在线修改，以满足在不同e和ec时对控制参数的不同要求，使控制对象具有良好的动、静态性能，且计算量小，易于实现［4］。其控制器结构框图如图4所示。

图4 模糊自整定控制器结构Fig 4 Structure of fuzzy self-tuning controller

5 温度模糊控制器软件的设计

温度控制器软件的设计是系统软件设计的重点，需要有效地利用模糊控制技术来提高控制精度［5］，具体的模糊控制算法流程图如图5。

图5 模糊控制算法流程图Fig 5 Flow chart of fuzzy control algorithm

6 仿真分析

为进一步验证模糊自整定PID控制算法的合理性，采用SIMULINK软件工具进行仿真分析，同时建立.fis文件，确定模糊控制器的输入变量和输出变量，根据分析分别输入E，EC，KP，KI和KD的隶属度函数和量化区间，设计完成49条模糊控制规则的输入。

其中，建立的SIMULINK模型如图6。最后得出常规PID和模糊PID仿真结果如图7。

图6 仿真模型Fig 6 Simulation model

图7 常规PID和模糊PID仿真结果Fig 7 Conventional PID and fuzzy PID simulation results

从仿真结果可以看出:模糊自整定PID控制比常规PID有较小的超调量与调节时间，动态响应好，并且同步精度较高。

7 实验结果与分析

蒸汽加热罐温度控制系统的温度实验变化曲线如图8。

从图8所示可知，采用DS18B20集成温度传感器对蒸汽加热罐温度进行采集，由ARM微控制器LPC2103进行模糊控制运算，控制精度可达±0.2℃，并且温度变化稳定。

图8 实验温度变化曲线Fig 8 Experimental temperature change curve

8 结论

采用微控制器LPC2103利用模糊PID对猕猴桃果脯生产中的蒸汽加热罐的温度进行控制，温度控制精度为±0.2℃。DS18B20温度传感器具有测量速度快、精度高、智能化等特点，由此构成的温度控制系统可靠性高、成本低，而且系统结构简单，适用范围广，对于提高猕猴桃果脯的生产质量具有较好的应用价值。

［1］马守磊，田呈瑞，王 辉.低糖猕猴桃果脯生产艺及其质量控制［J］.农产品加工，2008（10）:11－13.

［2］陈素丽，司 文.ARM在珍珠岩生产过程中温度控制的应用［J］.微计算机应用，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.

［4］刘喜峰，许春香，徐晋科，等.基于模糊PID烟叶烤香温湿度控制系统设计［J］.传感器与微系统，2009，28（6）:83 －85.

［5］张宝珍，樊军庆.基于模糊理论的巴氏灭菌机温度控制系统［J］.仪表技术与传感器，2010（3）:28 －30，33.