Fuzzy-PID在一种灭菌器温度控制中的仿真研究及应用

    0　引　言

    野战灭菌器是我军卫勤保障中的重要装备。目前我军常用的野战灭菌器采用的是下排气式高温蒸汽灭菌方式,因此对温度的控制直接决定着灭菌的效率与质量。然而,由于待灭菌物品的数量和品种的影响,灭菌室内蒸汽气流的运动以及灭菌时发生的一系列复杂的物理、化学变化等因素,使得灭菌室温度的动态特性具有非线性、时变、纯滞后、大惯性的特点[1],对这类系统很难建立用于经典控制理论分析的精确的数学模型。本文针对这种情况,采用现代控制理论建立了系统的状态空间模型,并由此提出了一种模糊PID温度控制方案,最终给出了该方案的仿真计算结果,又以C8051F330单片机为核心实现了该控制方案。

    1　问题描述

    野战灭菌器控制系统的原理如图1所示。温度传感器PT100测量灭菌室内的温度,测量的信号经前置放大与抗混滤波电路处理后输出为反馈信号,由单片机对该信号进行采样,经过数字信号处理后,一方面通过液晶显示屏实时显示灭菌室内的温度,另一方面通过温度控制算法得到控制信号,同时驱动电磁调节阀将热蒸汽送入灭菌室内,使灭菌室内温度稳定在设定的灭菌目标温度上。调节阀和灭菌室组成系统的被控对象,温度传感器和前置放大与抗混滤波器组成反馈环节。使用的单片机为C8051F330,这是一种高速混合信号SOC微控制器,内含16路10位A/D转换器, 1路电流型D/A转换器, 25MHz晶振, 8KFLASH存储器, 768字节ARM,增强UART等,其每条指令的周期为40ns,非常适合于灭菌器温度控制的实时性要求。温度传感器采用sailing公司生产的PT100,其测量精度达±0·44℃, 0℃时输出电流273μA,温度系数为(1±0·01)μA/℃。

     2　系统的控制方程

    根据图1所示,设电磁调节阀、灭菌室、温度传感器、前置放大与抗混滤波电路的传递函数分别为G1、

    3　系统的控制方案及仿真试验

    3·1　基于二次型性能指标的单隶属度FUZZY-PID最优控制设计传统的温度控制方法基本上有两种:一种是采用位式调节,这种方法控制线路简单,可靠性较高,但控制精度很低;另一种是采用PID控制[5],这种方法响应迅速,稳态误差小,但当系统内部参数发生变化或受到外界干扰时参数整定困难。近年来出现的自适应模糊PID控制有效地弥补了以上方法的不足,但是在模糊控制器结构设计中,论域范围的确定、量化、语言变量分档、隶属度函数的定义及控制规则的确定等诸多环节都蕴涵着人为的因素[6]。一般的自适应模糊控制器只能对其中的一个或几个环节进行调整,很难使整个控制器处于最优状态。为了满足灭菌室温度控制的需要,根据(1)式、(2)式、(3)式的推导,设计了一种基于二次型性能指标的单隶属度FUZZY-PID最优控制器,从输入量精确值到输出量精确值只用一个数学表达式来表达,而系统运行时只需在线调整算式中的参数即可。为了保证较快较稳的温升速度以及对灭菌目标温度较准确的控制,在大偏差范围内采用单隶属度模糊控制推理的方法调整系统的控制量u(t),而在小偏差范围内转换成PID控制,转换阈值为±7℃。系统的整体控制框图如图2所示。