基于SOC單片機(jī)的pH值檢測(cè)與控制

　　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(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。對(duì)于單片機(jī)構(gòu)成的模糊控制器，考慮到占用CPU時(shí)間，節(jié)約存儲(chǔ)空間，減少計(jì)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(jì)PID參數(shù)的模糊矩陣表，查出修正參數(shù)代入下式計(jì)算：在線運(yùn)行過程中，控制系統(tǒng)通過對(duì)模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運(yùn)算，完成對(duì)PID參數(shù)的在線自校正。

　　3 計(jì)算機(jī)仿真及結(jié)果

　　3.1 仿真模型的建立與算法實(shí)現(xiàn)

　　數(shù)字仿真模型如圖4所示，其中被控制對(duì)象包括：電磁閥傳遞函數(shù)，pH傳感器動(dòng)態(tài)特性
，pH滴定曲線的非線性特性等。運(yùn)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(jìn)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(gè)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(dá)到穩(wěn)定后，在t=80s 時(shí)加擾動(dòng)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(shí)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(shí)間，具有較好的動(dòng)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(dòng)進(jìn)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(duì)于pH 值的控制具有較好的控制效果，具有動(dòng)態(tài)性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，抗干擾性能好及較強(qiáng)的魯棒性的特點(diǎn)。

　　圖 5 常規(guī)PID 控制與模糊PID 控制效果比較

　　圖 6 存在擾動(dòng)時(shí)的控制效果比較

　　4 結(jié)論

　　基于 SOC 高性能單片機(jī)C8051F020 設(shè)計(jì)pH 值檢測(cè)控制儀器具有性能好、抗干擾性強(qiáng)、有較高的性價(jià)比，針對(duì)pH 值滯后、非線性、時(shí)變、耦合性等特點(diǎn)采用的模糊PID 在線自適應(yīng)控制方法具有動(dòng)態(tài)性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，抗干擾性能好和具有較強(qiáng)的魯棒性。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：根據(jù) pH 傳感器信號(hào)檢測(cè)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了pH 信號(hào)放大電路、抗干擾電路；根據(jù)pH 值測(cè)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(diǎn)采用了模糊PID 控制方法并仿真，同時(shí)與常規(guī)PID 控制效果做了比較。參考文獻(xiàn):

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