ARM和模糊PID的温控系统的研究和设计

只看该作者 · 2019-5-6 14:58

基于ARM和模糊PID的温控系统的研究和设计
Research and Design of Temperature Control System Based on
ARM and Fuzzy PID

只看该作者 · 2019-5-6 14:59

多谢！在这里发表一篇关于STM32 PID方面的主题贴。希望申请通过！

只看该作者 · 2019-5-6 15:12

中国己经成为世界上啤酒产量最大的国家之一。在啤酒发酵过程中，发酵液的温度
能否准确跟踪上发酵过程工艺曲线的要求是啤酒酿造能否成功的关键部分。啤酒发酵是
一个利用微生物代谢生产的过程，其过程控制必须具备优良的控制性能，才能提高啤酒
的质量和口感。啤酒发酵过程中的温度控制具有大时滞、非线性和时变性等问题，这就
使温度控制的各种要求很难达到发酵过程所需要的精准度，所以需要引进智能控制算法
来对发酵过程的稳定性和准确性进行控制。
本文在以STM32作为温度控制核心处理器的基础上进行硬件设计。通过MATLAB
分别对改进的粒子群算法和遗传算法在模糊PID控制参数的优化方面进行了仿真分析
和对比，选择采用改进粒子群算法优化模糊PID控制作为温度控制系统的控制算法。通
过实物搭载对设计的温度控制系统进行实验，并对实验结果进行分析。
论文的主要工作包括以下几个方面:
   C1)设计符合温度控制系统性能要求的硬件电路。以STM32作为控制系统的核心
处理器，根据STM犯的特性设计电源电路、JTAG调试接口电路、串口通信电路，以及
设计采用热敏电阻传感器的温度检测电路，D/A转换数据电路和报警电路，组成一个完
整的温度控制系统，并且搭建硬件实物。
   C2)实现用改进算法优化模糊PID控制参数来对发酵过程的温度进行控制。首先
针对粒子群算法和遗传算法所具有的特性分别做出改进策略:其中在粒子群优化算法中
分别对惯性权重参数和学习因子参数进行公式改进;在遗传算法中，将种群最优个体未
变化代数引入到交叉概率和变异概率公式中，并结合遗传操作引入拟单纯形算子。在自
适应模糊PID控制算法基础上加入Smith预估补偿来抵消被控对象的纯滞后现象，再分
别采用改进的粒子群算法和遗传算法来优化自适应模糊PID的控制参数，通过MATLAB
仿真软件对控制算法进行对比分析，选择改进粒子群算法优化模糊PID控制作为温度控
制系统的控制算法。
   (3)温度控制系统的软件设计通过LabVIEW来完成，最后结合软硬件设计来对温
度控制系统进行仿真实验。实验结果表明:系统能够在短时间内把温度控制在55士0.3 0C
范围以内。满足了本温度控制系统所要求的稳定性和准确性。

只看该作者 · 2019-5-6 16:11

公元前6000年左右，由Sumerian Mesopotamia酿造出了人们所知道的世界上最早
的啤酒。他们通过浸泡大麦并使其发芽，酿造出了不易腐坏，并能让人喝后感觉兴奋的
一种饮料，如今这种饮料被称之为啤酒。全球较为出名的啤酒品牌包括美国的百威啤酒、
比利时的时代、荷兰的喜力、丹麦的嘉士伯、巴西的安贝夫和中国的青岛等。啤酒自传
入中国己有一百多年的历史了，早期的生产工艺技术是从沙俄、英国和德国等西方国家
引入。1949年以后，我国啤酒业才取得了较快的发展，经过十几年的努力，己逐步摆脱
了依赖进口生产工艺的落后状态，并进入了国际啤酒市场。
啤酒生产是一个利用微生物代谢进行生产的过程，其生产周期长，过程参数分散性
较大，传统的人工操作生产方式难以保证大批量规模的生产需要。发酵过程中的控制技
术，既与生产能力和发酵效率有关系，又会影响后续的生产操作，在整个发酵过程中是
一项不可或缺的重要环节，同时也是发酵工程技术的一个重要组成部分。研发与发酵过
程具有共同特点的过程控制最优化技术，对于在中国工业生物产业实现科技产业化和
提高整体技术水平具有重要意义「‘]。
论文研究的目的是以啤酒发酵温度控制为背景[2]，建立起一套具有智能优化算法的、
并且能够运行良好的控制系统，以提高发酵温度控制精度，保证生产过程的稳定性，提
升啤酒产品的质量，节约人力物力，进而降低生产消耗和成本，提高生产效率和经济效
益，并不断激发我国啤酒生产行业领域的科技创新。

只看该作者 · 2019-5-6 16:11

当前国内外啤酒厂商的控制方式大致分为以下四种[[3].
   }1}完全手动操作方式:是以人为主观性操作为主，即通过操作人员来观测各种传
感器的工作过程，根据专家经验做出相应的判断，以此来实现生产过程的控制。这种控
制方式的缺点是不能及时有效地调整生产工艺参数，不同批次的控制过程具有的稳定性
不一致，导致生产出的啤酒质量由于人为主观因素的影响，而存在着啤酒口味的差异。
并且人工劳动强度大，还不能充分利用原材料的价值。所以完全手动操作方式在将来的
自动控制技术逐步发展的情况下，将会被一步步地取代。
   (2)半自动控制方式:通过气动阀门和自动阀门等器件来对啤酒生产的工艺流程
进行操作。对于整个发酵过程中的生产设备以及数据，操作人员通过数据采集部分来获
得。发酵罐现场的模拟量以数字的形式集中显示在上位机或者触摸屏上，并能实时查看
各机构的当前状态。接着操作人员把这些数据与按照工艺参数设定的值进行对比，并作
出相应地判断。最后通过操作面板发出指令来完成生产任务。这种方式可以对信息进行
集中化处理，减少了一定的人力资源，但在消除人工操作所带来的主观性方面，还不尽
如人意。
   (3)上位机与数据采集插卡方式:为了对设备状态进行实时监测，将数据采集卡安
装在生产设备中的不同单元，通过数据采集卡将现场参数传输到PC机终端，根据不同
阶段的性能要求，通过设计简捷的人机交互界面来完成自动控制功能。这种方式存在的
缺点是:由于数据采集卡的可靠性低，不能长时间稳定工作，导致PC的控制效果一般;
PC机界面不够人性化，安全性能低，病毒易入侵;后续的优化性差，无法实施信息共
享，导致不能进行综合分析处理。
   (4)分布式控制方式:也称为全自动控制，是通过结合高级智能控制算法和先进控
制机构来对系统进行控制。该控制系统的下位机多采用嵌入式控制芯片，因此系统的可
靠性和稳定性得到了保证。由于是建立在网络之上的系统，上位机可以通过Internet实
现互联，并可与多种协议兼容。在所有参与的过程中充分考虑控制参数的要求，到达某
一工艺阶段，自动地输出判断，驱动相应的执行器。每次生产结束后，自动储存控制信
息，给后续部门提供相应的操作依据。在有突发状况发生时，系统会发出报警信息。目
前该方式被多数啤酒厂商采用，也是未来啤酒生产发展的趋势，缺点是需要大量的资金。

只看该作者 · 2019-5-6 16:12

日益增长的产品需求量和市场竞争，迫使啤酒生产厂商急需改良生产工艺和更新生
产设备。目前我国通过以下三个方面进行技术手段的更新[[4].
}1}引进国外先进技术
北京的某啤酒厂直接引进了PTEE-NF材料制造的过滤设备，用以达到彻底清除杂
质的效果;福建某酒厂引进的无菌酿造技术曾成为啤酒酿造技术的里程碑。引进成熟的
生产技术和高自动化水平的生产设备，使啤酒生产的自动化程度得到提升，同时也提高
了生产效率，并能满足啤酒过程的工艺要求，但最大的问题在于价格昂贵，一些中小型
企业无法负担。
C2)国内自行研究开发
由于直接引进国外的技术或设备投资成本太高，所以自行研发适应本地啤酒生产厂
商需要的控制系统，成为一些科研院所、专业自动化技术公司研究的热门课题。其中国
家支持的轻工业部自动化所研发的单变量温度控制方法己在厦门的啤酒厂投入使用。国
内自行研究开发的系统，能在一定程度上满足自动化生产要求，但是与国外的先进技术
的更新速度还存在一定的差距。
(3)厂内自行研究
在自动控制技术不断被应用的推动下，一些中小型啤酒生产厂家，根据自己的实际
情况，对落后的生产设备进行部分的更新。短期看来能够满足生产实际要求，但对长远
的发展来说并不理想。

只看该作者 · 2019-5-6 16:46

3自动控制理论的发展现状
   (1>线性系统理论
线性系统理论主要包括系统的数学模型、运动分析、稳定性分析、能控性与能观测
性分析、状态反馈与观测器等问题。线性系统理论是现代控制理论中理论基础最完善以
及应用最广泛的部分。线性系统理论和方法需要在系统的数学模型之上建立，这与经典
控制理论不同，线性系统理论采用的数学模型是系统状态方程。系统状态方程不但描述
了系统的输入与输出之间的关系，而且描述了系统随时间的变化而产生的内部状态变量
的关系。
   (2)最优控制
最优控制是根据系统所要满足的在一定条件下求出系统性能指标最优的控制规律。
其中，Pontryagin的极大值原理和Berman的动态规划[}s}是最重要的两种方法。最优控制
理论是设计最优控制系统的理论基础，也是现代控制理论的核心内容之一。它主要研究
被控系统在给定性能指标时，实现最优的控制规律和方法。在解决最优控制问题中，除
了Pontryagin的极大值原理和Berman的动态规划两种重要方法外，用“广义”梯度描
述的优化方法以及动态规划的哈密顿一雅克比一贝尔曼方程求解的新方法正在形成，并应
用于非线性系统的优化控制。各个领域所遇到的优化问题，只要能够看作是一个多步决
策过程的最优化问题，一般都能将其转化并用于离散型动态规划或最大值原理求解。
   (3)系统辨识
系统辨识即数学建模问题，就是建立系统的数学模型，使其能正确反映系统的输入
与输出之间的基本关系。它是对系统进行分析和控制的前提，直接决定着控制的成功与
否。所谓“知己知彼，百战不殆”，在设计一个控制器的工程中，系统的被控对象就相
当于“彼”，控制器就相当于“己”。由于系统比较复杂，不能通过解析的方法直接建
模，需要在系统输入、输出的实验数据或运行数据的基础上，从某类给定的模型中，确
定一个与被控系统本质特征等价的数学模型。如果确定了模型的结构，则仅需要确定模
型的参数，这称为参数估计问题。如果模型的结构和参数需要同时确定，这就是系统辨
识问题。系统辨识己经在自适应控制、优化控制、预测控制和故障诊断等过程中得到了
广泛应用。

只看该作者 · 2019-5-6 16:47

(4)最优估计[6]
当系统有随机干扰时，通过测量系统数学模型的输入和输出数据，利用统计方法对
系统的状态进行估计，使系统受噪声干扰的影响最低，为达到最优控制创造前提条件。
其中，卡尔曼滤波是最具代表性的系统状态估计方法，在很多领域得到了广泛应用。另
外，维纳滤波理论在现代控制理论中也有十分重要的地位，其主要是强调对平稳随机过
程系统按照均方意义的最优滤波。与之不同的是状态空间法设计的最优滤波器，也就是
卡尔曼滤波，其适用于不稳定过程，己在军事领域得到了广泛应用，成为现代控制理论
的重要内容。
(5)自适应控制[m
自适应控制是指针对内部参数和外部环境变化通过自动的调整控制作用，来减小干
扰影响的控制过程。在被控对象动态特性变化不确定的情况下，在达到一定意义下最优
或者满足这一类型系统的控制要求。自适应控制研究的问题主要包括:认识被控对象的
动态特性，即辨识，构造能够适应系统动态特性的控制器，设计可以实现这种控制器的
算法。目前，自适应控制理论正朝着自学习、自组织及智能控制等方向发展，并己在过
程控制、化工、冶金和电力系统自动化、船舶驾驶、机器人控制等领域得到了成功的应
用。应当看到，与经典控制理论一样，紧缺的数学模型是现代控制理论分析、综合和设
计的基础。随着被控对象的复杂性、不确定性，以及环境的复杂性、控制任务的多目标
性和时变性，传统的基于精确数学模型的控制理论己经受到了很大的局限。自适应控制
理论也必然与智能控制理论日益融合，以适应复杂被控对象的控制要求。可以预料，自
适应控制将会更加广泛地应用到制造业和人类生活的各个方面。
C6)模糊控制[s}
在人工的经验基础上，模糊控制没有特别具体的定义。广义上认为是以模糊的语言、
理论以及推理为基础的控制方法。其具有非常明显的特点，比如:适应性好，容易被大
家所接受，能够反应人力的聪明才智，不需要数学模型等。但是，也存在一定的缺陷，
比如:处理输入量是离散的，无法进行积分，不能消除其误差。
C7)史密斯补偿控制[f9l
Smith预估控制器是在PID控制器的基础上，引入了预估反馈控制部分。史密斯预
估控制最早也是为时滞系统提出的一种解决方案，它根据实际情况预先估计出系统可能
出现的干扰，防止链路中出现大时滞现象，但它对建模参数很敏感。
C8)专家系统[ion
专家系统汇集技术专家的逻辑思维和行为，是一种具有大量专门知识和经验的、用
于解决专门领域特定问题的计算机程序系统。由于专家系统涵盖了各领域专家的丰富经
验，针对不同的被控问题，有针对性地自动选择相关控制算法，因此在实际工程应用过
程中，具有事故概率低、解决问题显著等特点。
(9)非线性控制系统
严格来讲，实际的被控对象都是非线性系统。例如机械传动系统存在摩擦、间隙、
温度变化等因素，使其具备了非线性的特性。针对一些典型的非线性系统，己形成一些
较成熟的控制理论和方法。由于非线性控制算法考虑了实际被控对象的非线性特性，使
其控制效果更加显著。然而针对非线性控制系统的控制方法也随之更加复杂。

只看该作者 · 2019-5-6 18:20

有参考代码吗？想看下

只看该作者 · 2019-5-6 18:21

具体的电路设计呢？