基于神經(jīng)元PID的溫濕度實驗箱設(shè)計與實現(xiàn)

陶興朋，王 嬋，張 錚

（湖北工業(yè)大學機械工程學院，湖北 武漢430068）

溫濕度精確控制是保證生產(chǎn)和實驗環(huán)境的一項重要內(nèi)容。常規(guī)的PID控制器只有在參數(shù)確定的情況下才能完成控制任務(wù)，一旦環(huán)境發(fā)生變化，就需要重新調(diào)整PID控制參數(shù)［1］。本文提出的基于神經(jīng)元PID的溫濕度實驗箱的設(shè)計具有自學習能力，可對PID參數(shù)進行自整定，提高了生產(chǎn)和實驗效率。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 溫濕度控制箱設(shè)計要求

根據(jù)某客戶溫濕度實驗箱的實際需求，溫濕度控制的基本功能需求如下:具有四路數(shù)字式溫濕度傳感器，分別從四個方位測量實驗箱的溫濕度值；兩路模擬式流量控制閥，一路控制干空氣流量，另一路控制濕空氣流量；四路PWM控制的半導體溫控模塊，兼具加熱和制冷兩種功能，控制實驗箱的溫度；四路電子天平進行控制和數(shù)據(jù)顯示，采用7英寸（17.8cm）電容式觸摸屏作為人機接口，實時監(jiān)控溫濕度實驗箱的數(shù)據(jù)；控制器擴展RS232接口，用于上位機監(jiān)控溫濕度實驗箱的數(shù)據(jù)；在60cm×60cm×60cm的溫濕度實驗箱中，溫濕度控制范圍和精確度指標如表1所示。

表1 溫濕度控制范圍和精度要求

1.2 溫濕度實驗箱控制系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

溫濕度實驗箱的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括:電源模塊、溫濕度采集模塊、觸摸屏人機界面、STM32最小系統(tǒng)、改進的H橋驅(qū)動電路、半導體溫度控制器、D/A轉(zhuǎn)換器、濕度控制流量器，以及擴展串口模塊（圖1）。其中電源模塊將交流220V電源分別轉(zhuǎn)換為直流24V、12V、5V、3.3V電源為各模塊供電；溫濕度采集模塊采用數(shù)字式溫濕度傳感器，其溫度測量精度為0.1℃，量程為－40℃～120℃，相對濕度的測量精度為1%，量程為0～100%，傳感器數(shù)據(jù)使用IIC總線方式進行讀取。

圖1 控制系統(tǒng)硬件框圖

STM32最小系統(tǒng)采用意法半導體的STM32F103RBT6作為主控芯片。該芯片是一款基于ARM的32位處理器，處理能力較強，能夠執(zhí)行一些復雜算法，具有20K的RAM和128KB的FLASH；改進的H橋驅(qū)動電路用來驅(qū)動半導體溫度控制器［2］16位的D/A轉(zhuǎn)換器將0～65 535的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為0～5V的模擬量電壓用來控制濕度流量控制閥的流量大小。擴展串口模塊采用MAX232芯片將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平，與PC上位機進行通信。

1.3 四路溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

對于四路溫濕度傳感器而言，若為每路溫濕度傳感器分配2個IO口，則需要占用8個IO口，布線較多，資源利用率降低，系統(tǒng)的更改和擴充比較復雜且可靠性也不高。考慮到四路溫濕度傳感器采用IIC串行總線具備多主機系統(tǒng)所需的包括總線裁決和高低速器件同步功能，只有2根雙向信號線（一根是數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時鐘線SCL），每個接到總線上的溫濕度傳感器都有唯一的地址［3］。如圖2所示，將四路溫濕度傳感器分別掛接在同一個IIC總線上，主機與溫濕度傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸可以由主機發(fā)送地址和命令到溫濕度傳感器，相應的溫濕度傳感器收到指令后立即將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到主機。此時溫濕度傳感器為發(fā)送器，主機為接收器。

圖2 四路溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊

1.4 改進H橋驅(qū)動電路設(shè)計

由于半導體溫濕度控制器的功率較大，不能直接使用STM32來驅(qū)動，可采用H橋驅(qū)動電路，然而H橋驅(qū)動電路半導體溫度控制器時，通常難以保證H橋上處于兩個同側(cè)位置的兩個三極管不會同時導通，倘若同側(cè)的兩個三極管同時導通，那么電流就會從正極穿過三極管直接回到負極，此時電路中電流會因為電路中沒有其他負載而達到最大值，甚至燒壞三極管。H橋電路所需的控制引腳較多，每個引腳單獨控制，同步性較差［4］?；谏鲜鲈?，在實際驅(qū)動電路中通常要用硬件方式方便控制三級管的開關(guān)。如圖3所示，改進的H橋驅(qū)動電路在基本的H橋電路基礎(chǔ)上增加了4個與門和2個非門。其中4個與門由同一個使能端信號“ENABLE”控制，通過使能信號就可控制整個電路的開關(guān)。而兩個非門通過提供一種方向輸入，可以保證任何時候在H橋的同側(cè)都只有1個三極管導通。采用以上方法，對半導體溫度控制器的控制只需要3個信號:ENABLE、DIR0、DIR1。若ENABLE置為1，DIR0置1，而DIR1置0，Q1、Q4導通，Q2、Q3截止，則半導體溫度控制器處于加熱模式；若ENABLE置1，DIR0置0，而DIR1置1，Q2、Q3導通，Q1、Q4截止，電流反向，半導體溫度控制器處于制冷模式，加熱和制冷的功率大小可通過PWM方式進行控制。

圖3 改進H驅(qū)動電路圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 神經(jīng)元PID溫濕度控制原理

神經(jīng)元是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單位，具有自學習能力，其結(jié)構(gòu)相對簡單而且容易實現(xiàn)。若將其與通用PID控制算法相結(jié)合，可以在一定程度上解決傳統(tǒng)PID控制器參數(shù)不易在線調(diào)整、環(huán)境適應性差等問題［5］。神經(jīng)元PID控制器控制原理如圖4所示［6］:

圖4 神經(jīng)元PID 控制原理圖

假設(shè)神經(jīng)元的3個輸入分別是:

式中，系統(tǒng)輸入與輸出的偏差e（k）＝r（k）－c（k）?？梢赃x擇線性函數(shù)作為輸出節(jié)點的激勵函數(shù):y（k）＝K0u（k），單神經(jīng)元輸入節(jié)點的輸入與輸出關(guān)系為

其中:K為比例系數(shù)，Wi（k）為連接權(quán)系數(shù)，而增量式PID控制器的算式為

對比式（1）和式（2），采用待定系數(shù)法可得PID控制器參數(shù)

神經(jīng)元的權(quán)系數(shù)可以通過自學習進行自適應調(diào)整。為有效發(fā)揮神經(jīng)元的自學習能力，采用移動的學習算法對權(quán)值進行學習。首先引入性能指標函數(shù)Z，Z是輸出誤差的平方，即

使權(quán)系數(shù)Wi（k）的修正方向與Z減小的方向相同，即對Wi（k）沿著負梯度方向搜索，并選擇ηi（0＜ηi＜1）作為學習速率，則有

從式（4）中可見該算法的運行效果與可調(diào)參數(shù)K和學習速率η1、η2、η3等的選取有很大關(guān)系。在實際應用中，主要通過改變K的值來提高響應速度:當誤差較大且大于零時，增大K以提高動態(tài)行程；當誤差小于0時，應減少K以抑制超調(diào)。

2.2 下位機軟件設(shè)計

2.2.1 μC/OS-II操作系統(tǒng)的運行流程 考慮到溫濕度控制系統(tǒng)需要執(zhí)行溫度采集與控制、濕度采集與控制、神經(jīng)元PID控制算法、觸摸屏的顯示和控制、串口通信等多個任務(wù)，若采用非操作系統(tǒng)的方式開發(fā)程序則實時性難以保證，可靠性不高而且代碼的移植性較差，可使用μC/OS-II統(tǒng)來解決上述問題。μC/OS-II是一個微型的、可移植、固化、剪裁的搶先式實時系統(tǒng)，支持多任務(wù)管理［7］，μC/OS-II操作系統(tǒng)運行流程如圖5所示。

圖5 μC/OS-II操作系統(tǒng)運行流程圖

μC/OS-II操作系統(tǒng)運行流程如下。啟動操作系統(tǒng)后首先進行系統(tǒng)全局變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初始化，然后開始創(chuàng)建用戶任務(wù)（包括創(chuàng)建任務(wù)堆棧并指定任務(wù)的優(yōu)先級），接著就是啟動μC/OS-II多任務(wù)管理，執(zhí)行優(yōu)先級較高的任務(wù)。最高優(yōu)先級任務(wù)執(zhí)行完畢后，開始執(zhí)行下一個用戶任務(wù)；任務(wù)執(zhí)行過程中，產(chǎn)生高優(yōu)先級的任務(wù)中斷，系統(tǒng)將執(zhí)行高優(yōu)先級的中斷任務(wù)。

2.2.2 神經(jīng)元PID溫濕度控制流程 神經(jīng)元PID溫濕度控制流程如下:系統(tǒng)初始化之后通過IIC總線方式采集四路溫濕度傳感器數(shù)據(jù)，并通過用戶指令決定是否進行PID參數(shù)自整定；若需要進行參數(shù)自整定，則通過神經(jīng)元PID控制算法的自學習功能，使權(quán)值在過程中不斷學習，達到優(yōu)化控制的目的；整定完成后將整定的參數(shù)進行存儲并輸出，然后進行溫濕度控制模式，當測量的溫度值超出設(shè)定的溫度值范圍時，啟動神經(jīng)元PID溫度控制算法，并輸出PWM控制量完成對溫度的控制；同理，當測量的濕度超出設(shè)定的范圍時，啟動相應的神經(jīng)元PID控制算法，并輸出控制數(shù)字量；最后通過A/D轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量控制干濕空氣流量從而完成濕度控制。神經(jīng)元PID控制流程如圖6所示。

圖6 神經(jīng)元PID溫濕度控制流程圖

2.3 觸摸屏人機界面設(shè)計

采用Kinco公司的ET070型觸摸屏，其顯示屏為7英寸，通過RS232串口與STM32最小系統(tǒng)進行通訊。下位機將采集的四路溫濕度傳感器數(shù)據(jù)和四路電子天平數(shù)據(jù)發(fā)送給觸摸屏，觸摸屏對收到的數(shù)據(jù)進行處理顯示。如圖7a所示，界面軟件系統(tǒng)對四路溫濕度分別求其平均值，并顯示在編輯框中。為了幫助用戶對采集的數(shù)據(jù)進監(jiān)控和分析，顯示界面分別添加了溫濕度監(jiān)測的棒狀圖和趨勢圖，以及對溫濕度進行設(shè)定的輸入框。如圖7b所示的稱重界面，分別添加4個天平的顯示框和趨勢圖，方便用戶對四路天平稱重數(shù)據(jù)的變化趨勢進行監(jiān)測，同時還可通過清零、去皮、稱重、退出等按鈕發(fā)送相應的指令對電子天平進行控制。

圖7 監(jiān)控界面

3 實驗測試與分析

為了充分驗證本溫濕度控制系統(tǒng)的準確性和可靠性，通過觸摸屏界面分別將溫度目標值從0℃～50℃范圍遞增，遞增步長設(shè)置為5℃，相對濕度目標值從0～100%范圍遞增，遞增步長設(shè)置為10%，設(shè)置間隔為5min，并記錄結(jié)果得出一組數(shù)據(jù)。該實驗重復10次，取平均值，得到數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

表2 實驗箱溫度控制數(shù)據(jù)表

表3 實驗箱濕度控制數(shù)據(jù)表

從表2中可以看出當溫度范圍為10℃－30℃時，超調(diào)量小于0.3℃，穩(wěn)態(tài)精度不超過0.3℃，且較為穩(wěn)定，調(diào)節(jié)時間少于2min。當溫度范圍為0℃～10℃、30℃～50℃時，超調(diào)量低于0.4℃；調(diào)節(jié)時間最大為3.1min，滿足控制要求；同理，由表3可知，當相對濕度范圍為25%～75%時，超調(diào)量低于6%，穩(wěn)態(tài)精度不超過3%，調(diào)節(jié)時間最大為3.5min，當相對濕度范圍為0～25%、75%～100%時，超調(diào)量最大為13%，穩(wěn)態(tài)精度低于5%，調(diào)節(jié)時間縮短為2.5min以內(nèi)，也滿足控制要求。可見當溫度處于0～10℃、30℃～50℃范圍內(nèi)或相對濕度為0～25%、75%～100%時，超調(diào)量有所增加，穩(wěn)態(tài)精度變大，超調(diào)時間也延長了，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，其主要原因在于實驗箱并非完全封閉的結(jié)構(gòu)，當實驗箱中溫濕度偏高或偏低，與環(huán)境溫濕度相差較大時，易受到外部的干擾，所以出現(xiàn)了較大的超調(diào)和穩(wěn)態(tài)誤差，以及較長的調(diào)整時間。

4 結(jié)束語

基于神經(jīng)元PID溫濕度實驗箱的設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件設(shè)計選用32位的STM32作為主控芯片，可充分利用其硬件資源；四路溫濕度傳感器采用IIC總線進行通信，大大節(jié)省了IO口的數(shù)量和布線數(shù)量；溫度控制部分在原有的H橋驅(qū)動電路基礎(chǔ)上改進提高了驅(qū)動的穩(wěn)定性和同步性。軟件設(shè)計部分移植了μC/OS-II操作系統(tǒng)，方便對多任務(wù)進行管理，提高了應用程序的執(zhí)行效率和可移植性，控制部分采用神經(jīng)元的PID控制算法，該算法具有自學習能力，能夠根據(jù)實驗狀態(tài)進行PID參數(shù)自整定，獲得最佳的PID控制參數(shù)，為了方便用戶對溫濕度控制進行實時監(jiān)控，設(shè)計了觸摸屏人機交互界面。最后對整個溫濕度實驗箱進行了測試與分析，測試結(jié)果表明該控制系統(tǒng)滿足應用要求。

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