智能輥閘系統(tǒng)溫度影響問題處理

宋相龍，蔣書波，袁林成

(南京工業(yè)大學自動化與電氣工程學院，南京211816)

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智能輥閘系統(tǒng)溫度影響問題處理

宋相龍，蔣書波*，袁林成

(南京工業(yè)大學自動化與電氣工程學院，南京211816)

摘要:智能輥閘系統(tǒng)在環(huán)境溫度過高時，出現(xiàn)故障和無法使用情況。給出一種新解決方法，在傳統(tǒng)的輥閘設(shè)備加入分段式模糊PI溫控系統(tǒng)。通過采集電磁閥線圈溫度，計算誤差，選擇調(diào)節(jié)方式。改變帕爾貼制冷片驅(qū)動電流，實現(xiàn)溫控調(diào)節(jié)，并通過500次～6 000次實驗測試，記錄故障出現(xiàn)次數(shù)，從而驗證此方法的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞:模糊控制;溫度控制;制冷;電磁閥

輥閘系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于公共場所，如游泳健身館，車站，小區(qū)等。系統(tǒng)接受到正確的信號后，電磁閥打開，轉(zhuǎn)動閘桿，實現(xiàn)人流通道的控制。輥閘的開關(guān)采用電磁閥控制(圖1)，電磁閥將電能轉(zhuǎn)化為機械能，執(zhí)行開閘操作。轉(zhuǎn)換過程中線圈也伴隨著一部分熱量產(chǎn)生。長期使用，磁性變?nèi)?，導致無法正常工作。電磁閥磁場強度和電流關(guān)系可參考式(1)，線圈的電阻和溫度關(guān)系如式(2)。

式中:R1為線圈溫度為T時線圈電阻，Ω; R0為周圍介質(zhì)溫度為T0時線圈電阻，Ω; T0為周圍介質(zhì)溫度，℃; T為線圈溫度，℃; a為0℃時材料的電阻溫度系數(shù)，1/℃。

圖1　電磁閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)

根據(jù)式(1)和式(2)可以推導出在同一電壓下的，磁場強度和溫度變化關(guān)系，如式(3)，根據(jù)公式可以得到磁場強度和溫度變化如圖2所示。

圖2　磁場強度受溫度影響

1　硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能輥閘控制系統(tǒng)由閘機外殼，讀卡器，輥閘控制板，LED顯示屏，接近開關(guān)，電磁閥，棍桿機芯等組成。本文采用STC12C5A60S2作為微處理器，結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)框圖

1.1溫度信息采集

溫度傳感器采用美國Dallas半導體公司研發(fā)的數(shù)字化溫度傳感器，如圖4所示。傳感器采用不銹鋼外殼封裝，僅有0.15 mm的壁厚，具有很小的蓄熱量。采用金屬墊模工藝讓溫度傳感器與不銹鋼內(nèi)壁充分接觸，且用導熱性高的密封膠灌封，保證了溫度傳感器的高靈敏性，極小的溫度延遲［1］。比市場上常見的采用導熱膠的工藝的傳感器性能要好。

溫度傳感器直接固定在電磁閥線圈表面，系統(tǒng)每隔3 min讀取溫度一次。讀取一次溫度的時間大約在785 ms，不影響系統(tǒng)的正常工作。溫度采集需外接上拉電阻4.7 kΩ限流。溫度傳感器傳出信號DO，受環(huán)境影響較大，干擾頻率信號較為嚴重。為了提高溫度采集的精確度，溫度采集電路設(shè)計采用模擬濾波器，由電容、電阻、運放組成巴特沃斯帶通濾波器［2］。巴特沃斯帶通濾波器幅頻響應(yīng)在通帶中具有最平的幅度特性，缺點是從通帶到阻帶衰減較慢［3］。為了提高過渡帶要求，增加濾波器階數(shù)。將二階低通濾波器和二階高通濾波器組成四階帶通濾波器，分別將低頻和高頻干擾信號濾除，流程圖參考圖5。信號最終傳入MCU的I/O端，控制器通過軟件定時計算的方式，得到溫度值。

圖4　數(shù)字化溫度傳感器

圖5　溫度采集電路

1.2降溫處理

采用帕爾貼制冷片作為系統(tǒng)的降溫裝置，對空氣無污染［4］。珀爾帖效應(yīng)就是當電流通過熱電偶時，冷端的熱量被移到熱端，達到散熱和制冷效果，放熱或吸熱大小由電流的大小來決定［5］。為了實現(xiàn)改變電流大小，系統(tǒng)選擇改變制冷片的電壓。

帕爾貼制冷片的型號選為TEC1－12705，參數(shù)如表1所示。

表1　TEC1－12705性能參數(shù)

系統(tǒng)通過單片機改變輸出數(shù)據(jù)D，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)輸出電壓大小，從而改變制冷片供電電流，調(diào)節(jié)吸熱快慢。通過偏差大小選擇制冷片的調(diào)節(jié)方式;若選擇模糊控制，溫度偏差較小，溫度變化緩慢，出現(xiàn)故障概率小，溫度采集時間不變。若選擇PI調(diào)節(jié)，溫度變化迅速，增大輸出數(shù)據(jù)D，調(diào)高制冷強度，溫度采集時間縮小，變?yōu)?0s一次，逐漸將溫度偏差減小到較小的區(qū)域。提高了系統(tǒng)的精確、響應(yīng)。減小環(huán)境對制冷片調(diào)節(jié)的影響和系統(tǒng)調(diào)節(jié)自身產(chǎn)生的慣性、停滯。硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計參考圖6。

圖6　降溫電路設(shè)計

2　溫度PI模糊控制

傳統(tǒng)溫度控制大多采用PID控制［6］。PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容，根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。其結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，參數(shù)調(diào)整相對來說非常容易［5］。由于智能三輥閘系統(tǒng)溫度控制具有大慣性，大滯后和時變性等特點，因而傳統(tǒng)的PID不易更好的實現(xiàn)控制效果［7］。本文提出一種分段式PI模糊控制方法，可以大大提高控溫穩(wěn)定性和精確性［8］。

2.1模糊控制系統(tǒng)

控制器的表現(xiàn)形式為模糊控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的區(qū)別。模糊控制系統(tǒng)包括被控對象，模糊控制器，檢測和反饋，核心在于模糊控制器。模糊控制器包括模糊化、模糊推理、控制規(guī)則庫、反模糊化4個部分，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7　模糊控制器結(jié)構(gòu)

2.2溫度PI－模糊控制器調(diào)節(jié)設(shè)計

智能輥閘系統(tǒng)的溫度主要受外界環(huán)境的溫度和人流量兩大主要因素影響。系統(tǒng)開始時，線圈溫度主要外界環(huán)境溫度影響，溫度變化緩慢，誤差小，系統(tǒng)采用模糊控制，減小珀爾帖供電電壓值，從而減小電流，制冷緩慢。當人流量過多時，電磁閥通斷迅速，線圈溫度迅速上升，誤差變大，超出模糊控制誤差范圍，系統(tǒng)切換到PI控制，增大帕爾貼制冷片供電電壓值，從而增大電流，迅速制冷，溫度誤差變小，控制在較小區(qū)域。溫度控制如圖8所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖9所示。

圖8　控溫曲線

圖9　溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

查找電磁閥的說明書，并通過數(shù)千次實驗測試統(tǒng)計，電磁閥的溫度處在25℃為最佳溫度。參考表4溫度控制測量結(jié)果，若電磁閥的溫度上升到40℃，系統(tǒng)出現(xiàn)故障，35℃以下無故障。故選取25℃為給定的溫度值。偏差|E|在10℃以內(nèi)。0.5℃≤|E|≤5℃為模糊控制，5℃≤|E|為PI控制。為了提高精度，將細分溫度偏差E為8個部分，PB、PM、PS、PZ、NZ、NS、NM、NB，量化區(qū)定義為:

E={－5，－4，－3，－2，－1，－0，0，1，2，3，4，5} ;

溫度偏差變化率EC細分為PB、PM、PS、Z、NS、NM、NB。

EC={－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5} ;

輸出量U為:

U={－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6} ;

U的值根據(jù)Mamdani推理方法，即為兩個模糊集合的笛卡爾積求得。即

PI－模糊控溫系統(tǒng)的輸出控制增量ΔU有式(5)求得。

根據(jù)推理規(guī)則，反復測試，修改，得出模糊控制表如表2所示。

表2　模糊控制規(guī)則

程序算法是基于單片機基礎(chǔ)上執(zhí)行的，單片機細分4個存儲空間，E0，E1，E2，E3。采樣系統(tǒng)溫度，查詢控制規(guī)則表，計算調(diào)節(jié)量。選擇調(diào)節(jié)方式，驅(qū)動外接硬件電路。具體參考流程圖如圖10所示。

圖10　單片機模糊算法流程圖

3　實驗結(jié)果及分析

將兩臺相同型號的輥閘，一臺加入溫控調(diào)節(jié)，一臺未加入溫控調(diào)節(jié)，同時放在室外高溫環(huán)境下，不停的刷卡測試。未加入溫控調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表3所示，加入溫控調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表4所示。

表3　未加入溫控調(diào)節(jié)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計

表4　加入控溫調(diào)節(jié)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計　單位:次數(shù)

從表3和表4可以看出，電磁閥溫度對輥閘設(shè)備正常運行影響明顯。通過溫度調(diào)節(jié)控制，提高設(shè)備的穩(wěn)定性。將電磁閥溫度控制在35℃以下，6 000次測量無故障，滿足實際需求，同時也驗證模糊PI控制溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計的合理性。

4　結(jié)束語

經(jīng)實驗驗證，智能輥閘系統(tǒng)采用分段模糊PI控溫，對于電磁閥溫度影響設(shè)備運行問題，得到有效的解決。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，功耗低，滿足實際需求。

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宋相龍(1990－)，男，江蘇宿遷人，碩士研究生，主要研究方向為分析儀器設(shè)計，326089456@qq.com;

蔣書波(1975－)，女，江蘇南京人，副教授，主要研究方向為分析儀器設(shè)計，嵌入式系統(tǒng)等。

Design and Measurement of a VLF Low-Noise Amplifier

JIANG Yuzhong1*，CHEN Chuanke1，2，ZHANG Shuxia1，LIU Fei3
(1.College of Electronic Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China; 2.No. 92038 unit of People’s Liberation Army of China，Qingdao Shandong 266000，China; 3.No. 91919 unit of People’s Liberation Army of China，Huanggang Hubei 438000，China)

Abstract:When the VLF receiver is located in deep water，the weak communication signals are difficult to be detected，in order to solve the problem，a VLF low-nois ?plifier with excellent noise performance is designed.We first discussed some key technical points such as DC operating point selection，input impedance matching and the structure of Compound Electromagnetic Shielding by deeply analyzing the noise matching problems of amplifier，hence the noise figure of the amplifier can be lowered down greatly.A complete measurement solution and implementation steps are established for the special difficulties of the measurement of noise figure.The final test results show the noise figure is 1.71 dB，reduced by at least 1.5 dB compared with the classic amplifiers.

Key words:LNA; noise figure; noise matching; electromagnetic shielding; VLF

doi:EEACC:122010.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.011

收稿日期:2014－09－12修改日期:2014－09－24

中圖分類號:TM762

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015)04－0764－05