自適應PID在門窗兩性檢測設備中的應用

單　波，王雪萍，王洪濤，劉會華，李曉靜

(1.中國建筑科學研究院，北京 100013；2.國家新聞出版廣電總局二八一臺，云南 昆明 650000)

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自適應PID在門窗兩性檢測設備中的應用

單波1，王雪萍1，王洪濤1，劉會華1，李曉靜2

(1.中國建筑科學研究院，北京 100013；2.國家新聞出版廣電總局二八一臺，云南 昆明 650000)

門窗現場氣密性能與水密性能檢測系統是一個復雜的閉環控制系統，其精確的數學模型的建立目前還無法實現。用常規的PID算法實現靜壓箱體壓力的控制，穩定性較差，抗干擾能力不強，有抖動現象，很難達到較為理想的控制效果。針對這些問題，在VC++開發環境下設計了一套應用自適應PID算法控制箱體壓力的測控軟件，應用自適應PID控制技術，針對不同工況，通過自整定的PID參數控制執行機構，實現了較優的控制效果。

自適應PID；ActiveX控件；VC++；門窗檢測；模糊控制

引用格式：單波，王雪萍，王洪濤，等. 自適應PID在門窗兩性檢測設備中的應用[J].微型機與應用，2016,35(16)：6-8，12.

0　引言

參考多個檢測單位在門窗現場氣密性能與水密性能檢測設備使用過程中總結的經驗以及需要改進的地方，設計了以嵌入Modbus-RTU協議無線通信功能的平板電腦作為上位機，以單片機為下位機的核心控制器進行數據采集與處理的新系統。本系統將模糊自適應PID算法運用到門窗現場檢測過程壓力控制中，克服了傳統的控制算法中存在的不穩定性和抖動現象。近年來智能控制算法發展迅速，并且不斷地應用到工業控制領域。用智能PID控制算法控制門窗兩性檢測過程中箱體壓力，解決壓力閉環控制中的技術難點，有望達到較為理想的控制效果。

1　檢測系統設計

1.1系統工作原理

門窗現場氣密性能[1-3]和水密性能[1-2,4]檢測設備是在現場利用密封板、圍護結構和外窗形成靜壓箱體。通過供風系統對靜壓箱抽風和吹風，使得檢測對象兩側產生符合國家檢測標準規定的壓力差。從箱體引出測量孔，用壓差傳感器測量壓力差，在通風管路上安裝風速傳感器間接測量空氣滲透量，在外窗外側布置適量噴嘴進行水密試驗。模擬自然條件，通過檢測門窗的空氣滲透量和是否漏水最終判斷門窗的氣密性能和水密性能是否符合國家安全標準。其中檢測現場檢測設備安裝示意圖如圖1所示。

圖1　檢測設備安裝示意圖

按照檢測標準要求給出設定值壓力曲線，由壓差傳感器測量反饋實時壓力信號；設定壓力與實測壓力進行比較，得出偏差信號與偏差的微分信號，作為自適應PID[5]控制器的輸入信號，經自適應PID運算后，其輸出信號用來調節執行結構即智能晶閘管調壓模塊，調節風機轉速，達到調節靜壓箱體壓力的目的。

1.2系統構成及其功能

檢測系統由上位機和下位機兩部分構成，包括下位機溫度、壓力、差壓和風速的檢測系統與信號發射裝置，以及上位機智能控制系統和信號處理系統。下位機主要包括數據采集模塊、無線收發模塊、各種傳感器和執行機構等，上位機是一臺嵌入了無線收發模塊的平板電腦，內置系統智能測控軟件。下位機包括以單片機為核心的數據采集模塊(讀取溫度傳感器)、大氣壓力傳感器、差壓傳感器和風速傳感器，實時檢測數據信息，并通過無線收發模塊將采集的數據信息發送到上位機。上位機經過數據處理與分析給出控制信號，通過無線收發模塊發送給下位機控制執行結構。模擬靜壓箱體壓力控制的性能優劣是門窗氣密性能與水密性能檢測是否精確的關鍵因素。

系統總體結構圖如圖2所示。

圖2　檢測系統總體結構圖

本系統由數據采集模塊讀取差壓傳感器感知的實時差壓信號，通過無線收發模塊將實時差壓信號發送給上位機平板電腦，由差壓的設定曲線與實測差壓值，在平板電腦中通過模糊自適應PID算法，計算得出控制量，通過晶閘管調壓模塊，調節風機轉速，達到控制靜壓箱體壓力的目的。

上位機測控軟件采用模塊化的設計思想，將系統按功能分類，主要由檢測條件設定、氣密檢測、水密檢測、綜合評定、用戶管理和傳感器標定等主要窗口構成，每個窗口作為一個對話框，在基于FORM-VIEW的單文檔應用程序中被調用。下位機主控芯片數據采集與處理模塊的軟件開發環境是Keil uVision4，采用C語言編程，主要包括初始化程序、主程序、數據采集與處理程序、Modbus協議通信程序等。上位機與下位機之間的通信采用Modbus-RTU協議，通過RS485無線數據透傳模塊進行無線通信。

2　自適應PID控制算法實現

2.1自適應PID算法分析

門窗兩性現場檢查設備中，構成靜壓箱的密封板、圍護結構和外窗等裝置的密封性能、環境溫度和大氣壓力以及實時的控制參數和設定參數等都對壓力的控制系統有很大影響，而這些因素是時變的、動態的，存在很大的不確定性，用傳統的PID控制算法，調節時間過長，超調量過大，控制效果不太理想。然而智能PID控制算法是解決這一問題的有效辦法，將操作人員的經驗信息存入知識庫，根據控制系統現場實際響應情況運行模糊推理，即可實現對PID參數的最佳整定[6]。

模糊自適應PID控制器是根據不同時刻的偏差和偏差變化率信號，應用模糊推理原理，實時調整PID參數，從而達到PID參數的自整定[7]。其中模糊自適應PID控制器的結構原理圖如圖3所示。該模糊自適應PID控制器的模糊算法部分擁有三個輸出變量以及兩個輸入變量。控制器通過對設定值與反饋值的比較，得出系統的壓力偏差以及偏差的變化率，將量化后的偏差和偏差變化率進行模糊化，然后進行模糊推理，最后通過解模糊實現對PID的比例系數kp、積分系數ki和微分系數kd三個參數的自整定，保證了對于不同的偏差以及偏差變化率，控制系統都具有最好的靜態性能以及動態性能。

圖3　模糊自適應控制器結構圖

2.2自適應PID(ActiveX)控件的設計

門窗兩性檢測設備的測控軟件是在VC++環境下開發的，為了方便在VC++環境中應用自適應PID算法，將自適應PID算法做成ActiveX控件。VC++提供了兩種制作ActiveX控件的方法，一種是通過ATL COM AppWizard向導編寫ActiveX控件，生成DLL文件。另一種是通過MFC ActiveX Control Wizard向導編寫ActiveX控件，生成OCX控件[8]。MFC是創建ActiveX 控件的強大工具, 可以快捷地創建ActiveX控件, 可以創建控件的方法、屬性、事件和異步屬性及剪貼板支持等高級選項。

本門窗兩性測控軟件選用后一種方法，通過MFC向導制作自適應PID控件。通過MFC ActiveX Control Wizard 生成工程框架(工程名為Pid)，VC++會自動生成三個類：CPidApp，CPidCtrl，CPidPropPage。在CPidPropPage屬性對話框類中實現屬性頁和控件屬性的關聯[9]。在CPidCtrl類中編寫自適應PID控制算法。

首先對采樣值即偏差e和偏差變化率de通過量化因子將其量化為模糊輸入，即模糊化處理；其次按照模糊控制規則表進行模糊推理，從而得出模糊控制器的模糊輸出值；然后采用加權平均法進行去模糊化處理，得到精確的控制量輸出，經過適當的處理轉換為可以作用于控制器的控制量輸出信號。

在本測控系統中數據采集模塊模擬量第三輸入通道0～5 V的電壓信號對應的數字量是0～10 000，對應差壓傳感器壓力-5 000 Pa～5 000 Pa，正壓差和負壓差是由切換進風口實現的，即對靜壓箱吹風與抽風來實現。數字量0～5 000對應差壓-5 000～0 Pa，數字量5 000～10 000對應差壓0～5 000 Pa，所有在編寫自適應PID算法時，都要區分是正壓差還是負壓差。其自適應PID控制算法的流程圖如圖4所示。

圖4　自適應PID算法流程圖

2.3自適應PID算法在系統中的實現

將自適應PID算法做成ActiveX控件，注冊成功后，在VC++軟件開發過程中直接調用[10]。在門窗氣密性能與水密性能檢測試驗壓力控制過程中，PID控件的入口參數有設定壓力值、實測壓力值、輸出控制量上限值、輸出控制量下限值、周期五個參數，出口參數有控制量一個參數。為了防止控制輸出量超過實際執行機構工作范圍和安全范圍，對PID運算輸出信號進行上下限設置。在調用PID控件時，首先在控件屬性頁中設置相關屬性。按照標準要求給出設定壓力曲線，由差壓傳感器實測得到實時壓力曲線，由實時與設定壓力信號的偏差與偏差的變化率求得根據實際工況條件自整定的PID參數，將參數自適應的PID算法運算輸出信號作為晶閘管的控制信號，通過對風機轉速的控制，達到對通入箱體風量的控制，進而實現對箱體壓力的控制。

3　系統運行與結果分析

在檢測現場用密封板、零配件和建筑外窗圍成密閉空間，安裝好供壓系統和數據采集系統等，打開平板電腦中的測控軟件，按照國家標準規定的檢測流程進行檢測實驗。系統運行調試效果圖如圖5所示。

圖5　系統運行調試效果圖

圖5中，左邊為自適應PID算法控制的設定壓力曲線與實測壓力曲線，右邊為常規PID算法控制的設定壓力曲線與實測壓力曲線。從圖5中可以看出，自適應PID算法控制效果優于常規PID算法控制效果，自適應PID算法控制壓力超調小，壓力調節快速、穩定。

4　結論

本文將自適應PID算法運用到門窗現場兩性檢測設備的壓力控制中，克服了傳統的控制算法中存在的不穩定性和抖動現象，提高了壓力控制的快速性和穩定性，并且確保了系統的控制精度。利用VC++軟件的MFC ActiveX Control Wizard向導將自適應PID控制算法生成pid.ocx控件，方便了在VC++環境下或其他組態軟件中開發測控軟件時自適應PID算法的靈活應用。該算法對智能控制算法在工業控制領域的靈活應用有很重要的現實意義和理論意義。

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The application of the adaptive PID in the doors and windows testing equipment

Shan Bo1，Wang Xueping1，Wang Hongtao1，Liu Huihua1， Li Xiaojing2

(1. China Academy of Building Research,Beijing 100013, China； 2. 281 Monitoring Station,State Administration of Press,Publication,Radio, Film and Television, Kunming 650000, China)

The detection system of the air tightness and water tightness performance of windows and doors is a complex closed-loop control system. Its precise mathematical model is still not achieved. The conventional PID algorithm is used to control static pressure box, but it has poor stability and anti disturbance ability, also with dithering phenomenon. So, it is difficult to achieve the ideal effect. In order to solve these problems, we designed a set of adaptive PID algorithm to control the pressure of the box in the VC++ development environment. For different working conditions, through the use of the adaptive PID control technology and self-tuning PID parameter control actuator, we achieve a more optimized control.

adaptive PID;ActiveX controls;VC++;the detection of doors and windows;fuzzy control

TP273

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.16.001

2016-03-29)

單波(1979-)，男，本科，工程師，主要研究方向：建筑節能類檢測設備的開發應用及測控研究。

王雪萍(1986-)，通信作者，女，碩士，助理級工程師，主要研究方向：復雜過程的優化控制的研究以及測控軟件的編寫。E-mail：409562860@qq.com。