基于模糊PID控制的電氣設備溫度控制系統設計與實現

于 靜，戴 豪

(北京爍科精微電子裝備有限公司，北京 100176)

為避免電氣設備在運行中受到外界環境的干擾，通常會將電氣設備內置在結構組件柜內，通過這種方式可避免電氣設備運行受外界惡劣環境干擾。減少外界環境對電氣設備的干預后，集成在組件柜內的電氣設備在運行中會存在溫度變化不穩定的現象，這種現象會加劇設備安全隱患[1]。為避免環境溫度過高對設備安全造成影響，本文介紹了一種基于模糊PID控制技術開發的可用于電氣設備的溫度控制系統。盡管國內嘗試利用模糊PID控制技術對電氣設備進行溫度控制起步很早，對電氣設備進行散熱處理，降低電氣設備溫度急劇上升所帶來的潛在風險；但由于早期研究投入不足或研究層次深度不夠，導致早期開發的系統一直未能正式被投入市場應用，在實際應用中仍存在功能與性能方面的短板與不足。為此，本文從硬件與軟件兩個方面，介紹了這種溫度控制系統。為電氣設備的安全、穩定運行提供一種相對適宜的環境，保證位于組件柜中的電氣設備溫度處于可調狀態，實現對電氣設備管理的智能化與自動化。

1 硬件設計

為確保開發的系統可以在實際應用中能夠起到良好的溫度控制效果，應在設計系統軟件功能前，對系統的硬件結構進行全面地規劃與部署[2]。根據電氣設備運行需求，設計系統硬件結構如圖1所示。

圖1 系統硬件結構

該系統屬于三層架構系統，系統共由采集層、處理層與存儲層構成，采集層由數據采集器作為支撐，在采集終端建立與環境中溫度傳感器、濕度傳感器之間的通信，使用采集器主動獲取傳感器感知的數據。處理層由處理器支撐，由A/D轉換器、核心處理器與PID控制器協同構成一個控制循環，保證電氣設備溫度控制過程的動態化。存儲層由存儲器支撐，獲取的信息將通過上機位被導入存儲終端，根據溫度數據的標準化存儲格式，在終端進行數據的規范化存儲。以傳感器、PID控制器為例，對硬件結構展開詳細設計。

1.1 傳感器選型

首先針對傳感器進行選型設計說明，考慮到電氣設備溫度參數在獲取時會受到周圍環境干擾因素的影響，因此選擇具備高精度的SHT21-46980型號溫度傳感器，該溫度傳感器的基本性能指標如表1所示。

表1 SHT21-46980型號溫度傳感器性能指標記錄表

利用表1中各項性能指標的SHT21-46980型號溫度傳感器對電氣設備在運行過程中的溫度參數進行采集，該型號傳感器具備較高的采集精度，因此能夠進一步保持后續控制系統的控制精度[3]。除此之外，SHT21-46980型號溫度傳感器在傳統溫度傳感器的基礎上具備更寬的電源電壓范圍以及更高的精度，可實現該傳感器在控制系統當中更靈活運用。在實際運行中，SHT21-46980型號溫度傳感器的功耗更低，并且能夠實現在1.0 ms內的上電和測量，可靠性更強，且能夠保持長期穩定。將該型號溫度傳感器應用到該控制系統當中能夠為后續控制最優量的選擇提供可靠的依據。

1.2 PID控制器選型

在完成對溫度傳感器的選擇后，再對系統當中的控制裝置進行選擇。選用OM49-680型號控制器，為實現對模糊PID控制技術的合理應用，在控制器當中引入PID控制芯片。OM49-680型號控制器的規格為60.0 mm×40.0 mm×25.0 mm，該型號控制器可提供1/8或1/4兩種DIN面板尺寸，具備極高的運行穩定性。通過PID和開/關實現對電氣設備的控制，從而滿足電氣設備的應用需要。同時，由于在OM49-680型號控制器當中應用了PID控制芯片，因此具備了自適應調整算法優化控制性能。控制器當中包含了20.0個設定點程序，16.0個斜坡停留段以及8.0個事件輸出，將控制器與PLC、監控以及數據及記錄等系統模塊進行連接，能夠在控制的同時可以實現對電氣設備運行效果的實時監測。

2 軟件設計

2.1 建立電氣設備溫度模糊PID控制目標函數

為實現對電氣設備溫度的精準控制，應在硬件設備的支撐下，建立針對電氣設備的模糊PID控制目標函數。開發的控制系統為三角隸屬度函數，在控制時，通過對頂點作為位置的確定，進行函數形狀的形狀[4]。考慮到針對函數隸屬子集的待優化參數較多，因此，為避免計算量過大，需要在控制時，設定一個約束函數，使用此函數對控制目標進行約束，計算公式為：

式(1)中，Ft表示為控制目標約束函數；e(t)表示為函數在約束中的適應度。將控制中的溫度輸出值與期望值的最小差值作為控制目標，以此建立控制目標函數。計算公式為：

式(2)中，fmin表示為控制中的溫度輸出值與期望值的最小差值。設定目標，以此種方式完成對目標函數的構建。

2.2 基于溫度輸入子集模糊化的電氣設備溫度控制程序

在控制前端進行輸入溫度子集的模糊化處理，可以假設輸入子集的溫度基本閾值為[-a，+a]，量化閾值的偏差閾為m，此時基本閾值與量化閾值之間存在一定的差異，此種差異會導致系統在進行溫度控制時存在偏差[5]。為降低基本閾值與量化閾值之間的偏差，實現對溫度控制的精準性，可在完成系統設計后，采用最大隸屬度函數，對控制量進行模糊化，使控制量成為一個具體定制，對此過程進行描述，計算公式為：

公式(3)中，Vkp表示為溫度輸入子集的模糊化處理；NB表示為最大隸屬度決策值；PB表示為模糊控制量；λi表示為第i個節點的控制值。按照上述計算公式，可以實現對模糊控制量的具體化。在計算時，輸出具體控制量，對控制量不斷進行偏差變化率檢測，將偏差變化率控制在可控范圍內或設定閾值范圍內后，按照計算結果，進行電氣設備的溫度調節。為了準確地實現給定的位置指令，對輸入數據進行位置閉環控制，其控制計算公式為：

式(4)中，S表示電氣設備的位置轉速閉環給定量，MD表示電氣設備的位置閉環控制系數，ηq表示CPU發送的給定位置量，ηw表示電氣設備的給定位置的反饋量，MDi表示積分系數，ηz表示電氣設備的給定位置誤差量。采用P控制法對轉速環進行控制，轉速環控制計算公式為：

式(5)中，xj表示給定的制造設備的電流環控制量，MS表示增益系數。通過對CPU給定量的位置環、速度環、電流環的控制，使電氣設備溫度控制系統能夠對發出的指令進行快速響應，并且能夠實現溫度控制。控制程序如圖2所示。

按照圖2所示流程，即可完成實現對電氣設備溫度的精準控制。

圖2 系統溫度控制程序

3 對比實驗

為實現對所開發系統有效性的檢驗，選擇某電氣單位作為此次實驗的參與對象。通過與實驗參與單位管理人員的集中交涉發現，該企業中的電氣設備均集成在組件柜中使用，通過此種方式，避免電氣設備受到外界惡劣運行環境的影響。但在與企業工作人員的交流中發現，該企業去年由于電氣設備在組件柜內溫度異常導致的事故已經嚴重影響到了企業收益。因此，以集成在組件柜中的電氣設備為例，對設計的溫控系統可行性展開評估設計。

實驗前，先將設計的溫控系統集成在組件柜中的電氣設備上，根據實驗需求，合理布置溫度傳感器、PID控制器、存儲器、A/D轉換器等硬件設備的位置。在此基礎上，對系統進行軟件程序調試，確保溫度傳感器與控制系統可以保持通信連接后，建立電氣設備溫度模糊PID控制目標函數，輸入電氣設備在運行中的最高溫度與最低溫度，將其作為控制的上限與下限，在此基礎上，設計電氣設備溫度最優控制量。通過對溫度輸入子集的模糊化處理，傳輸電氣設備控制程序，根據程序的合理化設計，實現對電氣設備在溫度控制中的溫度調控。

為確保實驗結果具有一定的對比性，選擇基于RBF神經網絡的溫度控制系統作為傳統系統。按照相同的方式，將該系統部署在組件柜的通信終端，通過此種方式，建立系統與監控終端之間的通信連接。完成上述設計后，使用RBF神經網絡進行溫度數據的迭代處理，在迭代處理中定位最優溫度值，將最優溫度作為控制溫度，以此種方式，實現對溫度的調控。

將兩個系統按照規范安裝在兩個相同配置的組件柜中，開啟電氣設備后，開始使用安裝在組件柜中溫度傳感器進行設備溫度信息的獲取與傳輸，截取從電氣設備開始運行到其內部溫度穩定的時段，將電氣設備溫度變化繪制成平滑曲線圖，如圖3所示。

圖3 新系統與傳統系統溫度控制效果

從圖3可以看出，在12:00時刻開啟電氣設備，開始對其運行進行監控，新系統在12:01便實現了將電氣設備溫度控制在溫度上限與溫度下限范圍內，傳統系統在12:02實現了將電氣設備溫度控制在指定范圍內。根據監控時段內溫度的變化趨勢可以看出，在控制過程，新系統可以實現將電氣設備的溫度控制在標準范圍內，且控制過程中沒有出現溫度超出界限的問題，而傳統的控制系統在進行溫度控制時，無法實現此項設計，即在控制中出現溫度超界限的問題。綜上所述，在完成上述對比實驗后，得出下述實驗結論：相比基于RBF神經網絡的溫度控制系統，基于模糊PID控制技術新系統，可以實現在縮短控制時間的基礎上，保證電氣設備溫度一直在預設范圍內。

4 結束語

電子裝備行業是支撐國內經濟穩步增長的重點行業之一。隨著現代化技術與智能化技術的引入，電子裝備行業的發展呈現一種全新的趨勢。為助力電子裝備行業的發展，從建立電氣設備溫度模糊PID控制目標函數、基于溫度輸入子集模糊化的電氣設備溫度控制程序2個方面，開展了控制系統的設計研究。對比實驗結果表明，新系統在實際應用中具有更好的控制效果。