微波加热沥青路面再生修复机温度模糊自适应整定PID控制

1、第3卷第2期2005年4月中 国 工 程 机 械 学 报CH INESE JOURNAL OF CON ST RU CT ION MACH INERY Vol. 3No. 2 Aqr. 2005微波加热沥青路面再生修复机温度模糊自适应整定PID 控制张 巍, 李自光, 魏先勋, 胡忠录(长沙理工大学汽车与机电学院, 湖南长沙 410076摘要:针对沥青路面修复机控制系统, 应用模糊控制理论与传统PID 控制的原理, 设计了一种基于单片机的模糊自适应PI D 温度控制器. 根据沥青路面修复要求实现的功能建立了温度控制系统的近似数学模型, 对系统先后进行各种控制仿真, 通过仿真发现, 系统中模糊整

2、定P ID 控制算法的动态性能比PI, PID 和可积分分离的PID 控制的性能要好, 且具有较强的抗干扰能力, 为复杂系统建模提供了一个有效途径. 关键词:微波加热器; 沥青路面修复机; 温度控制器; 模糊-比例-积分-微分; 单片机中图分类号:U 415. 526Temperature controller of microwave heating asphaltpavem ent regenerate repairer based FPIDZHAN G Wei, LI Zi guang , WEI X ian x un, H U Zhong lu(Department of Automo

3、bile and Mechanic Engineering, Changsha University of Science &Technology, Changsha 410076, ChinaAbstract :This thesis, adopting fuzzy control theory and the principle of traditional PID control, has designed a kind of fuzzy PID(FPID self adapting autom atically temperature controller based on M

4、 CU. An approx im a tive mathem atical model of the temperature controlling system has been constituted and simulated w ith variouscontrolling strategy, according to the demanded function of the running m icrow ave heating asphalt pavement regenerate repairer. From the result of simulation, it sugge

5、sts that FPID controller, which is of superior anti jamming capability, overmatches ordinary PI controller, traditional PID controller and integration separation PID controller in dynamic characteristic. Consequently, this simulation of model offers a kind of valid method for the constitution of com

6、plicated system.Key words :m icrow ave heater; asphalt pavement regenerate repairer; tem perature controller; FPID; M CU 随着我国加强基础设施的建设, 公路建设事业得到了迅猛的发展, 现代交通对公路质量提出了更高的要求, 从刚性的水泥混凝土路面发展到了柔性的沥青混凝土路面, 由此, 路面的车适应性能也得到了极大的提高, 如噪声小, 具有柔性, 维修方便等优点. 但在发展的过程中, 也遇到了一些问题. 一个主要的问题是公路路面尤其是沥青路面的早期损坏. 我国修建的公路80%是沥

7、青路面. 随着交通流量、重载车辆的不断增长, 由普通沥青混合料铺筑的沥青路面普遍地出现了车辙、裂缝、剥落等病害, 严重地影响了公路的营运效率和行车安全. 如何又快又好地修复沥青混凝土路面, 减少交通堵塞或中断交通, 对于整个国民经济的稳步发展具有重要意义.21作者简介:张 巍(1974- , 男, 湖南常德人, 讲师, 博士生.第2期张 巍, 等:微波加热沥青路面再生修复机温度模糊自适应整定PID 控制1971 微波加热沥青混凝土的实验研究研究小组利用现有条件对室内室外的路面模型进行了多次的微波加热实验. 从目前得到的结果来看, 效果基本令人满意.在8min 内, 使8cm 厚的沥青混凝土板块

8、的温度升至120多度. 与普通的加热方式不同, 经过微波加热后的路面, 在一定的范围内, 深层的温度反而要比表面的温度高, 反映了一定程度的温度不均匀性. 但比较而言, 这种不均匀性是可以让人接受的, 首先它一般不会导致沥青料的烧焦和氧化, 其次这种不均匀可以方便地通过增加辅助的表面加热手段来解决.图1是某次室内试验的测点分布图. 而表1给出了部分温图1 测点分布(单位:mmFig. 1 Distribution of survey point(unit:mm 度记录实验数据.表1 距离沥青混凝土路表面80mm 深处各点处的平均温度Tab. 1 Mean temperature of surv

9、ey points at 80mm position under asphalt pavem ent加热时间/min0578各点的平均温度/A 30. 090. 4115. 1126. 0B 30. 095. 6119. 8134. 8C 30. 099. 3127. 8135. 4D 30. 096. 0122. 1134. 8E 30. 090. 4113. 8122. 0F 30. 091. 3114. 8124. 8G 30. 094. 8122. 6135. 4H 30. 099. 0129. 8138. 8I 30. 095. 8121. 8132. 0J 30. 090. 4K

10、30. 090. 6L 30. 093. 3M 30. 092. 0117. 1113. 8118. 8119. 1128. 8125. 4124. 8128. 02 微波加热沥青混凝土的建模与仿真沥青路面的再生就是将旧沥青路面经过加热、翻挖、破碎后与再生剂、新沥青材料及集料按一定的比例重新拌和成能满足路用性能的一套工艺. 微波加热沥青路面再生修复机采用微波加热技术, 改进了传统的红外线加热工艺, 具有快速、高效、节能等特点, 还可以防止沥青路高温加热时表面焦化. 微波加热的基本原理是通过被加热物体内部的辐射微波电磁场, 高频电磁作用推动分子运动, 分子之间相互碰撞及相互磨擦从而产生热量. 由

11、于电磁波型多为模式自适应整定PID 控制对温度进行控制. 2. 1 沥青路面再生修复机的加热实现过程在沥青路面再生修复机中, 其加热装置采用工业微波炉, 目前我国用于工业加热的微波频率为2450MH z, 微波发生装置为连续波磁控管, 磁控管的数目可根据实际加热路面的面积进行确定. 在磁场固定的情况下, 由于磁控管的输出与所供电压为单调递增关系, 因此, 可以通过控制调节磁控管的端电压来调节电磁能, 从而达到控制温度的目的. 单根磁控管的电气原理图如图2所示.2. 2 温度的模糊自适应整定PID 控制自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数, 实时改变其控制策略, 使控制系统品质指标保持

12、在最佳允许范围之内. 在实际生产中现在大多以PID 算法, 其中,图2 沥青路面再生修复机磁控管电气图Fig. 2 Electric chart of repairer34, 整个加热系统难以建立精确的数学模型, 为此采用模糊PID 对参数的整定多数以对象的特征为基础. 随着计算机的发展, 人们将操作人员的经验作为学习样本存入计算机, 应用人工智能的方法自动调整PID 参数, 称之为智能PID 控制器5, 6. 由于操作者的经验很难198中 国 工 程 机 械 学 报第3卷应用模糊数学的基本原理, 把规则的条件和操作做为模糊集, 并把这些模糊控制规则及有关的信息做为知识存入到计算机知识库中,

13、然后根据实际响应的情况进行模糊推理, 即可实现自动对PID 参数的最佳调整, 这就是模糊自适应PID 控制7(如图3. 自适应模糊PID 控制器以误差e 和误差变化e c 作为输入, 可以满足不同时刻的e 和e c 对PID 参数自整定的要求, 模糊控制可根据模糊集对比例系数k p , 积分系数k i , 微分系数k d 进行在线修改调整, 使e 和e c 控制在要求的范围以内8. 2. 2. 1 PID 调节器控制系统在连续系统中PID 器输入与输出之间的关系式为u (t =k pT d d e(t 1te(t +e(t d t +(1T i 0d t式中:e(t =r (t -y (t ,

14、 其中r (t 为目标信号, y (t 为实测信号; k p 为比例系数; T i 为积分时间常数; T d 为微分时间常数.图3 自适应模糊控制器结构Fig. 3 C onstruction of self adaptive fuzzy controller设定取样周期为T , 由于取样跃变时间很短, 可以将d t 近似地取为T , 积分则以和的形式表述, 以便简化计算, 于是可将式(1 改写为u(t =k p e(t +则其增量式为u (t =u (t -u(t -1 =k p (e(t -e(t -1 +k p T k p T de(t +(e(t -2e(t -1 +e(t -2 T

15、i T(3Tk=0! e(tT i+tT d (e(t -e(t -1 T(2令 F p =k p (e(t -e(t -1 , F i =2. 2. 2 模糊推理系统9k p T k p T d, F d =(e(t -2e(t -1 +e(t -2 T i T则有 u (t =u (t -u(t -1 =F p +F i +F d当系统的复杂性增加时, 对其精确性的能力就会降低, 当达到一定的阀值时复杂性和精确性就相互排斥. 这个原理告诉人们对系统精确性的过分追求是徒劳的, 人们只能对系统的描述采用其主要特征而舍弃次要特征的办法, 尽量减少复杂性而又不过于简单化. PID 参数的整定必须考

16、虑到在不同时刻三个参数的作用以及相互之间互联关系. 模糊自整定PID 是在PID 算法的基础上通过计算当前系统的误差e 和误差变化率e c , 利用模糊规则进行模糊推理, 查询模糊矩阵表进行调整. 模糊矩阵表是总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验得到的.设e, e c 及PID 参数服从正态分布, 因此可得出各模糊子集的隶属度, 根据查模糊控制规则表(表2 可表2 PID 参数控制规则表Tab. 2 PID parameter control rulee cek pNB NM NS ZO PS PM PBPB PB PM PM PS PS ZONB k i NB NB NB NM NM Z

17、O ZOk d PS PS ZO ZO ZO PB PBk p PB PB PM PM PS ZO ZONM k i NB NB NM NM NS ZO ZOk d NS NS NS NS ZO NS PMk p PM PM PM PS ZO NS NMNS k i NM NM NS NS ZO PS PSk d NB NB NM NS ZO PS PMk p PM PS PS ZO NS NM NMZO k i NM NS NS ZO PS PS PMk d NB NM NM NS ZO PS PSk p PS PS ZO NS NS NM NMPS k i NS NS ZO PS PS P

18、M PMk d NB NM NS NS ZO PS PSk p ZO ZO NS NM NM NM NBPM k i ZO ZO PS PM PM PB PBk d NM NS NS NS ZO PS PSk p ZO NS NS NM NM NB NBPB k i ZO ZO PS PM PB PB PBk d PS ZO ZO ZO ZO PB PB注:NB 为负大; NM 为负中; NS 为负小; O 为零; PS 为正小; PM 为正中; PB 为正大.第2期张 巍, 等:微波加热沥青路面再生修复机温度模糊自适应整定PID 控制199对下式进行修正:k pid =k pid +e, e

19、 c pid(42. 2. 3 Fuzzy PID 控制系统仿真模型利用MATLAB 下的SIMU LINK 工具箱可以建立直观的仿真模型图, 如图4. 图中Subsystem 模块, 即为被控制对象的等效传递函数G (s .图4 Fuzzy PID 控制系统仿真模型图Fig. 4 Emulate model of Fuzzy PID control system在仿真时设置四个手动开关Sw itch1, Switch2, Sw itch3和Sw itch4, 如图中合上时为沥青路面修复机Fuzzy PID 控制系统的全部功能系统.FUZZY 系统对PID 中的k p 进行整定, 由k u 的

20、大小控制k p 的调节. k e 和k e c 为温度偏差e 和温度偏差变化e c 的量化因子, 作用是将输入变量从基本论域转换到相应的模糊集的论域, 以便进行模糊化处理. Sw itch4为图中下位时, 不将FUZZY 系统纳入控制系统中, 系统为PID 控制系统.Sw itch2为图中下位时, 系统为传统的PI 控制, 去掉了微分环节; Sw itch2为上位时, 系统切换到PID 控制. Sw itch3为图中下位时, 为积分可分离式PID 控制系统. Abs1和Relay1分别为绝对值模块和继电器模块, 设定好Relay 1的阀值、打开和关闭时的输出值, Abs1和Relay1组合在一

21、起与信号函数相乘可实现k i 逻辑函数功能. Switch3为图中上位时, 积分不可分离, 为传统的PID 控制系统 .各Saturation 模块可设定输入信号的上下饱和度, 当输入信号在上下界之间时, 输出值就是输入值; 当输入值在上下界之外时, 输出信号将是上下界的值. 例如, 有时温度突变可认为不是加热器本身的真正温度变化, 而是沥青路面中含有较大的鹅卵石、沥青罩面空穴或其他原因, 通过这种范围界定就可以消除偶发事故引起温度突变的影响, 避免了系统的不稳定. 2. 3 仿真结果(见图5(1 PD 控制超调大, 对系统破坏比较严重, 对给定输入反应敏感; 完全PID 控制具有结构简单,

22、稳定性好, 可靠性高的特点, 在1. 6s 后基本趋于稳定; 积分可分离PID 控制超调较小, 对系统的破坏性较小, 在1. 3s 后基本趋于稳定; Fuzzy PID 控制基本无超调, 上升时间比积分可分离PID 快, 0. 5s 后已很接近给定输入.(2 温度偏差e 和温度偏差变化e c 在0. 7s 以前变化较大, 0. 7s 后趋于平稳, 与图5中Fuzzy PID 控制仿图5 不同控制系统仿真结果Fig. 5 Result of various emulate systems200中 国 工 程 机 械 学 报第3卷3 加热控制系统设计3. 1 系统硬件结构3. 1. 1 运算控制系

23、统系统的硬件结构以AT89C51芯片为核心, 用ADC0809N 芯片进行温度采集, 将温度传感器从现场中采集来的模拟量进行D/A转换, 将PID 模糊整定后参数应用于仿真系统, 由AT89C51芯片及其外围数字电路构成仿真系统的控制电路, 然后DAC0832LCN 进行A/D 转换, 将输出的模拟量传送到控制电路, 模糊程序产生的每个输出控制对应磁控管电路的可控硅, 改变其空占比, 从而达到温度调节的目的. 3. 1. 2 模拟量输入系统热电偶所得的信号电压值很低, 只能以毫伏计, 需要通过对信号放大处理后, 再经过滤波整流, 得到可用的信号, 本系统采用8位并行入口来实现DAC0832LC

24、N 与AT89C51的接口电路, 由AT 89C51启动DAC0832LCN 进行D/A 转换, 其口地址为00FEH, 当延时程序执行完毕后, 从DAC0832LCN 读出结果, 从调试的结果来看系统的运行和程序的转换都比较稳定. 3. 2 系统软件结构3. 2. 1 初始化模块温度控制器初始化主要包括可编程器件8155初始化、堆栈初始化和温度控制器参数初始化三部分.(1 可编程器件初始化是指对可编程器件接口电路的工作模式初始化, 本系统中针对并行输入输出接口8155.(2 堆栈初始化就是复位后首先在用户RAM 中确定一个堆栈区域. 堆栈是实现实时中断处理的必不可少的一种数据结构.(3 温度

25、控制器的参数初始化包括PID 整定参数(k p , k i , k d 三个参数 、模糊控制表元素、温度偏差输入通道的初始化.根据结构化思想, 通常把这些初始化参数集中在一个模块中, 以便集中管理, 也有利于实现模块独立性. 主程序模块作为第一层次, 初始化管理模块作为第二层次, 通过分别调用上述三类初始化功能模块(第三层次 , 实现对整个温度控制器中有关器件的初始化.3. 2. 2 T 0, T 1中断服务模块温度传感器送来的温度偏差数据处理、Fuzzy PID 算法程序均放在T1中断服务模块中, 属实时时钟T 1中断程序. 键盘数据输入放在T0中断服务模块中, T0、T 1属实时时钟中断.

26、沥青路面修复机在工作过程中, 主控程序每隔一段时间触发T 1中断, 进入T1中断程序, 实现数据采集、滤波、温度偏差的相关数据Fuzzy PID 算法处理、输出等. 在执行完相应的程序后, 返回主控程序, 必要时修改其中某些内容, 并开始下一轮循环. T0对键盘定时扫描的控制方式主要优点是能及时响应键入的命令或数据, 便于用户对正在执行的程序进行干预. 但是, 由于计算机应用系统工作时, 并不是经常需要键输入, 所以在大多数情况下, CPU 对键盘进行空扫描. 为了提高CPU 的效率可以采用中断方式当键盘上有键CPU 响应中断, 执行中断服务程序, 判别键盘上闭合键的键号, 并作相应的处理.

27、键盘上没有键闭合时, INTO 为高电平, 当键盘上有一个键闭合时, INTO 变低, 向CPU 发出中断断请求, 若CPU 开放外部中断, 则响应中断请求, 执行中断服务程序扫描键盘键入中断服务程序的功能, 除识别键盘上闭合键的键号和执行键功能外, 还需要有消除键抖动影响, 多次重复执行键功能操作等措施. 3. 2. 3 温度偏差采样模块此模块主要将采集进来的温度偏差值模拟量转化为数字量, A/D 转换器的程序模块运行时主要分以下3步:#启动A/D 转换; 用T1中断方式等待A/D 结束. ADC0809的EOC 口接89C51的INT1口; %读取温度偏差值转换结果. 3. 2. 4 数值

28、滤波模块数字滤波子程序FILT ER 用于滤去来自控制现场对采样值的干扰, 数字滤波的算法很多, 本系统采, ,第2期 张 巍, 等: 微波加热沥青路面再生修复机温度模糊自适应整定 PID 控制 201 作温度标度转换时使用. 3. 2. 5 FU ZZY 处理模块 F UZZY 处理模块是精确量模糊化的子程序, 输入的温度偏差量 e 及温度偏差变化量 e c 经 A/ D 换成 控制规则所需的模糊量, 即找出该精确量属于某个模糊子集的隶属度. 3. 2. 6 数据处理子程序 主要是用来处理程序运算中一些复杂的模块, 建立单独于主模块的运算, 可方便调用和共享. 4 结论 ( 1 利用微波加热来修复破损的沥青罩面打破了传统的加热方式, 避免沥青表面焦化而内部难以达 到规定温度的情况, 利用本系统的控制来适应温度变化从而改变加热温度, 具有现实意义. ( 2 设计了一种数字式沥青路面修复机温度控制器. 虽然系统是简化了的数学模型, 但对于研究沥青 路面修复机温控工作的基本原理以及对做更加深入的实验工作都将具有重要的指导意义. ( 3 通过对比几种不