微波加熱瀝青路面再生修復機溫度模糊自適應整定PID控制

1、第3卷第2期2005年4月中 國 工 程 機 械 學 報CH INESE JOURNAL OF CON ST RU CT ION MACH INERY Vol. 3No. 2 Aqr. 2005微波加熱瀝青路面再生修復機溫度模糊自適應整定PID 控制張 巍, 李自光, 魏先勛, 胡忠錄(長沙理工大學汽車與機電學院, 湖南長沙 410076摘要:針對瀝青路面修復機控制系統(tǒng), 應用模糊控制理論與傳統(tǒng)PID 控制的原理, 設(shè)計了一種基于單片機的模糊自適應PI D 溫度控制器. 根據(jù)瀝青路面修復要求實現(xiàn)的功能建立了溫度控制系統(tǒng)的近似數(shù)學模型, 對系統(tǒng)先后進行各種控制仿真, 通過仿真發(fā)現(xiàn), 系統(tǒng)中模糊整

2、定P ID 控制算法的動態(tài)性能比PI, PID 和可積分分離的PID 控制的性能要好, 且具有較強的抗干擾能力, 為復雜系統(tǒng)建模提供了一個有效途徑. 關(guān)鍵詞:微波加熱器; 瀝青路面修復機; 溫度控制器; 模糊-比例-積分-微分; 單片機中圖分類號: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 隨著我國加強基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè), 公路建設(shè)事業(yè)得到了迅猛的發(fā)展, 現(xiàn)代交通對公路質(zhì)量提出了更高的要求, 從剛性的水泥混凝土路面發(fā)展到了柔性的瀝青混凝土路面, 由此, 路面的車適應性能也得到了極大的提高, 如噪聲小, 具有柔性, 維修方便等優(yōu)點. 但在發(fā)展的過程中, 也遇到了一些問題. 一個主要的問題是公路路面尤其是瀝青路面的早期損壞. 我國修建的公路80%是瀝

7、青路面. 隨著交通流量、重載車輛的不斷增長, 由普通瀝青混合料鋪筑的瀝青路面普遍地出現(xiàn)了車轍、裂縫、剝落等病害, 嚴重地影響了公路的營運效率和行車安全. 如何又快又好地修復瀝青混凝土路面, 減少交通堵塞或中斷交通, 對于整個國民經(jīng)濟的穩(wěn)步發(fā)展具有重要意義.21作者簡介:張 巍(1974- , 男, 湖南常德人, 講師, 博士生.第2期張 巍, 等:微波加熱瀝青路面再生修復機溫度模糊自適應整定PID 控制1971 微波加熱瀝青混凝土的實驗研究研究小組利用現(xiàn)有條件對室內(nèi)室外的路面模型進行了多次的微波加熱實驗. 從目前得到的結(jié)果來看, 效果基本令人滿意.在8min 內(nèi), 使8cm 厚的瀝青混凝土板塊

8、的溫度升至120多度. 與普通的加熱方式不同, 經(jīng)過微波加熱后的路面, 在一定的范圍內(nèi), 深層的溫度反而要比表面的溫度高, 反映了一定程度的溫度不均勻性. 但比較而言, 這種不均勻性是可以讓人接受的, 首先它一般不會導致瀝青料的燒焦和氧化, 其次這種不均勻可以方便地通過增加輔助的表面加熱手段來解決.圖1是某次室內(nèi)試驗的測點分布圖. 而表1給出了部分溫圖1 測點分布(單位:mmFig. 1 Distribution of survey point(unit:mm 度記錄實驗數(shù)據(jù).表1 距離瀝青混凝土路表面80mm 深處各點處的平均溫度Tab. 1 Mean temperature of surv

9、ey points at 80mm position under asphalt pavem ent加熱時間/min0578各點的平均溫度/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 微波加熱瀝青混凝土的建模與仿真瀝青路面的再生就是將舊瀝青路面經(jīng)過加熱、翻挖、破碎后與再生劑、新瀝青材料及集料按一定的比例重新拌和成能滿足路用性能的一套工藝. 微波加熱瀝青路面再生修復機采用微波加熱技術(shù), 改進了傳統(tǒng)的紅外線加熱工藝, 具有快速、高效、節(jié)能等特點, 還可以防止瀝青路高溫加熱時表面焦化. 微波加熱的基本原理是通過被加熱物體內(nèi)部的輻射微波電磁場, 高頻電磁作用推動分子運動, 分子之間相互碰撞及相互磨擦從而產(chǎn)生熱量. 由

11、于電磁波型多為模式自適應整定PID 控制對溫度進行控制. 2. 1 瀝青路面再生修復機的加熱實現(xiàn)過程在瀝青路面再生修復機中, 其加熱裝置采用工業(yè)微波爐, 目前我國用于工業(yè)加熱的微波頻率為2450MH z, 微波發(fā)生裝置為連續(xù)波磁控管, 磁控管的數(shù)目可根據(jù)實際加熱路面的面積進行確定. 在磁場固定的情況下, 由于磁控管的輸出與所供電壓為單調(diào)遞增關(guān)系, 因此, 可以通過控制調(diào)節(jié)磁控管的端電壓來調(diào)節(jié)電磁能, 從而達到控制溫度的目的. 單根磁控管的電氣原理圖如圖2所示.2. 2 溫度的模糊自適應整定PID 控制自適應控制運用現(xiàn)代控制理論在線辨識對象特征參數(shù), 實時改變其控制策略, 使控制系統(tǒng)品質(zhì)指標保持

12、在最佳允許范圍之內(nèi). 在實際生產(chǎn)中現(xiàn)在大多以PID 算法, 其中,圖2 瀝青路面再生修復機磁控管電氣圖Fig. 2 Electric chart of repairer34, 整個加熱系統(tǒng)難以建立精確的數(shù)學模型, 為此采用模糊PID 對參數(shù)的整定多數(shù)以對象的特征為基礎(chǔ). 隨著計算機的發(fā)展, 人們將操作人員的經(jīng)驗作為學習樣本存入計算機, 應用人工智能的方法自動調(diào)整PID 參數(shù), 稱之為智能PID 控制器5, 6. 由于操作者的經(jīng)驗很難198中 國 工 程 機 械 學 報第3卷應用模糊數(shù)學的基本原理, 把規(guī)則的條件和操作做為模糊集, 并把這些模糊控制規(guī)則及有關(guān)的信息做為知識存入到計算機知識庫中,

13、然后根據(jù)實際響應的情況進行模糊推理, 即可實現(xiàn)自動對PID 參數(shù)的最佳調(diào)整, 這就是模糊自適應PID 控制7(如圖3. 自適應模糊PID 控制器以誤差e 和誤差變化e c 作為輸入, 可以滿足不同時刻的e 和e c 對PID 參數(shù)自整定的要求, 模糊控制可根據(jù)模糊集對比例系數(shù)k p , 積分系數(shù)k i , 微分系數(shù)k d 進行在線修改調(diào)整, 使e 和e c 控制在要求的范圍以內(nèi)8. 2. 2. 1 PID 調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)在連續(xù)系統(tǒng)中PID 器輸入與輸出之間的關(guān)系式為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 為目標信號, y (t 為實測信號; k p 為比例系數(shù); T i 為積分時間常數(shù); T d 為微分時間常數(shù).圖3 自適應模糊控制器結(jié)構(gòu)Fig. 3 C onstruction of self adaptive fuzzy controller設(shè)定取樣周期為T , 由于取樣躍變時間很短, 可以將d t 近似地取為T , 積分則以和的形式表述, 以便簡化計算, 于是可將式(1 改寫為u(t =k p e(t +則其增量式為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 模糊推理系統(tǒng)9k p T k p T d, F d =(e(t -2e(t -1 +e(t -2 T i T則有 u (t =u (t -u(t -1 =F p +F i +F d當系統(tǒng)的復雜性增加時, 對其精確性的能力就會降低, 當達到一定的閥值時復雜性和精確性就相互排斥. 這個原理告訴人們對系統(tǒng)精確性的過分追求是徒勞的, 人們只能對系統(tǒng)的描述采用其主要特征而舍棄次要特征的辦法, 盡量減少復雜性而又不過于簡單化. PID 參數(shù)的整定必須考

16、慮到在不同時刻三個參數(shù)的作用以及相互之間互聯(lián)關(guān)系. 模糊自整定PID 是在PID 算法的基礎(chǔ)上通過計算當前系統(tǒng)的誤差e 和誤差變化率e c , 利用模糊規(guī)則進行模糊推理, 查詢模糊矩陣表進行調(diào)整. 模糊矩陣表是總結(jié)工程設(shè)計人員的技術(shù)知識和實際操作經(jīng)驗得到的.設(shè)e, e c 及PID 參數(shù)服從正態(tài)分布, 因此可得出各模糊子集的隸屬度, 根據(jù)查模糊控制規(guī)則表(表2 可表2 PID 參數(shù)控制規(guī)則表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 為負大; NM 為負中; NS 為負小; O 為零; PS 為正小; PM 為正中; PB 為正大.第2期張 巍, 等:微波加熱瀝青路面再生修復機溫度模糊自適應整定PID 控制199對下式進行修正:k pid =k pid +e, e

19、 c pid(42. 2. 3 Fuzzy PID 控制系統(tǒng)仿真模型利用MATLAB 下的SIMU LINK 工具箱可以建立直觀的仿真模型圖, 如圖4. 圖中Subsystem 模塊, 即為被控制對象的等效傳遞函數(shù)G (s .圖4 Fuzzy PID 控制系統(tǒng)仿真模型圖Fig. 4 Emulate model of Fuzzy PID control system在仿真時設(shè)置四個手動開關(guān)Sw itch1, Switch2, Sw itch3和Sw itch4, 如圖中合上時為瀝青路面修復機Fuzzy PID 控制系統(tǒng)的全部功能系統(tǒng).FUZZY 系統(tǒng)對PID 中的k p 進行整定, 由k u 的

20、大小控制k p 的調(diào)節(jié). k e 和k e c 為溫度偏差e 和溫度偏差變化e c 的量化因子, 作用是將輸入變量從基本論域轉(zhuǎn)換到相應的模糊集的論域, 以便進行模糊化處理. Sw itch4為圖中下位時, 不將FUZZY 系統(tǒng)納入控制系統(tǒng)中, 系統(tǒng)為PID 控制系統(tǒng).Sw itch2為圖中下位時, 系統(tǒng)為傳統(tǒng)的PI 控制, 去掉了微分環(huán)節(jié); Sw itch2為上位時, 系統(tǒng)切換到PID 控制. Sw itch3為圖中下位時, 為積分可分離式PID 控制系統(tǒng). Abs1和Relay1分別為絕對值模塊和繼電器模塊, 設(shè)定好Relay 1的閥值、打開和關(guān)閉時的輸出值, Abs1和Relay1組合在一

21、起與信號函數(shù)相乘可實現(xiàn)k i 邏輯函數(shù)功能. Switch3為圖中上位時, 積分不可分離, 為傳統(tǒng)的PID 控制系統(tǒng) .各Saturation 模塊可設(shè)定輸入信號的上下飽和度, 當輸入信號在上下界之間時, 輸出值就是輸入值; 當輸入值在上下界之外時, 輸出信號將是上下界的值. 例如, 有時溫度突變可認為不是加熱器本身的真正溫度變化, 而是瀝青路面中含有較大的鵝卵石、瀝青罩面空穴或其他原因, 通過這種范圍界定就可以消除偶發(fā)事故引起溫度突變的影響, 避免了系統(tǒng)的不穩(wěn)定. 2. 3 仿真結(jié)果(見圖5(1 PD 控制超調(diào)大, 對系統(tǒng)破壞比較嚴重, 對給定輸入反應敏感; 完全PID 控制具有結(jié)構(gòu)簡單,

22、穩(wěn)定性好, 可靠性高的特點, 在1. 6s 后基本趨于穩(wěn)定; 積分可分離PID 控制超調(diào)較小, 對系統(tǒng)的破壞性較小, 在1. 3s 后基本趨于穩(wěn)定; Fuzzy PID 控制基本無超調(diào), 上升時間比積分可分離PID 快, 0. 5s 后已很接近給定輸入.(2 溫度偏差e 和溫度偏差變化e c 在0. 7s 以前變化較大, 0. 7s 后趨于平穩(wěn), 與圖5中Fuzzy PID 控制仿圖5 不同控制系統(tǒng)仿真結(jié)果Fig. 5 Result of various emulate systems200中 國 工 程 機 械 學 報第3卷3 加熱控制系統(tǒng)設(shè)計3. 1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)3. 1. 1 運算控制系

23、統(tǒng)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)以AT89C51芯片為核心, 用ADC0809N 芯片進行溫度采集, 將溫度傳感器從現(xiàn)場中采集來的模擬量進行D/A轉(zhuǎn)換, 將PID 模糊整定后參數(shù)應用于仿真系統(tǒng), 由AT89C51芯片及其外圍數(shù)字電路構(gòu)成仿真系統(tǒng)的控制電路, 然后DAC0832LCN 進行A/D 轉(zhuǎn)換, 將輸出的模擬量傳送到控制電路, 模糊程序產(chǎn)生的每個輸出控制對應磁控管電路的可控硅, 改變其空占比, 從而達到溫度調(diào)節(jié)的目的. 3. 1. 2 模擬量輸入系統(tǒng)熱電偶所得的信號電壓值很低, 只能以毫伏計, 需要通過對信號放大處理后, 再經(jīng)過濾波整流, 得到可用的信號, 本系統(tǒng)采用8位并行入口來實現(xiàn)DAC0832LC

24、N 與AT89C51的接口電路, 由AT 89C51啟動DAC0832LCN 進行D/A 轉(zhuǎn)換, 其口地址為00FEH, 當延時程序執(zhí)行完畢后, 從DAC0832LCN 讀出結(jié)果, 從調(diào)試的結(jié)果來看系統(tǒng)的運行和程序的轉(zhuǎn)換都比較穩(wěn)定. 3. 2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)3. 2. 1 初始化模塊溫度控制器初始化主要包括可編程器件8155初始化、堆棧初始化和溫度控制器參數(shù)初始化三部分.(1 可編程器件初始化是指對可編程器件接口電路的工作模式初始化, 本系統(tǒng)中針對并行輸入輸出接口8155.(2 堆棧初始化就是復位后首先在用戶RAM 中確定一個堆棧區(qū)域. 堆棧是實現(xiàn)實時中斷處理的必不可少的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).(3 溫度

25、控制器的參數(shù)初始化包括PID 整定參數(shù)(k p , k i , k d 三個參數(shù) 、模糊控制表元素、溫度偏差輸入通道的初始化.根據(jù)結(jié)構(gòu)化思想, 通常把這些初始化參數(shù)集中在一個模塊中, 以便集中管理, 也有利于實現(xiàn)模塊獨立性. 主程序模塊作為第一層次, 初始化管理模塊作為第二層次, 通過分別調(diào)用上述三類初始化功能模塊(第三層次 , 實現(xiàn)對整個溫度控制器中有關(guān)器件的初始化.3. 2. 2 T 0, T 1中斷服務(wù)模塊溫度傳感器送來的溫度偏差數(shù)據(jù)處理、Fuzzy PID 算法程序均放在T1中斷服務(wù)模塊中, 屬實時時鐘T 1中斷程序. 鍵盤數(shù)據(jù)輸入放在T0中斷服務(wù)模塊中, T0、T 1屬實時時鐘中斷.

26、瀝青路面修復機在工作過程中, 主控程序每隔一段時間觸發(fā)T 1中斷, 進入T1中斷程序, 實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、濾波、溫度偏差的相關(guān)數(shù)據(jù)Fuzzy PID 算法處理、輸出等. 在執(zhí)行完相應的程序后, 返回主控程序, 必要時修改其中某些內(nèi)容, 并開始下一輪循環(huán). T0對鍵盤定時掃描的控制方式主要優(yōu)點是能及時響應鍵入的命令或數(shù)據(jù), 便于用戶對正在執(zhí)行的程序進行干預. 但是, 由于計算機應用系統(tǒng)工作時, 并不是經(jīng)常需要鍵輸入, 所以在大多數(shù)情況下, CPU 對鍵盤進行空掃描. 為了提高CPU 的效率可以采用中斷方式當鍵盤上有鍵CPU 響應中斷, 執(zhí)行中斷服務(wù)程序, 判別鍵盤上閉合鍵的鍵號, 并作相應的處理.

27、鍵盤上沒有鍵閉合時, INTO 為高電平, 當鍵盤上有一個鍵閉合時, INTO 變低, 向CPU 發(fā)出中斷斷請求, 若CPU 開放外部中斷, 則響應中斷請求, 執(zhí)行中斷服務(wù)程序掃描鍵盤鍵入中斷服務(wù)程序的功能, 除識別鍵盤上閉合鍵的鍵號和執(zhí)行鍵功能外, 還需要有消除鍵抖動影響, 多次重復執(zhí)行鍵功能操作等措施. 3. 2. 3 溫度偏差采樣模塊此模塊主要將采集進來的溫度偏差值模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量, A/D 轉(zhuǎn)換器的程序模塊運行時主要分以下3步:#啟動A/D 轉(zhuǎn)換; 用T1中斷方式等待A/D 結(jié)束. ADC0809的EOC 口接89C51的INT1口; %讀取溫度偏差值轉(zhuǎn)換結(jié)果. 3. 2. 4 數(shù)值

28、濾波模塊數(shù)字濾波子程序FILT ER 用于濾去來自控制現(xiàn)場對采樣值的干擾, 數(shù)字濾波的算法很多, 本系統(tǒng)采, ,第2期 張 巍, 等: 微波加熱瀝青路面再生修復機溫度模糊自適應整定 PID 控制 201 作溫度標度轉(zhuǎn)換時使用. 3. 2. 5 FU ZZY 處理模塊 F UZZY 處理模塊是精確量模糊化的子程序, 輸入的溫度偏差量 e 及溫度偏差變化量 e c 經(jīng) A/ D 換成 控制規(guī)則所需的模糊量, 即找出該精確量屬于某個模糊子集的隸屬度. 3. 2. 6 數(shù)據(jù)處理子程序 主要是用來處理程序運算中一些復雜的模塊, 建立單獨于主模塊的運算, 可方便調(diào)用和共享. 4 結(jié)論 ( 1 利用微波加熱來修復破損的瀝青罩面打破了傳統(tǒng)的加熱方式, 避免瀝青表面焦化而內(nèi)部難以達 到規(guī)定溫度的情況, 利用本系統(tǒng)的控制來適應溫度變化從而改變加熱溫度, 具有現(xiàn)實意義. ( 2 設(shè)計了一種數(shù)字式瀝青路面修復機溫度控制器. 雖然系統(tǒng)是簡化了的數(shù)學模型, 但對于研究瀝青 路面修復機溫控工作的基本原理以及對做更加深入的實驗工作都將具有重要的指導意義. ( 3 通過對比幾種不同