模糊PID技术在粮仓温度控制的应用

摘 要 自改革开放以来，我国粮食产量大幅增加，据权威部门估计，2013年我国粮食产量可能达到6亿吨，再次创造历史记录。这样，我国每年有很多粮食要储存。在储存过程中，为防止粮食变质、霉烂，这就对粮仓内的温度、湿度等条件提出较高的要求，而基于模糊PID技术的温度监控系统可以很好的胜任对粮仓温度进行监测的任务。

关键词 模糊PID技术；粮仓；温度监测

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）01-0010-02

随着我国农业机械化水平的不断提高以及各种高产品种的农作物投入市场，我国粮食产量逐年稳定增加，在2012年，我国的粮食产量达到5亿9千多万吨，比2011年增加1800多万吨，增长率为3.2%，高居世界第一位，而且我国的粮食储量连续多年也远远高于国际安全水平。目前我国大部分地区的粮食存储仍采用传统的方式，即在粮仓中安装的传感器是铜电阻或热敏电阻，工作人员需要逐个点进行查看，工作效率很低，实时性差，精确度也比较差，我们知道粮食是很容易长霉菌的，每年我国因粮食发霉而造成的经济损失就高达几千万，所以，建立起一套准确、快速以及能够自动监测和控制粮仓温度和湿度的系统对于提高粮仓质量、减少存储粮食的变质量是十分必要的。

1 模糊PID控制技术的原理和特点

在现代各类工业生产和工程建设中，比例控制、积分控制和微分控制是应用最为广泛的调节器控制规律，这些技术总称为模糊PID控制技术，又称为PID调节技术。在20世纪四五十年代，PID控制技术就已经问世，经过近70年的发展和改进，此技术凭借结构简单、工作稳定可靠、工作效率高以及调节方便等特点，成为各类工业生产和工程建设最主要的控制技术之一。

在现实生产中，很多被监控对象的许多重要参数不能被完全掌握，如果采用传统的控制技术时，将得不到比较精确的数学模型，不得不凭借经验或现场调试来确定，这时候传统的PID控制技术的实用性就会大打折扣，而模糊PID控制技术非常适用于这种情况，当我们不能得到有效的系统参数时，模糊PID控制技术就会根据参数误差，利用比例、微分和几份等数学手段计算出控制量，最终将监测对象进行合理的调节控制。模糊PID控制技术的基础是自然控制规则和模糊推理，不像传统控制系统依赖于精确的数学模型。该系统的核心部分是模糊控制器，控制器的设计主要包括函数的确定、编制模糊控制规则以及反模糊设计。模糊PID控制技术结合了模糊控制器的智能化和PID系统的精确性，最终使控制系统达到最佳效果。

2 模糊PID控制技术的发展现状

在20世纪50年代，模糊PID控制技术还处于刚刚起步的阶段，经过十多年的发展，国外出现第一种能够进行自动进行调节控制的系统，然而由于它的很多技术还不成熟，可靠性较差，而且由于人类当时电子技术还不发达，导致该系统的体积庞大，价格昂贵，根本无法满足市场需求。之后随着人类计算机和电子技术的飞速发展，研发人员利用人工智能方法将之前的很多调控经验存储到计算机中，这样计算机就能根据现场收集到的数据，自动调整各种PID参数，最终大幅度提高了该系统的自动性、快速性以及可靠性。

3 控制粮仓温度的模糊PID控制系统的介绍

3.1 系统框架

图1是模糊PID技术在粮仓温度的监控系统框架图。整个监测系统的核心是单片机AT89C51（应用了模糊PID技术），对粮仓温度的监测是由安置在多个不同地点的温度传感器来完成的，然后由多路模拟开关对温度传感器监测的数据进行采集，经过放大电路后由转换器接收，最后进入单片机，最后温度会显示出来，一旦温度超出了最初设定的范围，报警器就会响起，同时通风装置也会启动，此套系统可以精确控制粮仓的温度在某一限定的范围内变化，从而有效保证被存储粮食的质量。

图1

3.2 对系统各个部件的简单介绍

3.2.1 温度传感器

温度传感器在该系统中充当着“先锋”的作用，作为关键部件之一，它的精度以及性能的高低将直接关系到整个测控系统的运行效果。目前应用较多的是AD590集成温度传感器，它的测温范围大概是-50℃到100℃，误差在±0.3℃左右，完全满足在粮仓内使用的环境要求，另外，它的输出电流和绝对温度有关，与附加的电阻值无关，而且该型传感器的输入和输出均采用差动的方式，这样做的目的就是当通信模块的工作受到干扰时，两根信号线能够同时产生干扰电平，这就会平衡对差动输入的影响，这些设计都使得该型传感器不会因为传输距离太远等因素产生误差。

3.2.2 多路模拟开关

在该监控系统中，要求多路模拟开关在接通时两端的电阻值很小，在断开的状态下电阻很大，并且要求开关反应速度快，工作稳定性好以及使用寿命较长，而且要求多段模拟开关对传输信号要有很好的线性度，这样才能减少信号的失真度，保证信号的精确度。目前应用较为广泛的是CC4051型单八路模拟开关，它由电平位移电路以及带禁止端的译码器组成，CC4051型多段模拟开关真值表如表1所示。

表1

输入状态 导通通道

INH C B A

0 0 0 0 1

0 0 0 1 2

0 0 1 0 3

0 0 1 1 4

0 1 0 0 5

0 1 0 1 6

0 1 1 0 7

0 1 1 1 8

1 关断

3.2.3 放大电路

温度传感器测得的数据经过转换得到的电信号往往很小，需要先将这些电信号经过放大处理，集成运算放大器以其简单的电路和较为方便的调试被应用的较为广泛。ICL7650型放大器是由Intersil公司利用动态校零技术制作而成的，另外它还采用了CMOS工艺，具有输入偏值电流小、增益高、反应快以及性价比高等优点，基本特性为：1）低电源电流为2mA，低触压为1μV；2）无微调需要的偏移电压；3）具有时间和温度的低偏移漂流；4）高增益的CMRR和PSRR为120dB。

3.2.4 A/D转换器

A/D转换器也就是模数转换器，简称为ADC，它的功能就是可以将模拟信号转换为数字信号，即输入端是一个电压信号，输出端是一个模拟信号，但是因为数字信号只是表示一个相对大小，并没有什么实际意义，所以通常需要一个作为转换标准的参考模拟量。A/D转换器的工作顺序一般是采样、保持、量化和编码四个步骤。

在本文介绍的系统中，我们选用ADC0809型逐次逼近式A/D转换器，它是带有8路多路开关和兼容微处理机控制逻辑的组件，由于其内部带有输出锁存器，所以可以直接和单片机连接。它的选择通道如表2所示。

表2

C B A 选择的通道

0 0 0 IN0

0 0 1 IN1

0 1 0 IN2

0 1 1 IN3

1 0 0 IN4

1 0 1 IN5

1 1 0 IN6

1 1 1 IN7

3.2.5 单片机

在监控粮仓温度系统中，我们采用AT89C51单片机。它完全兼容MCS-51系列单片机的所有功能，并且本身带有2K的内存储器，可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上，比以往惯用的8031CPU外加EPROM为核心的单片机系统在硬件上具有更加简单方便等优点，具体如下：1）AT89C51单片机是最早期也最典型的产品，低功耗、高性能、采用CHMOS工艺的8位单片机；2）它在硬件资源和功能、软件指令及编程上与Intel 80C3X单片机完全相同。在应用中可直接替换；3）在AT89C51内部有FLASH程序存储器，既可用常规的编程器编程，也可用在线使之处于编程状态对其编程。编程速度很快，擦除时也无需紫外线，非常方便；4）AT89C5X系列可认为是Intel 80C3X的内核与Atmel FLASH技术的结合体。它为许多嵌入式控制系统提供了灵活、低成本的解决方案。

4 结束语

本文介绍的粮仓温度测控系统具有结构简单、调试方便、抗干扰能力强以及可远距离传输等优点，具有很强的实用价值。但是我们始终要明白，在任何时候机器是永远代替不了人的思维，所以我们不能完全盲目的相信机器，因此在现实的工作中，我们更应该认真负责，既应该积极采用高科技手段但又不能对它产生过度依赖性。另外我们的科技工作者们也要不断努力，创造出更多质量好的产品以满足我们各行各业的需求。

参考文献

[1]付立思，孙晓杰，吴秀华，等.模糊自适应PID控制器在太阳能干燥温度控制中的应用[J].农业工程学报，2006，22（7）：217-219.

[2]彭勇刚，韦巍.人工气候温箱湿度模糊控制[J].农业工程学报，2006，22（8）：166-169.

[3]李朝清.单片机原理及接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005：38-47.

[4]傅宇，宋长垣，周昭峰.基于单片机的粮食干燥设备温度控制系统设计[J].粮油加工，2006（8）：74-75.

作者简介

方威（1987-），男，西安工业大学电子信息工程学院硕士研究生在读，研究方向：计算机控制技术。