基于SOC單片機的pH值檢測與控制

　　圖4 自適應模糊PID的控制框圖

　　將系統誤差e和誤差變化率ec變化范圍定義為模糊集上的域，e，ec={-3，-2，-1，0，1，2，3}，其模糊子集為e，ec={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，子集中元素分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。對于單片機構成的模糊控制器，考慮到占用CPU時間，節約存儲空間，減少計算量等方面的問題，隸屬度函數曲線采用三角形。根據各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數模糊控制模型，應用模糊合成推理設計PID參數的模糊矩陣表，查出修正參數代入下式計算：在線運行過程中，控制系統通過對模糊邏輯規則的結果處理、查表和運算，完成對PID參數的在線自校正。

　　3 計算機仿真及結果

　　3.1 仿真模型的建立與算法實現

　　數字仿真模型如圖4所示，其中被控制對象包括：電磁閥傳遞函數，pH傳感器動態特性
，pH滴定曲線的非線性特性等。運用上述模糊PID參數自整定控制方法，將模糊邏輯工具箱(fuzzy logic tool box)與Matlab函數相結合，在Matlab7.1中Simulink環境下進行了仿真研究。其中，模糊推理方法采用Mamdani型推理，去模糊化采用加權平均值方法。

　　3.2 仿真結果分析

　　為了便于比較控制效果，在常規 PID 和模糊PID 控制中PID 的3 個參數kp，ki，kd 是相同的。圖5 給出了常規PID 控制與模糊PID 參數自整定算法控制仿真曲線比較，圖6 是在常規PID 控制與模糊PID 均達到穩定后，在t=80s 時加擾動仿真曲線。圖5、圖6 中虛線所標示的是常規PID 的仿真效果，實線標示的是模糊PID 的仿真效果。從仿真結果可看出：

　　（1）模糊PID 參數自整定控制具有較小的超調量和較短的調節時間，具有較好的動態響應特性和穩態特性，它優于常規的PID 控制；

　　（2）由于模糊PID 參數自整定控制能根據工況變化過程中偏差和偏差變化率自動進行PID 參數調整，因而具有較好的自適應能力。

　　由此可見，模糊PID 參數自調整對于pH 值的控制具有較好的控制效果，具有動態性能好，穩態精度高，抗干擾性能好及較強的魯棒性的特點。

　　圖 5 常規PID 控制與模糊PID 控制效果比較

　　圖 6 存在擾動時的控制效果比較

　　4 結論

　　基于 SOC 高性能單片機C8051F020 設計pH 值檢測控制儀器具有性能好、抗干擾性強、有較高的性價比，針對pH 值滯后、非線性、時變、耦合性等特點采用的模糊PID 在線自適應控制方法具有動態性能好，穩態精度高，抗干擾性能好和具有較強的魯棒性。

　　本文作者創新點：根據 pH 傳感器信號檢測的特點設計了pH 信號放大電路、抗干擾電路；根據pH 值測量原理提出了pH 電極的校正方法；根據水環境pH 值的特點采用了模糊PID 控制方法并仿真，同時與常規PID 控制效果做了比較。參考文獻:

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