模糊自整定PID控制算法在薄膜型硫化铅红外传感器制作中的应用

引言

硫化铅红外传感器薄膜的制作方法是将多种化学药剂在一定的温度条件下按一定的规则加入事先放有基片的反应杯内，按特定的温度曲线进行加热，配制的料液发生化学反应后在基片上生成硫化铅薄膜。目前的温度控制方法是甘油加热法，由人工操作将120。。的甘油做为加热介质，通过油泵注入反应杯加热槽，依靠甘油的注入量来控制沉淀料液的温度，控温精度得不到保证。为了提高化学沉淀过程中的控温度精度，本文采用模糊自整定PID控制设计了一个电加热化学沉淀温度自动控制系统，控温精度达到±1.5°C以内，达到了薄膜型硫化铅红外传感器化学制膜过程的温度控制要求。

1系统组成及原理

系统建立的主要目的是通过单片机的有效控制，使化学沉淀温度按照设定的温度曲线进行升温。控制系统硬件由89C55WD单片机、AI501测温仪、D/A器转换及V/I转换器、AIJK3调功触发器、加热丝、沉淀槽、微型打印机、液晶显示器等组成。AI501测温仪测量沉淀料液温度，通过串口送89C55WD单片机，显示、存储、打印数据，进行模糊PID控制运算输出数字信号，经D/A转换及V/I转换为0〜20mA标准电流信号控制调功触发器输出加热电压，保证料液温度按设定的温度曲线变化。

2建立化学沉淀标准温度曲线模型

化学沉淀标准温度曲线是一条连续上升的非线性曲线,由初温(18〜22C)至终点温度90为了便于单片机处理，将一条连续的非线性化学沉淀标准温度曲线分成多条线段，每个短线段近似为一条直线段，建立一条经线性化处理的化学沉淀标准温度曲线。单片机根据每条线段的起点温度、终点温度、起点时间、终点时间参数计算出斜率和对应时间点的温度值。图1选取三种不同型号硫化铅红外传感器各自的标准温度沉淀曲线。

其中：K表示斜率；Tb1表示段的终点温度；Tb°表示段的起点温度；1表示段的终点时间；0表示段的起点时间；表示标准温度;表示当前沉淀时间。

3建立控制算法模型

不同硫化铅红外传感器，它们的化学沉淀标准温度曲线有很大差别。为了方便工作，系统具有输入新曲线或修改曲线参数功能。为达到精确控制的目的，针对PID控制和模糊控制的优缺点，采用模糊自整定PID控制算法控制化学沉淀料液温度。使化学沉淀温度自动控制系统能够根据实际情况调整比例系数Kp、积分系数K和微分系数Kd，以达到调节作用的实时最优。系统结构如图2所示。

4模糊控制规则表的建立

4.1灼,控制设计

在PID控制中，Kp值的选取决定于系统的响应速度。调节初期应适当取较大的Kp值以提高响应速度，在调节中期,Kp则取较小值，以使控制过程减少温度的过冲或者加热不够的情况发生，并且保证系统具有较快的响应速度；为了提高升温过程中的控制精度，在调节后期适当调大Kp值以便减小静差。Kp控制设计如表1所列。

4.2K控制设计

在温度控制过程中，积分Ki的作用是消除控温过程中的稳态误差。温度控制过程的开始阶段，积分K应适当减小,最小可以为0;而到了温度控制的中间阶段，积分K应适当增大，这样就保证了控温系统的稳定性；到了温度控制的最后阶段，为了减小静差，应该再次增强积分K的作用。积分K控制设计表如表2所列。

4.3Kd控制设计

温度控制过程中的微分爲控制调节是为了解决大惯性过冲而引入的，微分调节系数是为了改变温度控制系统的动态特性。在硫化铅红外传感器薄膜的制作过程中，有某些阶段升温速率特别快，这就要求在调节的初始阶段，为了得到最小的超调，此时应该加大微分Kd的控制作用；而到了温度控制的中期，应适当减小并保持微分Kd值固定不变；到了温度控制的后期应适当减小微分Kd的值，可以增强温度升温过程中的制动作用，进一步补偿在调节过程初始阶段由于微分Kd值取值较大而引起的温度调节过程中的时间T的延长。微分Kd控制设计如表3所列。

5输出量计算

通过模糊控制设计表可以求得Kp、K、、Kd，运用重心法逆模糊化后的处理公式如下:

其中：u（k）表示为k采样周期时的输出；e（k）表示为k采样周期时的偏差；表示为采样周期。通过输出u（k）乘以相应的比例因子Ku就可得出精确的输出量u其公式如下：

6控温程序设计

该系统采用MS51汇编码设计程序，软件设计包含四个部分，液晶显示及驱动程序（包含菜单、参数修改、实时时钟）、打印程序、标准温度沉淀曲线计算程序、控温程序（模糊自整定PID运算）。控温程序框图如图4所示。

沉淀开始，89C55WD单片机先从X5045读取首条线段参数（线段的起点温度、终点温度、起点时间、终点时间参数），按式（1）计算出斜率，根据斜率与实时时间的关系，按式（2）计算出实时标准温度。采样周期设为1s，每秒采样三次进行滤波处理，然后进行差值运算，模糊自整定PID运算处理,输出控制量。首条线段沉淀结束再调用第二段，以此类推直至沉淀结束。

7结语

采用模糊自整定PID控制设计的化学沉淀温度自动控制系统，控温精度达到±1.5。。以内，已投入在实际应用中。经过长期使用，系统运行稳定可靠，完全满足设计要求。

20211223_61c41c1fb7da2__模糊自整定PID控制算法在