基于SOC单片机的pH值检测与控制

，Ki和Kd与偏差e和偏差变化率ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，根据模糊控制规则对3个参量进行在线修改，以满足不同e和ec对控制器参数的不同要求，而使被控对象有良好的静、动态性能。本文将偏差e和偏差变化率ec作为模糊控制器的输入，调节PID控制器的3个参数Kp，Ki和Kd，从而控制执行机构电磁阀调节输出。根据事先确定好的模糊控制规则作出模糊推理改变3个PID参数的值，利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改，修正后的PID参数则被应用到常规PID控制中用以提高系统的控制性能，这构成了自适应模糊PID，其结构如图4所示。

　　图4 自适应模糊PID的控制框图

　　将系统误差e和误差变化率ec变化范围定义为模糊集上的域，e，ec={-3，-2，-1，0，1，2，3}，其模糊子集为e，ec={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，子集中元素分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。对于单片机构成的模糊控制器，考虑到占用CPU时间，节约存储空间，减少计算量等方面的问题，隶属度函数曲线采用三角形。根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型，应用模糊合成推理设计PID参数的模糊矩阵表，查出修正参数代入下式计算：在线运行过程中，控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算，完成对PID参数的在线自校正。

　　3 计算机仿真及结果

　　3.1 仿真模型的建立与算法实现

　　数字仿真模型如图4所示，其中被控制对象包括：电磁阀传递函数，pH传感器动态特性
，pH滴定曲线的非线性特性等。运用上述模糊PID参数自整定控制方法，将模糊逻辑工具箱(fuzzy logic tool box)与Matlab函数相结合，在Matlab7.1中Simulink环境下进行了仿真研究。其中，模糊推理方法采用Mamdani型推理，去模糊化采用加权平均值方法。

　　3.2 仿真结果分析

　　为了便于比较控制效果，在常规 PID 和模糊PID 控制中PID 的3 个参数kp，ki，kd 是相同的。图5 给出了常规PID 控制与模糊PID 参数自整定算法控制仿真曲线比较，图6 是在常规PID 控制与模糊PID 均达到稳定后，在t=80s 时加扰动仿真曲线。图5、图6 中虚线所标示的是常规PID 的仿真效果，实线标示的是模糊PID 的仿真效果。从仿真结果可看出：

　　（1）模糊PID 参数自整定控制具有较小的超调量和较短的调节时间，具有较好的动态响应特性和稳态特性，它优于常规的PID 控制；

　　（2）由于模糊PID 参数自整定控制能根据工况变化过程中偏差和偏差变化率自动进行PID 参数调整，因而具有较好的自适应能力。

　　由此可见，模糊PID 参数自调整对于pH 值的控制具有较好的控制效果，具有动态性能好，稳态精度高，抗干扰性能好及较强的鲁棒性的特点。

　　图 5 常规PID 控制与模糊PID 控制效果比较

　　图 6 存在扰动时的控制效果比较

　　4 结论

　　基于 SOC 高性能单片机C8051F020 设计pH 值检测控制仪器具有性能好、抗干扰性强、有较高的性价比，针对pH 值滞后、非线性、时变、耦合性等特点采用的模糊PID 在线自适应控制方法具有动态性能好，稳态精度高，抗干扰性能好和具有较强的鲁棒性。

　　本文作者创新点：根据 pH 传感器信号检测的特点设计了pH 信号放大电路、抗干扰电路；根据pH 值测量原理提出了pH 电极的校正方法；根据水环境pH 值的特点采用了模糊PID 控制方法并仿真，同时与常规PID 控制效果做了比较。参考文献:

[1].C8051F020 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/C8051F020+_209830.html.
[2].MCS-51datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/MCS-51_477840.html.
[3].CA3140datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/CA3140_211595.html.