0引言

參考多個(gè)檢測(cè)單位在門窗現(xiàn)場(chǎng)氣密性能與水密性能檢測(cè)設(shè)備使用過(guò)程中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)以及需要改進(jìn)的地方，設(shè)計(jì)了以嵌入Modbus RTU協(xié)議無(wú)線通信功能的平板電腦作為上位機(jī)，以單片機(jī)為下位機(jī)的核心控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理的新系統(tǒng)。本系統(tǒng)將模糊自適應(yīng)PID算法運(yùn)用到門窗現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程壓力控制中，克服了傳統(tǒng)的控制算法中存在的不穩(wěn)定性和抖動(dòng)現(xiàn)象。近年來(lái)智能控制算法發(fā)展迅速，并且不斷地應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域。用智能PID控制算法控制門窗兩性檢測(cè)過(guò)程中箱體壓力，解決壓力閉環(huán)控制中的技術(shù)難點(diǎn)，有望達(dá)到較為理想的控制效果。

1檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)工作原理

門窗現(xiàn)場(chǎng)氣密性能［1 3］和水密性能［1 2,4］檢測(cè)設(shè)備是在現(xiàn)場(chǎng)利用密封板、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和外窗形成靜壓箱體。通過(guò)供風(fēng)系統(tǒng)對(duì)靜壓箱抽風(fēng)和吹風(fēng)，使得檢測(cè)對(duì)象兩側(cè)產(chǎn)生符合國(guó)家檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的壓力差。從箱體引出測(cè)量孔，用壓差傳感器測(cè)量壓力差，在通風(fēng)管路上安裝風(fēng)速傳感器間接測(cè)量空氣滲透量，在外窗外側(cè)布置適量噴嘴進(jìn)行水密試驗(yàn)。模擬自然條件，通過(guò)檢測(cè)門窗的空氣滲透量和是否漏水最終判斷門窗的氣密性能和水密性能是否符合國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)。其中檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備安裝示意圖如圖1所示。

按照檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求給出設(shè)定值壓力曲線，由壓差傳感器測(cè)量反饋實(shí)時(shí)壓力信號(hào)；設(shè)定壓力與實(shí)測(cè)壓力進(jìn)行比較，得出偏差信號(hào)與偏差的微分信號(hào)，作為自適應(yīng)PID［5］控制器的輸入信號(hào)，經(jīng)自適應(yīng)PID運(yùn)算后，其輸出信號(hào)用來(lái)調(diào)節(jié)執(zhí)行結(jié)構(gòu)即智能晶閘管調(diào)壓模塊，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)靜壓箱體壓力的目的。

檢測(cè)系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分構(gòu)成，包括下位機(jī)溫度、壓力、差壓和風(fēng)速的檢測(cè)系統(tǒng)與信號(hào)發(fā)射裝置，以及上位機(jī)智能控制系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)。下位機(jī)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、無(wú)線收發(fā)模塊、各種傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，上位機(jī)是一臺(tái)嵌入了無(wú)線收發(fā)模塊的平板電腦，內(nèi)置系統(tǒng)智能測(cè)控軟件。下位機(jī)包括以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集模塊（讀取溫度傳感器）、大氣壓力傳感器、差壓傳感器和風(fēng)速傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊將采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到上位機(jī)。上位機(jī)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理與分析給出控制信號(hào)，通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送給下位機(jī)控制執(zhí)行結(jié)構(gòu)。模擬靜壓箱體壓力控制的性能優(yōu)劣是門窗氣密性能與水密性能檢測(cè)是否精確的關(guān)鍵因素。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊讀取差壓傳感器感知的實(shí)時(shí)差壓信號(hào)，通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊將實(shí)時(shí)差壓信號(hào)發(fā)送給上位機(jī)平板電腦，由差壓的設(shè)定曲線與實(shí)測(cè)差壓值，在平板電腦中通過(guò)模糊自適應(yīng)PID算法，計(jì)算得出控制量，通過(guò)晶閘管調(diào)壓模塊，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制靜壓箱體壓力的目的。

上位機(jī)測(cè)控軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，將系統(tǒng)按功能分類，主要由檢測(cè)條件設(shè)定、氣密檢測(cè)、水密檢測(cè)、綜合評(píng)定、用戶管理和傳感器標(biāo)定等主要窗口構(gòu)成，每個(gè)窗口作為一個(gè)對(duì)話框，在基于FORM VIEW的單文檔應(yīng)用程序中被調(diào)用。下位機(jī)主控芯片數(shù)據(jù)采集與處理模塊的軟件開發(fā)環(huán)境是Keil uVision4，采用C語(yǔ)言編程，主要包括初始化程序、主程序、數(shù)據(jù)采集與處理程序、Modbus協(xié)議通信程序等。上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信采用Modbus RTU協(xié)議，通過(guò)RS485無(wú)線數(shù)據(jù)透?jìng)髂K進(jìn)行無(wú)線通信。

門窗兩性現(xiàn)場(chǎng)檢查設(shè)備中，構(gòu)成靜壓箱的密封板、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和外窗等裝置的密封性能、環(huán)境溫度和大氣壓力以及實(shí)時(shí)的控制參數(shù)和設(shè)定參數(shù)等都對(duì)壓力的控制系統(tǒng)有很大影響，而這些因素是時(shí)變的、動(dòng)態(tài)的，存在很大的不確定性，用傳統(tǒng)的PID控制算法，調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，超調(diào)量過(guò)大，控制效果不太理想。然而智能PID控制算法是解決這一問(wèn)題的有效辦法，將操作人員的經(jīng)驗(yàn)信息存入知識(shí)庫(kù)，根據(jù)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際響應(yīng)情況運(yùn)行模糊推理，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳整定［6］。

模糊自適應(yīng)PID控制器是根據(jù)不同時(shí)刻的偏差和偏差變化率信號(hào)，應(yīng)用模糊推理原理，實(shí)時(shí)調(diào)整PID參數(shù)，從而達(dá)到PID參數(shù)的自整定［7］。其中模糊自適應(yīng)PID控制器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。該模糊自適應(yīng)PID控制器的模糊算法部分擁有三個(gè)輸出變量以及兩個(gè)輸入變量?？刂破魍ㄟ^(guò)對(duì)設(shè)定值與反饋值的比較，得出系統(tǒng)的壓力偏差以及偏差的變化率，將量化后的偏差和偏差變化率進(jìn)行模糊化，然后進(jìn)行模糊推理，最后通過(guò)解模糊實(shí)現(xiàn)對(duì)PID的比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki和微分系數(shù)kd三個(gè)參數(shù)的自整定，保證了對(duì)于不同的偏差以及偏差變化率，控制系統(tǒng)都具有最好的靜態(tài)性能以及動(dòng)態(tài)性能。

2.2自適應(yīng)PID（ActiveX）控件的設(shè)計(jì)

門窗兩性檢測(cè)設(shè)備的測(cè)控軟件是在VC++環(huán)境下開發(fā)的，為了方便在VC++環(huán)境中應(yīng)用自適應(yīng)PID算法，將自適應(yīng)PID算法做成ActiveX控件。VC++提供了兩種制作ActiveX控件的方法，一種是通過(guò)ATL COM AppWizard向?qū)Ь帉慉ctiveX控件，生成DLL文件。另一種是通過(guò)MFC ActiveX Control Wizard向?qū)Ь帉慉ctiveX控件，生成OCX控件［8］。MFC是創(chuàng)建ActiveX 控件的強(qiáng)大工具, 可以快捷地創(chuàng)建ActiveX控件, 可以創(chuàng)建控件的方法、屬性、事件和異步屬性及剪貼板支持等高級(jí)選項(xiàng)。

本門窗兩性測(cè)控軟件選用后一種方法，通過(guò)MFC向?qū)е谱髯赃m應(yīng)PID控件。通過(guò)MFC ActiveX Control Wizard 生成工程框架（工程名為Pid），VC++會(huì)自動(dòng)生成三個(gè)類：CPidApp，CPidCtrl，CPidPropPage。在CPidPropPage屬性對(duì)話框類中實(shí)現(xiàn)屬性頁(yè)和控件屬性的關(guān)聯(lián)［9］。在CPidCtrl類中編寫自適應(yīng)PID控制算法。

首先對(duì)采樣值即偏差e和偏差變化率de通過(guò)量化因子將其量化為模糊輸入，即模糊化處理；其次按照模糊控制規(guī)則表進(jìn)行模糊推理，從而得出模糊控制器的模糊輸出值；然后采用加權(quán)平均法進(jìn)行去模糊化處理，得到精確的控制量輸出，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚磙D(zhuǎn)換為可以作用于控制器的控制量輸出信號(hào)。

在本測(cè)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集模塊模擬量第三輸入通道0~5 V的電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)字量是0~10 000，對(duì)應(yīng)差壓傳感器壓力-5 000 Pa~5 000 Pa，正壓差和負(fù)壓差是由切換進(jìn)風(fēng)口實(shí)現(xiàn)的，即對(duì)靜壓箱吹風(fēng)與抽風(fēng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字量0~5 000對(duì)應(yīng)差壓-5 000~0 Pa，數(shù)字量5 000~10 000對(duì)應(yīng)差壓0~5 000 Pa，所有在編寫自適應(yīng)PID算法時(shí)，都要區(qū)分是正壓差還是負(fù)壓差。其自適應(yīng)PID控制算法的流程圖如圖4所示。

2.3自適應(yīng)PID算法在系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

將自適應(yīng)PID算法做成ActiveX控件，注冊(cè)成功后，在VC++軟件開發(fā)過(guò)程中直接調(diào)用［10］。在門窗氣密性能與水密性能檢測(cè)試驗(yàn)壓力控制過(guò)程中，PID控件的入口參數(shù)有設(shè)定壓力值、實(shí)測(cè)壓力值、輸出控制量上限值、輸出控制量下限值、周期五個(gè)參數(shù)，出口參數(shù)有控制量一個(gè)參數(shù)。為了防止控制輸出量超過(guò)實(shí)際執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作范圍和安全范圍，對(duì)PID運(yùn)算輸出信號(hào)進(jìn)行上下限設(shè)置。在調(diào)用PID控件時(shí)，首先在控件屬性頁(yè)中設(shè)置相關(guān)屬性。按照標(biāo)準(zhǔn)要求給出設(shè)定壓力曲線，由差壓傳感器實(shí)測(cè)得到實(shí)時(shí)壓力曲線，由實(shí)時(shí)與設(shè)定壓力信號(hào)的偏差與偏差的變化率求得根據(jù)實(shí)際工況條件自整定的PID參數(shù)，將參數(shù)自適應(yīng)的PID算法運(yùn)算輸出信號(hào)作為晶閘管的控制信號(hào)，通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，達(dá)到對(duì)通入箱體風(fēng)量的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)箱體壓力的控制。

3系統(tǒng)運(yùn)行與結(jié)果分析

在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)用密封板、零配件和建筑外窗圍成密閉空間，安裝好供壓系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，打開平板電腦中的測(cè)控軟件，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢測(cè)流程進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試效果圖如圖5所示。

圖5中，左邊為自適應(yīng)PID算法控制的設(shè)定壓力曲線與實(shí)測(cè)壓力曲線，右邊為常規(guī)PID算法控制的設(shè)定壓力曲線與實(shí)測(cè)壓力曲線。從圖5中可以看出，自適應(yīng)PID算法控制效果優(yōu)于常規(guī)PID算法控制效果，自適應(yīng)PID算法控制壓力超調(diào)小，壓力調(diào)節(jié)快速、穩(wěn)定。

4結(jié)論

本文將自適應(yīng)PID算法運(yùn)用到門窗現(xiàn)場(chǎng)兩性檢測(cè)設(shè)備的壓力控制中，克服了傳統(tǒng)的控制算法中存在的不穩(wěn)定性和抖動(dòng)現(xiàn)象，提高了壓力控制的快速性和穩(wěn)定性，并且確保了系統(tǒng)的控制精度。利用VC++軟件的MFC ActiveX Control Wizard向?qū)⒆赃m應(yīng)PID控制算法生成pid.ocx控件，方便了在VC++環(huán)境下或其他組態(tài)軟件中開發(fā)測(cè)控軟件時(shí)自適應(yīng)PID算法的靈活應(yīng)用。該算法對(duì)智能控制算法在工業(yè)控制領(lǐng)域的靈活應(yīng)用有很重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論意義。

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