基于Fuzzy-PID雙加熱探空儀濕度傳感器加熱控制

張穎超，賀　磊，孫　寧，郭　棟

(南京信息工程大學信息與控制學院，江蘇南京　210044)

0　引言

高空濕度隨著高度有較大的空間變化率，探空儀濕度傳感器應(yīng)具有較高的靈敏度、響應(yīng)速度、體積小等特點[1]。當探空濕度傳感器在通過云、雨等高濕環(huán)境時容易受到影響，尤其，在低溫的時候容易發(fā)生凍結(jié)，從而，影響濕度的測量結(jié)果。為此，通常的做法是給探空儀的濕度傳感器加熱，從而，消除在上升過程中受到的環(huán)境影響[2]。文中探討雙加熱探空儀濕度傳感器的加熱控制方法，由于雙加熱探空儀能自動輪換交替加熱，從而能降低濕度傳感器因雨(云)滴浸濕、凍結(jié)等因素對濕度探測產(chǎn)生的影響。

1　加熱原理和方法

1．1加熱原理

濕度傳感器主要分為電型阻和電容型，濕敏電容一般由高分子薄膜制成。常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺等。濕敏電容主要優(yōu)點是靈敏度高、響應(yīng)速度快、濕度的滯后量小等[3]．在高空探測中，當環(huán)境溫度低于-30 ℃時，水分子在濕敏薄膜中擴散會變得相當困難，從而降低響應(yīng)速度和測量精度。雙加熱濕度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，該傳感器由測濕層、測溫層、加熱層、襯底層構(gòu)成，雙加熱濕度傳感器有2個濕度傳感器組成，2個濕度傳感器自動輪換交替工作，濕度傳感器A加熱時，濕度傳感器B在進行濕度測量，當A完成加熱進行測量時，B進入加熱。

圖1　傳感器加熱原理結(jié)構(gòu)圖

雙加熱濕度傳感器進行交替加熱時，測量周期如圖2所示簡單分為加熱環(huán)節(jié)、穩(wěn)定環(huán)節(jié)、冷卻環(huán)節(jié)，測量環(huán)節(jié)，分別用t1～t4來表示，在加熱環(huán)節(jié)加熱片使其溫度從環(huán)境溫度T1升高到目標溫度T2。在穩(wěn)定環(huán)節(jié)通過芯片中加熱電阻將傳感器溫度保持T2。在冷卻環(huán)節(jié)通過自然對流對傳感器進行冷卻，最后進入測量環(huán)節(jié)對濕度進行測量[4]。選擇Y軸方向的變化量為標準作為溫降門限TG，當溫度值低于TG就近似認為溫度不再變化，因此把冷卻過程近似分成冷卻環(huán)節(jié)和測量環(huán)節(jié)。

t1——加熱環(huán)節(jié)；t2——穩(wěn)定環(huán)節(jié)；t3——冷卻環(huán)節(jié)；t4——測量環(huán)節(jié)測量溫度門限溫度加熱溫度。

在測濕層中選用三明治交叉指型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)增加了感濕電容的電容值及傳感器的靈敏度，電極中間以聚酰亞胺薄膜作濕敏電容的介質(zhì)。根據(jù)Looyenga的半經(jīng)驗關(guān)系式[5]：

(1)

式中：ε、ε1、ε2分別為復(fù)合物、PI和水的介電常數(shù)；V為PI吸水的體積百分數(shù)，與RH值有關(guān)。

濕度越大，PI薄膜吸附的水分子越多，越大，復(fù)合物介電常數(shù)ε就增大。

那么，濕度傳感器的電容值：

(2)

式中：C為總電容值；d為聚酰亞胺介質(zhì)薄膜厚度；εr為聚酰亞胺隨濕度變化而改變的介電常數(shù)。

2　建立加熱模型

2．1擴充響應(yīng)曲線法

文中選用的濕度傳感器的大小6mm×4mm×0．625 mm，加熱層集成兩個鈦材料加熱片，其長、寬、厚分別為5 200 μm、400 μm、200 μm，將傳感器加入到測量電路中，在恒定電壓9 V下，測量得到傳感器上升的溫度T和加熱的時間t如圖3所示。

圖3　傳感器溫度隨時間變化曲線

從圖3可以看出，傳感器的加熱過程可以近似用一階慣性環(huán)節(jié)和純滯后環(huán)節(jié)來表示：

(3)

式中：K為靜態(tài)增益；T為等價時滯；τ是等價時間常數(shù)。

其單位階躍響應(yīng)如圖3所示。參數(shù)K可根據(jù)穩(wěn)態(tài)時的輸出和輸入之比確定；τ和T可采用一種基于面積測量的簡單方法確定，即按式(4)計算：

(4)

式中A01、A02和A1為圖4中對應(yīng)的面積。

圖4　Ziegler和Nichols法確定模型參數(shù)

2．2建立加熱模型

圖5　濕度傳感器加熱控制系統(tǒng)頻率特性圖

由系統(tǒng)的頻率特性圖可得，幅值穩(wěn)定裕度為+∞，相位穩(wěn)定裕度為-90°，濕度傳感器加熱片開環(huán)對數(shù)頻率特性大于0 dB的頻域內(nèi)，相位曲線對于-180°線的正負穿越次數(shù)都為0，所以閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

3　控制算法實現(xiàn)

3．1Fuzzy-PID參數(shù)整定原理

Fuzzy-PID 控制就是運用模糊數(shù)學的基本理論和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則及有關(guān)信息作為知識存入計算機知識庫中，然后計算機根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應(yīng)情況，運用模糊推理，自動實現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整[7]。Fuzzy-PID 控制器的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　Fuzzy-PID控制原理圖

3．2Fuzzy-PID控制器的設(shè)計

根據(jù)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖可知，PID參數(shù)的校正部分實質(zhì)是一個模糊控制器。以溫度的誤差e及誤差的變化率作為模糊控制器的輸入變量，經(jīng)過模糊推理，輸出量為PID參數(shù)的修正量ΔKp，ΔKi，ΔKd．在線實時整定PID的3個參數(shù)：比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki、微分系數(shù)Kd，從而實時調(diào)整PID的輸出控制信號，實現(xiàn)對PWM信號占空比的精確控制。它們的語言變量、基本論域、模糊子集、模糊論域和量化因子可見表1所示。

表1　Fuzzy-PID各個變量、論域集合

選擇各變量的隸屬度函數(shù)為均勻三角函數(shù)，這根據(jù)表1的數(shù)據(jù)在MATLAB中得到各個變量的隸屬度函數(shù)如圖7所示。

圖7　E、EC、ΔKp、ΔKi、ΔKd隸屬度函數(shù)

模糊規(guī)則表示為“if…then…”條件語句。在專家的理論知識與實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，通過不斷地仿真實驗進行調(diào)整，兩個輸入量E和EC各有7個模糊語言變量，由此可以生成49條模糊規(guī)則。

rule1：if (Eis NB)and(ECis NB)then(ΔKpis PB)(ΔKiis NB)(ΔKdis PS)

rule2：if (Eis NB)and(ECis NM)then(ΔKpis PB)(ΔKiis NB)(ΔKdis PS)

……

rule49：if (Eis NB)and (ECis PB)then (ΔKpis NB)(ΔKiis PB)(ΔKdis PB)

3．3仿真結(jié)果分析

在文獻[4]中，劉清惓等人從流體動力學(CFD)角度仿真分析得到當兩個濕度傳感器相距大于3mm時，一個傳感器加熱時，不會影響另一個傳感器周圍的溫濕度場，所以測量結(jié)果是有效的，提出了加熱的低空模式和高空模式：低空模式下(0～20 km)，在功率為0．6 W時，當溫升為46 ℃時，地面溫升時間為5．8 s．高空模式下(20～30 km)，在功率為0．4 W時，溫升為40 ℃時，高空溫升時間為5．8 s．基于以上控制要求，系統(tǒng)仿真如圖8所示。

圖8　濕度傳感器Fuzzy-PID加熱控制模型

在系統(tǒng)中，當加熱片溫度從0 ℃升至46 ℃，量化因子Ke=1．2，Kec=6，比例因子Up=0．1，Ui=0．02，Ud=0，2，PID參數(shù)的初值分別為Kp=0．04，Ki=0，29，Kd=0．18。系統(tǒng)的階躍響應(yīng)輸出曲線如圖9所示。

圖9　加熱片溫度控制仿真結(jié)果

仿真結(jié)果說明：Fuzzy-PID控制響應(yīng)速度快、超調(diào)量小，穩(wěn)定時間t=4．6 s，滿足低空模式的加熱要求，考慮條件限制，難以建立高空加熱模型，而傳感器在-60 ℃以下時響應(yīng)時間很長(60～200 s)，低氣壓下加熱后的散熱時間較長，且此時云中的水分多以小冰晶的形式存在，傳感器表面結(jié)霜的可能性較小，故可以不再進行加熱處理。

3．4帶抗干擾能力的比較

在高空濕度探測過程中有各種的擾動，所以加熱控制系統(tǒng)必須具備一定的抗干擾能力。下面在t=4 s 時加入一個幅值為1的階躍信號作為干擾信號，仿真結(jié)果如圖10所示，F(xiàn)uzzy-PID穩(wěn)定時間在t=8．6 s，對干擾能力有很好的抑制作用。

圖10　干擾的Fuzzy-PID的仿真圖

4　結(jié)論

文中研究雙加熱探空儀濕度傳感器的加熱控制過程，在加熱電路中測其溫度隨時間變化的曲線進行建模，分析其穩(wěn)定性。采用Fuzzy-PID對加熱進行控制，結(jié)果表明，文中的控制方法具有穩(wěn)定性好，穩(wěn)定時間為4．6 s，超調(diào)量為0．24%，滿足探空濕度測量的要求。但是文中研究的模型相對簡單，簡化了部分因素：由于加熱層非常薄，認為測溫層的溫度與測濕層的溫度相等，忽略加熱后對傳感器自身物理性質(zhì)的影響，這也是MEMS工藝研究的熱點與難點，在今后的研究中，將細化模型，使之更好滿足高空濕度探測的實時性和準確性。

參考文獻：

[1]袁媛，唐慧強．微型氣象探空儀的系統(tǒng)設(shè)計．儀表技術(shù)與傳感器，2009(1)：35-37．

[2]李偉，賀曉雷，齊久成．氣象儀器及測試技術(shù)．北京：氣象出版社．2007．

[3]顧磊，秦明，黃慶安．CMOS集成電容濕度傳感器．儀表技術(shù)與傳感器，2003(6)：7-11．

[4]劉清惓，楊杰，楊榮康，等．雙加熱濕度傳感器的CFD分析與加熱策略設(shè)計．傳感技術(shù)學報，2012，25(8)：1039-1044．

[5]SCHUBERT P J．A Polyimide-based Capacitive Humidity Sensor．IEEE Transactions on Electron Device，1985，ED-32(7)：1220-1223．

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[7]高學金，王普，孫崇正，等．Fuzzy-PID復(fù)合控制在連消中的應(yīng)用．儀器儀表學報，2005，26(08)：818-820．