引言

隨著科技的進(jìn)步和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，水產(chǎn)養(yǎng)殖這一傳統(tǒng)的行業(yè)也在向工廠化和智能化方向發(fā)展。水質(zhì)監(jiān)控儀器的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖的關(guān)鍵設(shè)備。其中pH 值就是多因子水環(huán)境中一個(gè)重要的因子，本文設(shè)計(jì)了基于SOC 單片機(jī)C8051F020 的pH 值的檢測(cè)電路，并通過控制算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)多因子水環(huán)境中pH 值的控制調(diào)節(jié)。

1 硬件電路設(shè)計(jì)和pH 測(cè)量原理

本設(shè)計(jì)采用高速SOC 單片機(jī)C8051F020 既能提高儀表可靠性又能提高系統(tǒng)性能。C8051F020是集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)，具有與MCS-51內(nèi)核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有標(biāo)準(zhǔn)8051 的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件。設(shè)計(jì)中采用了C8051F020 提供的12 位A/D、D/A，能有滿足設(shè)計(jì)要求。pH 檢測(cè)控制電路框圖如圖1 所示。

圖 1 pH 檢測(cè)控制電路的框圖

1.1 pH值信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中采用pH復(fù)合玻璃電極，由于pH測(cè)量電極內(nèi)阻大，要求前置放大器有較高的輸入阻抗，設(shè)計(jì)中選用運(yùn)放CA3140，它具有輸入阻抗高、低偏置電流、低噪聲、高增益等特點(diǎn)，主要用來完成阻抗匹配、降低測(cè)量噪聲、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等。pH值信號(hào)放大電路如圖2所示。

圖2 pH值信號(hào)放大電路

1.2 pH值信號(hào)放大電路抗干擾設(shè)計(jì)

由于信號(hào)調(diào)理電路很容易受到其他信號(hào)的干擾，主要表現(xiàn)為工頻干擾，不僅僅是50Hz，50Hz的整數(shù)倍諧波頻率的干擾也不能忽視，其幅值比50Hz的干擾小。另外，50Hz工頻干擾漂移的存在使得包括這個(gè)范圍的頻率都應(yīng)視為工頻干擾。對(duì)于諧波的干擾可通過低通濾波器去掉，而要去掉49.5～50.5Hz的干擾則需要設(shè)計(jì)出性能好的陷波器。下面是筆者在pH值信號(hào)抗干擾電路中所設(shè)計(jì)的陷波電路，電路圖如圖3所示。

圖3 50Hz陷波電路

此外，電路板表面的漏電流也是不能忽略的，在電路板上附著了灰塵、污質(zhì)，或者是在環(huán)境比較潮濕的地方電路板表面的漏電流都會(huì)變得不可忽略，會(huì)影響對(duì)pH值信號(hào)的檢測(cè)。

為減小電路板表面漏電流的影響，在電路板上CA3140的輸入端放置金屬環(huán)，并且在電路板的表層和底層都相應(yīng)放置。如圖2中虛線方框所示。

1.3 pH值測(cè)量原理

電位法測(cè)量溶液pH值常用玻璃電極作為指示電極，銀-氯化銀電極作為參比電極，將兩種電極封裝在起構(gòu)成復(fù)合玻璃電極。將電極插人待測(cè)溶液，復(fù)合玻璃電極和待測(cè)溶液組成原電池，復(fù)合玻璃電極的兩條輸出引線分別為原電池的正極和負(fù)極。依據(jù)nernst方程，原電池輸出電動(dòng)勢(shì)、被測(cè)溶液絕對(duì)溫度及被測(cè)溶液pH值之間滿足如下關(guān)系：

式中：E為原電池輸出電動(dòng)勢(shì)，mV；E0為常數(shù)，為與電極材料、內(nèi)參比溶液、內(nèi)參比電極以及液接電位有關(guān)的電位差，mV；K為常數(shù)，為nernst系數(shù)；T為被測(cè)溶液的絕對(duì)溫度，K；pHx是被測(cè)溶液的pH值；Ph0是常數(shù)，為復(fù)合玻璃電極內(nèi)緩沖溶液的pH值。

由式(1)可知被測(cè)溶液的pH值和溫度共同作用產(chǎn)生原電池輸出電動(dòng)勢(shì)，因此同時(shí)測(cè)量原電池輸出電動(dòng)勢(shì)和溶液溫度就能根據(jù)式(1)計(jì)算出被測(cè)溶液的pH值。

由于玻璃電極的制造工藝等原因式(1)中參數(shù)E0和K的實(shí)際值與它們的理論會(huì)有差異并且隨著電極的老化而改變，因此必須用pH值已知的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液校正電極。由于水產(chǎn)養(yǎng)殖水環(huán)境呈堿性，故選用混合磷酸鹽(pH=6.86)和硼砂(pH=9.18)的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液進(jìn)行校正，具體校正方法如下：設(shè)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的pH值分別為PH1、pH2輸出電動(dòng)勢(shì)分別為E1和E2，在相同溫度T下標(biāo)定，由式(1)得到溶液輸出電動(dòng)勢(shì)E與pH關(guān)系如下式所示：

將兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的酸度pH1、pH2和對(duì)應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E1、E2及算出的參數(shù)K保存在E2PROM中。由式(3)得到待測(cè)溶液的pH值。

2 控制方法[4][5]

由于水產(chǎn)養(yǎng)殖最適合的pH值范圍為：7～8.5，而且pH值同水中溫度、溶解氧、浮游植物的光合作用、魚類呼吸作用、氨氮等因子相互作用。此外，酸堿中和反應(yīng)中pH值呈嚴(yán)重的非線性和滯后性，而且在中和點(diǎn)附近的斜率極大，而兩端的斜率急劇變小，在中和點(diǎn)附近具有極高的靈敏度，給控制造成很大困難；少量的雜質(zhì)會(huì)使過程特性發(fā)生嚴(yán)重畸變，難以建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型；pH傳感器的動(dòng)態(tài)特性易受環(huán)境（溫度、壓力、電極的清潔度等）變化的影響，而且外部干擾具有復(fù)雜性。

由于常規(guī)PID控制器簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠性高而廣泛應(yīng)用于過程控制，但是常規(guī)PID控制器不能在線整定參數(shù), 因而不能很好地控制非線性、時(shí)變的復(fù)雜系統(tǒng)和模型不清楚的系統(tǒng)。模糊控制器對(duì)復(fù)雜的和模型不清楚的系統(tǒng)能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單有效地控制。因此，結(jié)合傳統(tǒng)PID控制器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)考慮到模糊控制實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，提出了自適應(yīng)模糊PID控制方法。

PID參數(shù)自整定就是先找出PID控制器的3個(gè)參數(shù)Kp，Ki和Kd與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷檢測(cè)e和ec，根據(jù)模糊控制規(guī)則對(duì)3個(gè)參量進(jìn)行在線修改，以滿足不同e和ec對(duì)控制器參數(shù)的不同要求，而使被控對(duì)象有良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。本文將偏差e和偏差變化率ec作為模糊控制器的輸入，調(diào)節(jié)PID控制器的3個(gè)參數(shù)Kp，Ki和Kd，從而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥調(diào)節(jié)輸出。根據(jù)事先確定好的模糊控制規(guī)則作出模糊推理改變3個(gè)PID參數(shù)的值，利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改，修正后的PID參數(shù)則被應(yīng)用到常規(guī)PID控制中用以提高系統(tǒng)的控制性能，這構(gòu)成了自適應(yīng)模糊PID，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 自適應(yīng)模糊PID的控制框圖

將系統(tǒng)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(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。對(duì)于單片機(jī)構(gòu)成的模糊控制器，考慮到占用CPU時(shí)間，節(jié)約存儲(chǔ)空間，減少計(jì)算量等方面的問題，隸屬度函數(shù)曲線采用三角形。根據(jù)各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型，應(yīng)用模糊合成推理設(shè)計(jì)PID參數(shù)的模糊矩陣表，查出修正參數(shù)代入下式計(jì)算：在線運(yùn)行過程中，控制系統(tǒng)通過對(duì)模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運(yùn)算，完成對(duì)PID參數(shù)的在線自校正。

3 計(jì)算機(jī)仿真及結(jié)果

3.1 仿真模型的建立與算法實(shí)現(xiàn)

數(shù)字仿真模型如圖4所示，其中被控制對(duì)象包括：電磁閥傳遞函數(shù)，pH傳感器動(dòng)態(tài)特性，pH滴定曲線的非線性特性等。運(yùn)用上述模糊PID參數(shù)自整定控制方法，將模糊邏輯工具箱(fuzzy logic tool box)與Matlab函數(shù)相結(jié)合，在Matlab7.1中Simulink環(huán)境下進(jìn)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(quán)平均值方法。

3.2 仿真結(jié)果分析

為了便于比較控制效果，在常規(guī) PID 和模糊PID 控制中PID 的3 個(gè)參數(shù)kp，ki，kd 是相同的。圖5 給出了常規(guī)PID 控制與模糊PID 參數(shù)自整定算法控制仿真曲線比較，圖6 是在常規(guī)PID 控制與模糊PID 均達(dá)到穩(wěn)定后，在t=80s 時(shí)加擾動(dòng)仿真曲線。圖5、圖6 中虛線所標(biāo)示的是常規(guī)PID 的仿真效果，實(shí)線標(biāo)示的是模糊PID 的仿真效果。從仿真結(jié)果可看出：

（1）模糊PID 參數(shù)自整定控制具有較小的超調(diào)量和較短的調(diào)節(jié)時(shí)間，具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和穩(wěn)態(tài)特性，它優(yōu)于常規(guī)的PID 控制；

（2）由于模糊PID 參數(shù)自整定控制能根據(jù)工況變化過程中偏差和偏差變化率自動(dòng)進(jìn)行PID 參數(shù)調(diào)整，因而具有較好的自適應(yīng)能力。

由此可見，模糊PID 參數(shù)自調(diào)整對(duì)于pH 值的控制具有較好的控制效果，具有動(dòng)態(tài)性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，抗干擾性能好及較強(qiáng)的魯棒性的特點(diǎn)。

圖 5 常規(guī)PID 控制與模糊PID 控制效果比較

圖 6 存在擾動(dòng)時(shí)的控制效果比較

4 結(jié)論

基于 SOC 高性能單片機(jī)C8051F020 設(shè)計(jì)pH 值檢測(cè)控制儀器具有性能好、抗干擾性強(qiáng)、有較高的性價(jià)比，針對(duì)pH 值滯后、非線性、時(shí)變、耦合性等特點(diǎn)采用的模糊PID 在線自適應(yīng)控制方法具有動(dòng)態(tài)性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，抗干擾性能好和具有較強(qiáng)的魯棒性。