摘要：為了擴(kuò)大粉塵測(cè)量?jī)x的測(cè)量范圍，采用一種自適應(yīng)的測(cè)量方法，即根據(jù)被測(cè)環(huán)境粉塵的濃度自動(dòng)調(diào)節(jié)傳感器的接收靈敏度，并結(jié)合相應(yīng)的軟件算法，使高、低濃度的粉塵都能得到有效測(cè)量。在設(shè)計(jì)過程中運(yùn)用PID算法對(duì)測(cè)量過程進(jìn)行控制，使測(cè)量?jī)x在運(yùn)行中進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，以降低測(cè)量數(shù)據(jù)的振蕩。通過對(duì)煙霧釋放出粉塵的濃度測(cè)量，運(yùn)用Matlab對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到了平滑的響應(yīng)曲線。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該方法有效地?cái)U(kuò)大了測(cè)量范圍，使測(cè)量范圍達(dá)到了0．01～48 mg／m3。
關(guān)鍵詞：自適應(yīng)；粉塵測(cè)量；PID；數(shù)字濾波

    隨著我國(guó)現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，空氣中粉塵的污染越來越嚴(yán)重，這一污染嚴(yán)重危害著人類健康，因此粉塵濃度的測(cè)量在治理環(huán)境污染，保護(hù)人類健康領(lǐng)域中意義重大。粉塵濃度的測(cè)量方法多種多樣，目前我國(guó)一些環(huán)保部門仍采用“濾膜稱重法”測(cè)量粉塵濃度，這種方法不能實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)測(cè)量，且測(cè)量誤差較大。國(guó)外均采用基于光散射理論的在線測(cè)量，該技術(shù)已非常成熟。目前我國(guó)也展開了基于光散射測(cè)量粉塵技術(shù)的研究，但與國(guó)外技術(shù)相比，還有很大差距。在多年對(duì)光散射法測(cè)量粉塵濃度的研究中體會(huì)到這種方法的測(cè)量范圍小，儀器數(shù)據(jù)顯示不穩(wěn)定，本文提出一種自適應(yīng)測(cè)量方法，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法能有效擴(kuò)大測(cè)量范圍，減小振蕩。

1 儀器的總體設(shè)計(jì)
    測(cè)量?jī)x主要由光學(xué)傳感器、氣路系統(tǒng)、光／電轉(zhuǎn)換、放大器、A／D轉(zhuǎn)換、微機(jī)控制與管理系統(tǒng)、電源系統(tǒng)組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。儀器的工作過程如下：

    由半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光波穿過具有粉塵的被測(cè)區(qū)域后，光學(xué)傳感器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。為確保能對(duì)信號(hào)直接進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，提高信號(hào)的抗干擾能力和儀器的靈敏度，還必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。調(diào)理后的電信號(hào)通過A／D轉(zhuǎn)換后再傳送到微處理器，通過微處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析再顯示。

2 自適應(yīng)測(cè)量的實(shí)現(xiàn)
2．1 自適應(yīng)調(diào)節(jié)原理
    采用一般傳感器測(cè)量粉塵濃度，其測(cè)量范圍約為0～3 mg／m3。為保證高濃度和低濃度的測(cè)量準(zhǔn)確性，擴(kuò)大儀器的測(cè)量范圍，本文提出了一種通過調(diào)節(jié)傳感器接收靈敏度來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)的算法(調(diào)節(jié)原理如圖2所示)，即當(dāng)被測(cè)環(huán)境的粉塵濃度較低時(shí)，提高傳感器的接收靈敏度；當(dāng)被測(cè)環(huán)境的粉塵濃度較高時(shí)，降低傳感器的接收靈敏度，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)這種方法進(jìn)行了驗(yàn)證，圖3是軟件控制流程圖。

2．2 實(shí)現(xiàn)電路
    圖4是光電轉(zhuǎn)換原理圖，Rf是程控的電阻調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，通過對(duì)Rf值的調(diào)節(jié)，改變傳感器的接收靈敏度，使不同信號(hào)值均能得到有效測(cè)量。其功能實(shí)現(xiàn)如下：當(dāng)儀器進(jìn)入測(cè)量時(shí)，微處理器發(fā)出控制命令，使傳感器處于接收靈敏度最高狀態(tài)。讀取數(shù)據(jù)后判斷傳感器是否處于最佳工作狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)溢出或不在最佳工作狀態(tài)，則改變傳感器的接收靈敏度，使其進(jìn)入最佳的工作狀態(tài)。為了使測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)一，通過軟件對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

3 測(cè)量數(shù)據(jù)的控制與處理
3．1 測(cè)量數(shù)據(jù)的濾波處理
    該測(cè)量?jī)x是數(shù)據(jù)更新率較高的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，為克服采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時(shí)隨機(jī)干擾帶來的誤差，軟件上對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)字濾波，鑒于滑動(dòng)平均濾波算法具有能夠良好抑制周期性干擾，平滑度高的特點(diǎn)，這里選取滑動(dòng)平均濾波法。其原理是：將測(cè)量數(shù)據(jù)看成一個(gè)長(zhǎng)度為N的隊(duì)列，把每次的采樣新值放人隊(duì)尾，隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)出列，其他數(shù)據(jù)前移一位，這樣隊(duì)列中始終有N個(gè)“最新”數(shù)據(jù)，再將隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)平均，從而得到新的濾波值。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
   
    式中：為第n次采樣濾波后的輸出；Xn-i為未經(jīng)濾波的第n-i次采樣；N為滑動(dòng)平均項(xiàng)數(shù)。
    數(shù)據(jù)采集過程如下：按測(cè)量鍵后，連續(xù)采樣1 min(1 min采樣10次)，此次測(cè)量顯示這一分鐘內(nèi)采樣值的平均值，繼續(xù)采樣，此時(shí)顯示值為此次采樣值與前九次采樣值的平均值，即每6 s得一個(gè)數(shù)據(jù)值，LCD可以連續(xù)顯示。當(dāng)切換測(cè)量擋時(shí)，延時(shí)采樣0.5s。
3．2 PID控制系統(tǒng)
    為防止調(diào)節(jié)傳感器接收靈敏度時(shí)由于超調(diào)或者失調(diào)引起的振蕩，使儀器讀數(shù)能夠平緩上升或者下降，這里采用PID算法加以調(diào)節(jié)，以對(duì)振蕩進(jìn)行抑制，在控制過程中采用智能判斷的方法使系統(tǒng)處于最優(yōu)狀態(tài)。PID調(diào)節(jié)器具有規(guī)律簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。
    圖5是PID控制的基本原理示意圖，其基本輸入輸出關(guān)系可表示為：
   
    式中：μ(t)為控制器輸出；e(t)為控制器輸入的偏差信號(hào)；e(t)=r(t)-c(t)。

    比例環(huán)節(jié)調(diào)整系統(tǒng)的開環(huán)比例系數(shù)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，降低系統(tǒng)的惰性，加快響應(yīng)速度；積分環(huán)節(jié)可以提高系統(tǒng)的型別，消除或減小穩(wěn)態(tài)誤差，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能得到改善；微分控制使得系統(tǒng)的響應(yīng)速度變快，超調(diào)減小，振蕩減輕。PID控制過程調(diào)節(jié)流程如圖6所示。
3．3 PID參數(shù)的設(shè)定
    PID控制參數(shù)的設(shè)定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，它是根據(jù)被控對(duì)象的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小，確保其在系統(tǒng)受到擾動(dòng)后仍保持穩(wěn)定并將誤差保持在最小值。
3．3．1 PID參數(shù)的初始值
    Ziegler Nichols方法是基于簡(jiǎn)單被控過程的Niquist曲線的臨界點(diǎn)計(jì)算PID參數(shù)初值，其整定準(zhǔn)則是要求系統(tǒng)的暫態(tài)過程衰減率為0.75，該算法簡(jiǎn)單，使用方便。本文采用4：1的衰減比性能準(zhǔn)則獲得PID參數(shù)的初始值。
    設(shè)控制系統(tǒng)有一響應(yīng)曲線，如圖7所示，給系統(tǒng)加一階躍輸入U(xiǎn)，可用一階延時(shí)系統(tǒng)近似為：
   
    式中：K為放大系數(shù)；τ為滯后時(shí)間；T為時(shí)間常數(shù)。
    設(shè)輸出值達(dá)到設(shè)定值的50％和75％時(shí)所用的時(shí)間分別為：t1和t2，則PID參數(shù)的初始值可表示為比例系數(shù)Kp=1．2U／(RL)，積分時(shí)間常數(shù)TI=2L，微分時(shí)間常數(shù)TD=0．5L。其中：斜率R=(0．75-0．5)V／(t2-t1)，滯后L=t1-(2V0-4V1)(t2-t1)／V。

3．3．2 PID的自校正調(diào)節(jié)原理
    本文利用測(cè)量誤差改變調(diào)節(jié)器的步長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的自動(dòng)整定，使輸出值平穩(wěn)快速地達(dá)到設(shè)定值。首先將采樣值與給定值的誤差絕對(duì)值分成若干個(gè)區(qū)間，各區(qū)間設(shè)定不同的步長(zhǎng)，采用不同的計(jì)算式。這里PID參數(shù)的調(diào)整周期應(yīng)小于采樣周期，采樣周期由整個(gè)放大電路的傳輸延時(shí)和后續(xù)A／D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)決定。
3．4 中斷服務(wù)程序
    中斷服務(wù)程序流程圖如圖8所示。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
    實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)煙霧釋放出的粉塵濃度進(jìn)行了測(cè)量。圖9和圖10分別是未加自適應(yīng)測(cè)量功能和加了自適應(yīng)測(cè)量功能測(cè)得的粉塵濃度值及其擬合曲線。圖中“*”是采樣得到的粉塵濃度值；“——”是用Matlab對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合后的曲線。由圖9可以看出，當(dāng)粉塵濃度達(dá)到3．1 mg／m3時(shí)，濃度不再變化，儀器達(dá)到飽和。由圖10可知：濃度較低時(shí)，儀器的響應(yīng)曲線線性度較好，能夠完整地反應(yīng)粉塵濃度的變化過程，可測(cè)得48 mg／m3的濃度值，測(cè)量范圍大大地?cái)U(kuò)大了。采用PID加以控制，數(shù)據(jù)的平滑度較好，幾乎沒有超調(diào)，測(cè)量值能夠平穩(wěn)的上升，達(dá)到了預(yù)期的效果。

5 結(jié)語
    通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用這種自適應(yīng)測(cè)量的方法可以使測(cè)量范圍達(dá)到0．01～48 mg／m3。采用PID參數(shù)的自校正調(diào)節(jié)，可以使測(cè)量曲線平穩(wěn)地過渡到設(shè)定值。PID控制結(jié)果幾乎沒有超調(diào)，穩(wěn)定時(shí)間短，在設(shè)定的目標(biāo)角度值附近振蕩少，有效抑制了調(diào)節(jié)傳感器接收靈敏度時(shí)引起的振蕩。