单　波，王雪萍，王洪涛，刘会华，李晓静

(1.中国建筑科学研究院，北京 100013；2.国家新闻出版广电总局二八一台，云南 昆明 650000)



自适应PID在门窗两性检测设备中的应用

单波1，王雪萍1，王洪涛1，刘会华1，李晓静2

(1.中国建筑科学研究院，北京 100013；2.国家新闻出版广电总局二八一台，云南 昆明 650000)

门窗现场气密性能与水密性能检测系统是一个复杂的闭环控制系统，其精确的数学模型的建立目前还无法实现。用常规的PID算法实现静压箱体压力的控制，稳定性较差，抗干扰能力不强，有抖动现象，很难达到较为理想的控制效果。针对这些问题，在VC++开发环境下设计了一套应用自适应PID算法控制箱体压力的测控软件，应用自适应PID控制技术，针对不同工况，通过自整定的PID参数控制执行机构，实现了较优的控制效果。

自适应PID；ActiveX控件；VC++；门窗检测；模糊控制

引用格式：单波，王雪萍，王洪涛，等. 自适应PID在门窗两性检测设备中的应用[J].微型机与应用，2016,35(16)：6-8，12.

0　引言

参考多个检测单位在门窗现场气密性能与水密性能检测设备使用过程中总结的经验以及需要改进的地方，设计了以嵌入Modbus-RTU协议无线通信功能的平板电脑作为上位机，以单片机为下位机的核心控制器进行数据采集与处理的新系统。本系统将模糊自适应PID算法运用到门窗现场检测过程压力控制中，克服了传统的控制算法中存在的不稳定性和抖动现象。近年来智能控制算法发展迅速，并且不断地应用到工业控制领域。用智能PID控制算法控制门窗两性检测过程中箱体压力，解决压力闭环控制中的技术难点，有望达到较为理想的控制效果。

1　检测系统设计

1.1系统工作原理

门窗现场气密性能[1-3]和水密性能[1-2,4]检测设备是在现场利用密封板、围护结构和外窗形成静压箱体。通过供风系统对静压箱抽风和吹风，使得检测对象两侧产生符合国家检测标准规定的压力差。从箱体引出测量孔，用压差传感器测量压力差，在通风管路上安装风速传感器间接测量空气渗透量，在外窗外侧布置适量喷嘴进行水密试验。模拟自然条件，通过检测门窗的空气渗透量和是否漏水最终判断门窗的气密性能和水密性能是否符合国家安全标准。其中检测现场检测设备安装示意图如图1所示。

图1　检测设备安装示意图

按照检测标准要求给出设定值压力曲线，由压差传感器测量反馈实时压力信号；设定压力与实测压力进行比较，得出偏差信号与偏差的微分信号，作为自适应PID[5]控制器的输入信号，经自适应PID运算后，其输出信号用来调节执行结构即智能晶闸管调压模块，调节风机转速，达到调节静压箱体压力的目的。

1.2系统构成及其功能

检测系统由上位机和下位机两部分构成，包括下位机温度、压力、差压和风速的检测系统与信号发射装置，以及上位机智能控制系统和信号处理系统。下位机主要包括数据采集模块、无线收发模块、各种传感器和执行机构等，上位机是一台嵌入了无线收发模块的平板电脑，内置系统智能测控软件。下位机包括以单片机为核心的数据采集模块(读取温度传感器)、大气压力传感器、差压传感器和风速传感器，实时检测数据信息，并通过无线收发模块将采集的数据信息发送到上位机。上位机经过数据处理与分析给出控制信号，通过无线收发模块发送给下位机控制执行结构。模拟静压箱体压力控制的性能优劣是门窗气密性能与水密性能检测是否精确的关键因素。

系统总体结构图如图2所示。

图2　检测系统总体结构图

本系统由数据采集模块读取差压传感器感知的实时差压信号，通过无线收发模块将实时差压信号发送给上位机平板电脑，由差压的设定曲线与实测差压值，在平板电脑中通过模糊自适应PID算法，计算得出控制量，通过晶闸管调压模块，调节风机转速，达到控制静压箱体压力的目的。

上位机测控软件采用模块化的设计思想，将系统按功能分类，主要由检测条件设定、气密检测、水密检测、综合评定、用户管理和传感器标定等主要窗口构成，每个窗口作为一个对话框，在基于FORM-VIEW的单文档应用程序中被调用。下位机主控芯片数据采集与处理模块的软件开发环境是Keil uVision4，采用C语言编程，主要包括初始化程序、主程序、数据采集与处理程序、Modbus协议通信程序等。上位机与下位机之间的通信采用Modbus-RTU协议，通过RS485无线数据透传模块进行无线通信。

2　自适应PID控制算法实现

2.1自适应PID算法分析

门窗两性现场检查设备中，构成静压箱的密封板、围护结构和外窗等装置的密封性能、环境温度和大气压力以及实时的控制参数和设定参数等都对压力的控制系统有很大影响，而这些因素是时变的、动态的，存在很大的不确定性，用传统的PID控制算法，调节时间过长，超调量过大，控制效果不太理想。然而智能PID控制算法是解决这一问题的有效办法，将操作人员的经验信息存入知识库，根据控制系统现场实际响应情况运行模糊推理，即可实现对PID参数的最佳整定[6]。

模糊自适应PID控制器是根据不同时刻的偏差和偏差变化率信号，应用模糊推理原理，实时调整PID参数，从而达到PID参数的自整定[7]。其中模糊自适应PID控制器的结构原理图如图3所示。该模糊自适应PID控制器的模糊算法部分拥有三个输出变量以及两个输入变量。控制器通过对设定值与反馈值的比较，得出系统的压力偏差以及偏差的变化率，将量化后的偏差和偏差变化率进行模糊化，然后进行模糊推理，最后通过解模糊实现对PID的比例系数kp、积分系数ki和微分系数kd三个参数的自整定，保证了对于不同的偏差以及偏差变化率，控制系统都具有最好的静态性能以及动态性能。

图3　模糊自适应控制器结构图

2.2自适应PID(ActiveX)控件的设计

门窗两性检测设备的测控软件是在VC++环境下开发的，为了方便在VC++环境中应用自适应PID算法，将自适应PID算法做成ActiveX控件。VC++提供了两种制作ActiveX控件的方法，一种是通过ATL COM AppWizard向导编写ActiveX控件，生成DLL文件。另一种是通过MFC ActiveX Control Wizard向导编写ActiveX控件，生成OCX控件[8]。MFC是创建ActiveX 控件的强大工具, 可以快捷地创建ActiveX控件, 可以创建控件的方法、属性、事件和异步属性及剪贴板支持等高级选项。

本门窗两性测控软件选用后一种方法，通过MFC向导制作自适应PID控件。通过MFC ActiveX Control Wizard 生成工程框架(工程名为Pid)，VC++会自动生成三个类：CPidApp，CPidCtrl，CPidPropPage。在CPidPropPage属性对话框类中实现属性页和控件属性的关联[9]。在CPidCtrl类中编写自适应PID控制算法。

首先对采样值即偏差e和偏差变化率de通过量化因子将其量化为模糊输入，即模糊化处理；其次按照模糊控制规则表进行模糊推理，从而得出模糊控制器的模糊输出值；然后采用加权平均法进行去模糊化处理，得到精确的控制量输出，经过适当的处理转换为可以作用于控制器的控制量输出信号。

在本测控系统中数据采集模块模拟量第三输入通道0～5 V的电压信号对应的数字量是0～10 000，对应差压传感器压力-5 000 Pa～5 000 Pa，正压差和负压差是由切换进风口实现的，即对静压箱吹风与抽风来实现。数字量0～5 000对应差压-5 000～0 Pa，数字量5 000～10 000对应差压0～5 000 Pa，所有在编写自适应PID算法时，都要区分是正压差还是负压差。其自适应PID控制算法的流程图如图4所示。

图4　自适应PID算法流程图

2.3自适应PID算法在系统中的实现

将自适应PID算法做成ActiveX控件，注册成功后，在VC++软件开发过程中直接调用[10]。在门窗气密性能与水密性能检测试验压力控制过程中，PID控件的入口参数有设定压力值、实测压力值、输出控制量上限值、输出控制量下限值、周期五个参数，出口参数有控制量一个参数。为了防止控制输出量超过实际执行机构工作范围和安全范围，对PID运算输出信号进行上下限设置。在调用PID控件时，首先在控件属性页中设置相关属性。按照标准要求给出设定压力曲线，由差压传感器实测得到实时压力曲线，由实时与设定压力信号的偏差与偏差的变化率求得根据实际工况条件自整定的PID参数，将参数自适应的PID算法运算输出信号作为晶闸管的控制信号，通过对风机转速的控制，达到对通入箱体风量的控制，进而实现对箱体压力的控制。

3　系统运行与结果分析

在检测现场用密封板、零配件和建筑外窗围成密闭空间，安装好供压系统和数据采集系统等，打开平板电脑中的测控软件，按照国家标准规定的检测流程进行检测实验。系统运行调试效果图如图5所示。

图5　系统运行调试效果图

图5中，左边为自适应PID算法控制的设定压力曲线与实测压力曲线，右边为常规PID算法控制的设定压力曲线与实测压力曲线。从图5中可以看出，自适应PID算法控制效果优于常规PID算法控制效果，自适应PID算法控制压力超调小，压力调节快速、稳定。

4　结论

本文将自适应PID算法运用到门窗现场两性检测设备的压力控制中，克服了传统的控制算法中存在的不稳定性和抖动现象，提高了压力控制的快速性和稳定性，并且确保了系统的控制精度。利用VC++软件的MFC ActiveX Control Wizard向导将自适应PID控制算法生成pid.ocx控件，方便了在VC++环境下或其他组态软件中开发测控软件时自适应PID算法的灵活应用。该算法对智能控制算法在工业控制领域的灵活应用有很重要的现实意义和理论意义。

[1] 王洪涛，郝志华．建筑幕墙物理性能及检测技术[M]．北京：化学工业出版社，2010．

[2] 中国建筑科学研究院.JG/T 211-2007建筑外窗气密、水密、抗风压性能现场检测方法[S]．北京：中国建筑工业出版社，2007．[3] 中国建筑科学研究院.GB/T 7107-2002建筑外窗气密性能分级及检测方法[S]．北京：中国建筑工业出版社，2003．

[4] 中国建筑科学研究院.GB/T 7108-2002建筑外窗水密性能分级及检测方法[S]．北京：中国建筑工业出版社，2003．

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[8] 侯俊杰．深入浅出MFC[M]．武汉：华中科技大学出版社，2001．

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The application of the adaptive PID in the doors and windows testing equipment

Shan Bo1，Wang Xueping1，Wang Hongtao1，Liu Huihua1， Li Xiaojing2

(1. China Academy of Building Research,Beijing 100013, China； 2. 281 Monitoring Station,State Administration of Press,Publication,Radio, Film and Television, Kunming 650000, China)

The detection system of the air tightness and water tightness performance of windows and doors is a complex closed-loop control system. Its precise mathematical model is still not achieved. The conventional PID algorithm is used to control static pressure box, but it has poor stability and anti disturbance ability, also with dithering phenomenon. So, it is difficult to achieve the ideal effect. In order to solve these problems, we designed a set of adaptive PID algorithm to control the pressure of the box in the VC++ development environment. For different working conditions, through the use of the adaptive PID control technology and self-tuning PID parameter control actuator, we achieve a more optimized control.

adaptive PID;ActiveX controls;VC++;the detection of doors and windows;fuzzy control

TP273

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.16.001

2016-03-29)

单波(1979-)，男，本科，工程师，主要研究方向：建筑节能类检测设备的开发应用及测控研究。

王雪萍(1986-)，通信作者，女，硕士，助理级工程师，主要研究方向：复杂过程的优化控制的研究以及测控软件的编写。E-mail：409562860@qq.com。