一种基于模糊PID算法的气凝胶制备系统及辅助控制方法

本发明属于气凝胶，具体涉及一种基于模糊pid算法的气凝胶制备系统及辅助控制方法。

背景技术：

1、气凝胶制备实验室是高校进行科研和教研的重要场所，也是学生进行实践和实训课程的基地，但是传统气凝胶制备仪器，难以更新迭代，操作较为复杂且监控困难。因此，如何传统气凝胶制备仪器的迭代更新、简化优化操作、实现物联网监控，尤其是智能控制和仪器状态的云端监测，附加这些传统气凝胶制备仪器不具有的功能就显得更为重要，引起了各高校研究人员的重视。

2、当前传统的气凝胶制备实验仪器存在如下几点不足：一是气凝胶制备仪器的控制器比较单一，例如旋转阀门、温度调控旋钮、压力调控旋钮、船型电源开关等，需要使用者长时间集中注意力（大于8小时），注意温度、压力、进气流量大小等目标参数的变化，人力调整控制器的开关和旋钮，缺少智能化控制，集中化、综合化管理等优点。二是气凝胶制备仪器的监测系统单一，通过简单的数码管、压力表显示系统的实时数据，而相关负责人在远端不知道实验设备的使用情况，仪器的时时状态等，缺少云端监测与控制系统。三是气凝胶制备仪器缺少故障矫正系统，在仪器发生故障报警时不能立即提供准确的操作提示，导致使用者在慌张的情况下可能发生无效操作、错误操作，会导致昂贵气凝胶制备仪器的损坏甚至发生触电、爆炸等安全事故。

技术实现思路

1、为克服现有技术存在的技术缺陷，本发明公开了一种基于模糊pid算法的气凝胶制备系统及辅助控制方法。

2、本发明所述基于模糊pid控制方法的气凝胶制备系统，其特征在于，包括控制器模块,以及与控制器模块连接的数据采集模块、模糊pid控制模块、开关执行模块、通信模块及辅助模块；

3、所述数据采集模块包括与控制器模块连接的多路模数转换模块及与多路模数转换模块连接的多个压力传感器、温度传感器和流量传感器；所述模糊pid控制模块包括与控制器模块连接的模糊pid算法控制舵机及与所述控制舵机连接的多个舵机，每个舵机分别连接一个阀门；所述开关执行模块包括与控制器模块连接的继电器模块，以及与继电器模块连接的开关设备；所述控制器模块用于执行模糊pid算法。

4、优选的，所述通信模块包括与控制器模块连接的wifi通信模块和蓝牙通信模块，所述wifi通信模块和蓝牙通信模块分别与服务器端和手机端信号连接。

5、优选的，所述控制器模块为stm32f405rgt6。

6、优选的，所述辅助模块包括液晶显示模块、存储模块、语音交互模块和电源管理模块。

7、优选的，所述气凝胶制备系统还包括气凝胶制备装置，所述气凝胶制备装置包括干燥釜、分离釜i、分离釜ii、二氧化碳流量泵；

8、所述模糊pid算法控制舵机连接有第一舵机、第二舵机和第三舵机，所述第一舵机、第二舵机和第三舵机分别与干燥釜进气阀门、干燥釜调压阀、二氧化碳流量泵旋钮连接；

9、所述开关设备包括第一继电器、第二继电器和第三继电器，所述第一继电器、第二继电器和第三继电器分别连接干燥釜预热器温度开关、分离釜i预热器温度开关和分离釜ii预热器温度开关。

10、优选的，所述多路模数转换模块连接干燥釜内压力表、分离釜i内压力表、分离釜ii内压力表、干燥釜内温度传感器、液罐压力表；

11、本发明还公开了一种模糊pid控制方法，包括以下步骤：

12、步骤s1)将待控制参数的期望值输入到前馈控制器中，得到期望输出信号数模转换后对应的控制电压v1；

13、步骤s2)将控制电压输入到执行机构中，控制执行机构的相关设备进行相应动作；所述执行机构包括模糊pid控制模块和开关执行模块，

14、步骤s3)测量出待控制参数实际值，计算出待控制参数的期望值与实际值偏差e及偏差的变化率de/dt；

15、步骤s4)将差值e和差值的变化率de/dt输入到模糊控制器中，在模糊控制器中计算出pid控制器中的比例参数kp、积分参数ki、微分参数kd的变化量 δkp、δki、δkd，进而改变pid控制器中的参数；

16、步骤s5)将期望值与实际值的偏差e输入到pid控制器中得到控制量的调整电压值v2，叠加前馈控制器中计算得到的期望输出压力对应的控制电压v1，相加后的控制量传递给执行机构控制阀门等设备，实现闭环控制

17、本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

18、本发明可有效实现模糊pid算法的精确控制，对各个参数数据进行实时采集和自动化处理，自动调节各个阀门、开关实现精确的气凝胶制备过程控制，提高气凝胶制备效率和产物性能。

19、本发明通过通信模块与云端连接，能在云端实时监控实验室仪器的运行状态、相关参数和使用该设备的人员信息，实验室负责人能有效掌控仪器状态，为负责人提供一个信息化管理的平台，有效监管每一台实验仪器。

20、当实验设备发生故障时，监控系统能通过语音交互模块报警并给出提示，手机app端也能快速弹出对应的解决方法，这能有效避免故障时无效操作和误操作的发生，保障实验室的安全和设备的使用寿命。

21、对于需长时间运行和监守的实验设备，通过手机app端或按键端预设目标参数，能够大大减少人为调控时间占比，从而可以减少长期值守导致的疲倦，增加实验仪器的便利性和智能性。

技术特征：

1.一种基于模糊pid控制方法的气凝胶制备系统，其特征在于，包括控制器模块,以及与控制器模块连接的数据采集模块、模糊pid控制模块、开关执行模块、通信模块及辅助模块；

2.如权利要求1所述的基于模糊pid控制方法的气凝胶制备系统，其特征在于，所述通信模块包括与控制器模块连接的wifi通信模块和蓝牙通信模块，所述wifi通信模块和蓝牙通信模块分别与服务器端和手机端信号连接。

3.如权利要求1所述的基于模糊pid控制方法的气凝胶制备系统，其特征在于，所述控制器模块为stm32f405rgt6。

4.如权利要求1所述的基于模糊pid控制方法的气凝胶制备系统，其特征在于，所述辅助模块包括液晶显示模块、存储模块、语音交互模块和电源管理模块。

5.如权利要求1所述的基于模糊pid控制方法的气凝胶制备系统，其特征在于，所述气凝胶制备系统还包括气凝胶制备装置，所述气凝胶制备装置包括干燥釜、分离釜i、分离釜ii、二氧化碳流量泵；

6.如权利要求5所述的基于模糊pid控制方法的气凝胶制备系统，其特征在于，所述多路模数转换模块连接干燥釜内压力表、分离釜i内压力表、分离釜ii内压力表、干燥釜内温度传感器、液罐压力表。

7.一种模糊pid控制方法，利用如权利要求1至6任意一项所述气凝胶制备系统实现，

技术总结一种基于模糊PID算法的气凝胶制备系统，包括控制器模块,以及与控制器模块连接的数据采集模块、模糊PID控制模块、开关执行模块、通信模块及辅助模块；所述数据采集模块包括与控制器模块连接的多路模数转换模块及与多路模数转换模块连接的多个传感器；所述模糊PID控制模块包括与控制器模块连接的模糊PID算法控制舵机及与多个舵机；所述开关执行模块包括与控制器模块连接的继电器模块以及开关设备；所述控制器模块用于执行模糊PID算法。本发明可有效实现模糊PID算法的精确控制，对各个参数数据进行实时采集和自动化处理，自动调节各个阀门、开关实现精确的气凝胶制备过程控制，提高气凝胶制备效率和产物性能。技术研发人员：魏雄邦,廖家轩,李彬,潘晓宇,左金瑶,薛纪受保护的技术使用者：电子科技大学长三角研究院（衢州）技术研发日：技术公布日：2024/6/26