基于ＡＲＭ的溫度控制算法的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

摘 要：基于ARM實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)溫度的控制，重點(diǎn)研究了溫度控制算法以及在測控系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)。針對大慣性溫度控制對象，設(shè)計了一種采用模型偏差補(bǔ)償控制原理的控制算法并應(yīng)用于工業(yè)嵌入式智能溫度控制系統(tǒng)中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用該人工智能原理設(shè)計的控制算法能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的溫度控制，可以應(yīng)用在生產(chǎn)、科研等對溫度要求高的場合。

關(guān)鍵詞：ARM;溫度控制;算法;模型偏差補(bǔ)償控制;嵌入式

中圖分類號：TP23文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1004373X(2008)1914003

Research and Implement of Temperature Control Arithmetic for ARM System

HE Wei，DAI Yibao，JIANG Wei

(School of Automation，Southeast University，Nanjing，210096，China)

Abstract：A temperature control system based on ARM processor，research on control arithmetic and actualization in the detect-control system are introduced.Aiming at temperature control object with heavy inertia，a new control arithmetic based on the model gap compensating control theory is designed and applied in the embedded intelligent control system.The experiment shows that this arithmetic which is designed by artificial intelligence theory above can achieve the high accurate temperature process，and can be applicable to the high accurate control in the manufacture and research process.

Keywords：ARM;temperature control;arithmetic;model gap compensating control;embedded

工業(yè)生產(chǎn)控制過程需要應(yīng)用大量智能控制儀表，尤其是溫度控制。至今全世界仍有將近84%的溫度控制系統(tǒng)使用純PID控制器，這是因?yàn)镻ID調(diào)節(jié)器具有規(guī)律簡單、運(yùn)行可靠、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。然而，溫度是一種常見的過程變量，溫度控制系統(tǒng)大都含有純滯后環(huán)節(jié)，如果使用傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器，則容易引起系統(tǒng)超調(diào)和振蕩以及系統(tǒng)參數(shù)的變化，這種隨機(jī)產(chǎn)生的和不可準(zhǔn)確預(yù)計的變化，無疑增加了高精度溫度控制的難度。為了解決傳統(tǒng)PID控制算法在基于智能儀表的溫度控制效果不佳的狀況，本文設(shè)計了一種基于ARM內(nèi)核微處理器LPC2292為核心的溫度控制智能儀表系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上通過人工智能系統(tǒng)中的模型偏差補(bǔ)償控制原理設(shè)計的算法來達(dá)到高精度溫度控制要求，實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場控制表明，系統(tǒng)可以達(dá)到0.3%的控制精度。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以ARM核微處理器LPC2292為核心，外圍電路包括輸入放大電路(由測溫?zé)犭娕肌⑿盘栒{(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器組成)，輸出控制電路(由D/A轉(zhuǎn)換器、電壓電路轉(zhuǎn)換電路、晶閘管調(diào)節(jié)器組成)，鍵盤控制驅(qū)動電路，液晶顯示掃描電路，冷端溫度補(bǔ)償電路，串行通信接口(可以連接PC機(jī)用于燒寫程序)等，系統(tǒng)硬件電路框圖如圖1所示。

圖1 智能儀表硬件框圖

溫度傳感器熱電偶采樣電阻加熱器的溫度，輸出與采樣實(shí)時溫度成正比的電壓信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路濾波后送入24位高精度AD轉(zhuǎn)換器AD7710，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號，同時由冷端溫度補(bǔ)償電路(采用智能溫度傳感器DS18B20)測得環(huán)境溫度的冷端補(bǔ)償數(shù)字量送入LPC2292微處理器內(nèi)由軟件進(jìn)行處理，得到絕對溫度值，該溫度值即為被控對象的反饋信號。控制算法由嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)，根據(jù)參考溫度值和采樣得到反饋溫度值以及上個控制周期的輸入輸出保存值，利用LPC2292快速運(yùn)算能力計算出當(dāng)前控制量的大小。在輸出控制部分，將此控制量送到D/A轉(zhuǎn)換器MAX536轉(zhuǎn)換成模擬電壓控制信號。由于控制電爐的晶閘管控制器的控制信號是4~20 mA的電流信號，所以需要一個電壓電流轉(zhuǎn)換電路將模擬電壓控制信號轉(zhuǎn)換成電流控制信號，用來控制晶閘管調(diào)節(jié)器輸出電壓大小和電爐硅炭棒的發(fā)熱量，進(jìn)行爐溫控制。串行通信口用于ARM與PC機(jī)的通信，利用PC機(jī)的開發(fā)環(huán)境進(jìn)行程序的輸入、匯編和調(diào)試，以及所需信息的傳輸。液晶顯示電路和鍵盤掃描電路可以直接進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的在線修改。

2 模型偏差補(bǔ)償控制原理

對于高精度溫度控制系統(tǒng)，其重點(diǎn)是需要準(zhǔn)確地達(dá)到溫度設(shè)定值。僅有快速的升溫速度過程，但是達(dá)到設(shè)定溫度值后卻難以穩(wěn)定，出現(xiàn)較大的超調(diào)量并且長時間振蕩的溫度控制方法；或者升溫速度緩慢，即使能夠穩(wěn)定在需要達(dá)到的溫度值，但是這個過程也需要很長時間溫度控制的方法，都不是我們想要的。造成這兩種情況的根本原因就是因?yàn)闇囟瓤刂葡到y(tǒng)在實(shí)際中具有非線性的特點(diǎn)，相當(dāng)于一個時間常數(shù)很大的慣性環(huán)節(jié)，升降溫都需要一個過程，而且由于系統(tǒng)沒有專門的降溫環(huán)節(jié)，在控制溫度過程中當(dāng)溫度超過設(shè)定值時無法施加“負(fù)影響”(即無法降溫)，只能讓電爐自然散熱，速度自然緩慢。由于PID控制屬于一種及時控制，一旦有偏差就立即加控制，但是實(shí)際上溫度控制系統(tǒng)并不能馬上反應(yīng)PID反饋控制量，反而會將PID反饋量疊加，出現(xiàn)較大的振蕩。基于以上分析，為了達(dá)到高精度的控制要求，本文采用人工智能系統(tǒng)中的模型偏差補(bǔ)償控制思想設(shè)計算法。

所謂模型偏差補(bǔ)償控制就是能通過軌跡跟蹤誤差的測量信息估計建模誤差的等效量，并加以正確補(bǔ)償?shù)囊活惪刂疲浔举|(zhì)是：把未建模動態(tài)對狀態(tài)誤差的等效影響正確估計出來，并加以補(bǔ)償。未建模動態(tài)影響的是誤差變化量，而不是誤差本身，如果我們能從跟蹤誤差的信息中將其中由未建模動態(tài)造成的那部分正確分離(估計)出來，并在控制量中引入能抵消該誤差的補(bǔ)償控制量，這無疑是最直接也是最有效的辦法。

3 算法的數(shù)學(xué)模型與實(shí)現(xiàn)

假定溫度控制系統(tǒng)對象可以寫成如下形式：

x(n)=f(t，x，…，x(n－1)，w)+bu

(1)

其中：f是分段連續(xù)的時變非線性溫度函數(shù)；w是分段連續(xù)的外界干擾；b是已知常數(shù)，跟溫度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)，為不失一般性，設(shè)b=1。x是系統(tǒng)狀態(tài)量，u是輸入控制。

對系統(tǒng)初始狀態(tài)和期望軌跡起點(diǎn)一致的連續(xù)溫度軌跡跟蹤問題，模型偏差補(bǔ)償控制方案能正確應(yīng)用的必要條件是:系統(tǒng)狀態(tài)能控能觀且x不會突變，f是分段連續(xù)的且關(guān)于采樣周期是慢時變的。為獲得對系統(tǒng)(1)的魯棒控制，采用變結(jié)構(gòu)控制方案，即采用滑模控制。通常先指定一條滑動線，然后根據(jù)滑動誤差s或者系統(tǒng)的狀態(tài)信息來改變控制量值，迫使系統(tǒng)沿滑動線運(yùn)動，從而使系統(tǒng)對未建模動態(tài)表現(xiàn)出較強(qiáng)的魯棒性，并使閉環(huán)系統(tǒng)具有了和滑動線同樣的動態(tài)性能。所以，采用的模型偏差補(bǔ)償控制方案具有如下形式：

u=ueq+us+uM

(2)

其中，uM是模型偏差補(bǔ)償項(xiàng)；us=KPs是狀態(tài)誤差修正項(xiàng)；ueq是等價控制；s是滑動誤差，s=e(n－1)+c1e(n－2)+…+cn－1e=0，其中e=xd－x，xd為期望軌跡，ci可按期望的動態(tài)性能選取。KP經(jīng)過計算得到KP=1/T，T為采用周期。其離散形式控制規(guī)律如下:

u(k)=eq(k)+us(k)+uM(k)

(3)

其中:eq(k)=x(n)d(k)+c1e(n－1)+…+cn－1－

us(k)=Kps(k)=s(k)/T

uM(k)=uM(k－1)+Δ(k)

=uM(k－1)+s(k)/T

uM(0)=0，s(0)=0，T為采樣周期

。

對于像溫度控制這類開環(huán)穩(wěn)定的時延慣性系統(tǒng)，模型偏差補(bǔ)償控制方案的關(guān)鍵之一在于控制周期的選取。可以設(shè)定一個誤差允許值σ，當(dāng)加入階躍輸入后，系統(tǒng)輸出狀態(tài)的變化幅值落入該σ?guī)r，便可認(rèn)為系統(tǒng)已達(dá)穩(wěn)態(tài)。通常T\"的選擇是根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)階躍響應(yīng)的穩(wěn)定時間略為放寬而定。

因此，我們提出了相應(yīng)的模型偏差補(bǔ)償控制算法：

e(k)=Yr(k)-Y(k)

P(k)=［Y(k)－Y(k－1)］/［U(k－1)－U(k－2)］，

若|U(k－1)－U(k－2)|≥ε

P(k)=P(k－1)，若|U(k－1)－U(k－2)|<ε

Um(k)=Um(k－1)+e(k)/P(k)

U(k)=U0+Um(k)

Um(0)=U(－1)=0，U(0)=U0

(4)

其中，U0是根據(jù)控制要求由近似模型算得的前饋控制量。而Yr(k)，Y(k)，Um(k)和U(k)則分

別為系統(tǒng)第k個控制周期時刻的期望輸出值、實(shí)際輸出值、補(bǔ)償控制量和實(shí)際控制量。

4 實(shí)際應(yīng)用

本智能溫度控制儀表的對象是電阻加熱爐，其溫度主要通過晶閘管調(diào)節(jié)器輸出電壓大小控制電爐硅炭棒的發(fā)熱量類完成。可以近似用一階慣性和一個延遲環(huán)節(jié)來表示該系統(tǒng)的控制對象，其傳遞函數(shù)可以寫成：G(s)=Ke－τsTs+1，取K=1，T=60，τ=80，則所研究的溫度控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為G(s)=e－80s30s+1。系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)圖如下:

圖2 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)期望控溫在750 ℃。通過Matlab仿真可以看出系統(tǒng)控制對象的開環(huán)階躍響應(yīng)的穩(wěn)定時間為230 s，因此我們選擇控制器的控制周期為240 s(比開環(huán)階躍響應(yīng)穩(wěn)定時間略大)。

由于系統(tǒng)具有大的延遲，為了獲得好點(diǎn)的動態(tài)響應(yīng)曲線，我們采用變結(jié)構(gòu)控制方案。采用歸一化處理，將D/A轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量直接對應(yīng)于晶閘管輸出控制電流大小，即可以直接通過D/A數(shù)字量輸出來得到4~20 mA控制電流。前期控溫階段，為了得到較快的升溫速度，控制器直接輸出對應(yīng)20 mA控制電流的數(shù)字量，讓電爐全功率加熱。當(dāng)電爐溫度達(dá)到700 ℃時，采用模型偏差補(bǔ)償原理設(shè)計的控制器，將晶閘管輸出設(shè)置為原來輸出的1/4，即U0=8 mA，經(jīng)過240 s后根據(jù)實(shí)際輸出進(jìn)行第一次控溫，再經(jīng)過240 s后進(jìn)行第二次控溫。可保證在不超過兩個控制周期的時間內(nèi)達(dá)到要求的期望值。

圖3 系統(tǒng)控制算法流程圖

系統(tǒng)控制效果如圖4所示，常規(guī)PID控制算法效果也在圖中顯示。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)本文的控制算法優(yōu)點(diǎn)

很明顯，經(jīng)過模型偏差補(bǔ)償控制原理設(shè)計出來的控制

器控制精度非常準(zhǔn)，不會有超調(diào)，在不超過兩個控制

周期就能達(dá)到期望值。

圖4 系統(tǒng)升溫曲線

5 結(jié) 語

本文針對開環(huán)穩(wěn)定的慣性時延溫控系統(tǒng)提出了一種基于模型偏差補(bǔ)償原理的控制方案，算法不需要像PID控制算法那樣，必須經(jīng)過復(fù)雜的參數(shù)調(diào)試過程才能達(dá)到合適的控制效果。實(shí)驗(yàn)證明，在溫度控制這類對象是大滯后的系統(tǒng)中，要求系統(tǒng)有較好的穩(wěn)態(tài)精度，運(yùn)用模型偏差補(bǔ)償控制算法是行之有效的。關(guān)于其使用，有兩點(diǎn)說明：

(1) 所提的控制方案對于對象是否是線性、階數(shù)如何并沒有特別要求，而只是關(guān)心輸出響應(yīng)曲線是否穩(wěn)定及穩(wěn)定時間。

(2) 在本文控制方案中，采樣周期和控制周期是不一致的。通常采樣周期取的比較小，以便較準(zhǔn)確的得到輸出狀態(tài)的變化情況，而控制周期則根據(jù)對象的開環(huán)響應(yīng)曲線的穩(wěn)定時間略為放寬選取。

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作者簡介 何 偉 男，1983年出生，現(xiàn)為東南大學(xué)自動化學(xué)院在讀碩士研究生。主要研究方向?yàn)闄z測技術(shù)與自動化裝置。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文