基于ARM的温度控制算法的设计与实现

何　伟,戴义保,蒋　伟

(东南大学自动化学院　江苏南京　210096)

摘　要:基于ARM实现了对系统温度的控制,重点研究了温度控制算法以及在测控系统中的实现。针对大惯性温度控制对象,设计了一种采用模型偏差补偿控制原理的控制算法并应用于工业嵌入式智能温度控制系统中。实验结果表明,利用该人工智能原理设计的控制算法能够实现高精度的温度控制,可以应用在生产、科研等对温度要求高的场合。

关键词:ARM;温度控制;算法;模型偏差补偿控制;嵌入式

中图分类号:TP23　　　　　文献标识码:B　　　　　文章编号:10042373X(2008)192140203

ResearchandImplementofTemperatureControlArithmeticforARMSystem

HEWei,DAIYibao,JIANGWei

(SchoolofAutomation,SoutheastUniversity,Nanjing,210096,China)

Abstract:AtemperaturecontrolsystembasedonARMprocessor,researchoncontrolarithmeticandactualizationinthedetect2controlsystemareintroduced.Aimingattemperaturecontrolobjectwithheavyinertia,anewcontrolarithmeticbasedonthemodelgapcompensatingcontroltheoryisdesignedandappliedintheembeddedintelligentcontrolsystem.Theexperi2mentshowsthatthisarithmeticwhichisdesignedbyartificialintelligencetheoryabovecanachievethehighaccuratetempera2tureprocess,andcanbeapplicabletothehighaccuratecontrolinthemanufactureandresearchprocess.

Keywords:ARM;temperaturecontrol;arithmetic;modelgapcompensatingcontrol;embedded

　　工业生产控制过程需要应用大量智能控制仪表,尤其是温度控制。至今全世界仍有将近84%的温度控制

系统使用纯PID控制器,这是因为PID调节器具有规律简单、运行可靠、易于实现的特点。然而,温度是一种常见的过程变量,温度控制系统大都含有纯滞后环节,如果使用传统PID调节器,则容易引起系统超调和振荡以及系统参数的变化,这种随机产生的和不可准确预计的变化,无疑增加了高精度温度控制的难度。为了解决传统PID控制算法在基于智能仪表的温度控制效果不佳的状况,本文设计了一种基于ARM内核微处理器LPC2292为核心的温度控制智能仪表系统,并在此基础上通过人工智能系统中的模型偏差补偿控制原理设计的算法来达到高精度温度控制要求,实验及现场控制表明,系统可以达到0.3%的控制精度。1　系统结构

路,液晶显示扫描电路,冷端温度补偿电路,串行通信接

口(可以连接PC机用于烧写程序)等,系统硬件电路框图如图1所示。

图1　智能仪表硬件框图

温度传感器热电偶采样电阻加热器的温度,输出与采样实时温度成正比的电压信号,经过信号调理电路滤

波后送入24位高精度AD转换器AD7710,转换成相应的数字信号,同时由冷端温度补偿电路(采用智能温度传感器DS18B20)测得环境温度的冷端补偿数字量送入LPC2292微处理器内由软件进行处理,得到绝对温度值,该温度值即为被控对象的反馈信号。控制算法由嵌入式软件实现,根据参考温度值和采样得到反馈温度值以及上个控制周期的输入输出保存值,利用LPC2292快速运

系统以ARM核微处理器LPC2292为核心,外围电路包括输入放大电路(由测温热电偶、信号调理电路、A/D转换器组成),输出控制电路(由D/A转换器、电压电路转换电路、晶闸管调节器组成),键盘控制驱动电

收稿日期:2008204203

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《现代电子技术》2008年第19期总第282期算能力计算出当前控制量的大小。在输出控制部分,将此控制量送到D/A转换器MAX536转换成模拟电压控制信号。由于控制电炉的晶闸管控制器的控制信号是4～20mA的电流信号,所以需要一个电压电流转换电路

　󰃞电子技术应用󰃜要条件是:系统状态能控能观且x不会突变,f是分段连续的且关于采样周期是慢时变的。为获得对系统(1)的鲁棒控制,采用变结构控制方案,即采用滑模控制。通常先指定一条滑动线,然后根据滑动误差s或者系统的状态信息来改变控制量值,迫使系统沿滑动线运动,从而使系统对未建模动态表现出较强的鲁棒性,并使闭环系统具有了和滑动线同样的动态性能。所以,采用的模型偏差补偿控制方案具有如下形式:

u=ueq+us+uM(2)

将模拟电压控制信号转换成电流控制信号,用来控制晶

闸管调节器输出电压大小和电炉硅炭棒的发热量,进行炉温控制。串行通信口用于ARM与PC机的通信,利用PC机的开发环境进行程序的输入、汇编和调试,以及所需信息的传输。液晶显示电路和键盘扫描电路可以直接进行相关参数的在线修改。2　模型偏差补偿控制原理

其中,uM是模型偏差补偿项;us=KP3s是状态误差修正项;ueq是等价控制;s是滑动误差,s=e(n-1)+c1e(n-2)

+…+cn-1e=0,其中e=xd-x,xd为期望轨迹,ci可

对于高精度温度控制系统,其重点是需要准确地达到温度设定值。仅有快速的升温速度过程,但是达到设定温度值后却难以稳定,出现较大的超调量并且长时间振荡的温度控制方法;或者升温速度缓慢,即使能够稳定在需要达到的温度值,但是这个过程也需要很长时间温度控制的方法,都不是我们想要的。造成这两种情况的根本原因就是因为温度控制系统在实际中具有非线性的特点,相当于一个时间常数很大的惯性环节,升降温都需要一个过程,而且由于系统没有专门的降温环节,在控制

(即温度过程中当温度超过设定值时无法施加“负影响”

无法降温),只能让电炉自然散热,速度自然缓慢。由于PID控制属于一种及时控制,一旦有偏差就立即加控制,

按期望的动态性能选取。KP经过计算得到KP=1/T,

T为采用周期。其离散形式控制规律如下:

u(k)=^ueq(k)+us(k)+uM(k)

(n)(n-1)其中:^ueq(k)=xd(k)+c1e+…+cn-1󰂻e-^f

(3)

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

^(k)uM(k)=uM(k-1)+Δδ

=uM(k-1)+s(k)/T

uM(0)=0,s(0)=0,T为采样周期。

对于像温度控制这类开环稳定的时延惯性系统,模型偏差补偿控制方案的关键之一在于控制周期的选取。可以设定一个误差允许值σ,当加入阶跃输入后,系统输出状态的变化幅值落入该σ带时,便可认为系统已达稳态。通常T\"的选择是根据系统开环阶跃响应的稳定时间略为放宽而定。

因此,我们提出了相应的模型偏差补偿控制算法:

e(k)=Yr(k)-Y(k)P(k)=[Y(k)-Y(k-1)]

但是实际上温度控制系统并不能马上反应PID反馈控制量,反而会将PID反馈量叠加,出现较大的振荡。基于以上分析,为了达到高精度的控制要求,本文采用人工智能系统中的模型偏差补偿控制思想设计算法。

所谓模型偏差补偿控制就是能通过轨迹跟踪误差的测量信息估计建模误差的等效量,并加以正确补偿的一类控制,其本质是:把未建模动态对状态误差的等效影响正确估计出来,并加以补偿。未建模动态影响的是误差变化量,而不是误差本身,如果我们能从跟踪误差的信息中将其中由未建模动态造成的那部分正确分离(估计)出来,并在控制量中引入能抵消该误差的补偿控制量,这无疑是最直接也是最有效的办法。3　算法的数学模型与实现

/[U(k-1)-U(k-2)],

ε　　　若|U(k-1)-U(k-2)|≥

(4)

P(k)=P(k-1),若|U(k-1)-U(k-2)|<εUm(k)=Um(k-1)+e(k)/P(k)

U(k)=U0+Um(k)

Um(0)=U(-1)=0,U(0)=U0

其中,U0是根据控制要求由近似模型算得的前馈控制量。而Yr(k),Y(k),Um(k)和U(k)则分别为系统第

k个控制周期时刻的期望输出值、实际输出值、补偿控

(1)

假定温度控制系统对象可以写成如下形式:

x

(n)

=f(t,x,…,x

(n-1)

,w)+bu

制量和实际控制量。4　实际应用

其中:f是分段连续的时变非线性温度函数;w是分段连

续的外界干扰;b是已知常数,跟温度系统结构有关,为不失一般性,设b=1。x是系统状态量,u是输入控制。

对系统初始状态和期望轨迹起点一致的连续温度轨迹跟踪问题,模型偏差补偿控制方案能正确应用的必

本智能温度控制仪表的对象是电阻加热炉,其温度主要通过晶闸管调节器输出电压大小控制电炉硅炭棒的发热量类完成。可以近似用一阶惯性和一个延迟环

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工控技术何　伟等:基于ARM的温度控制算法的设计与实现器控制精度非常准,不会有超调,在不超过两个控制周

期就能达到期望值。

节来表示该系统的控制对象,其传递函数可以写成:

-τsKeG(s)=,取K=1,T=60,τ=80,则所研究的

Ts+1

-80se温度控制系统的数学模型为G(s)=。系统的控

30s+1

制结构图如下:

图4　系统升温曲线图2　温度控制系统结构图

5　结　语

本系统期望控温在750℃。通过Matlab仿真可以

看出系统控制对象的开环阶跃响应的稳定时间为230s,因此我们选择控制器的控制周期为240s(比开环阶跃响应稳定时间略大)。由于系统具有大的延迟,为了获得好点的动态响应曲线,我们采用变结构控制方案。采用归一化处理,将D/A转换器输出的数字量直接对应于晶闸管输出控制电流大小,即可以直接通过D/A数字量输出来得到4～20mA控制电流。前期控温阶段,为了得到较快的升温

本文针对开环稳定的惯性时延温控系统提出了一种基于模型偏差补偿原理的控制方案,算法不需要像PID控制算法那样,必须经过复杂的参数调试过程才能达到合适的控制效果。实验证明,在温度控制这类对象是大滞后的系统中,要求系统有较好的稳态精度,运用模型偏差补偿控制算法是行之有效的。关于其使用,有两点说明:

(1)所提的控制方案对于对象是否是线性、阶数如何并没有特别要求,而只是关心输出响应曲线是否稳定及稳定时间。

(2)在本文控制方案中,采样周期和控制周期是不一致的。通常采样周期取的比较小,以便较准确的得到输出状态的变化情况,而控制周期则根据对象的开环响应曲线的稳定时间略为放宽选取。

参　考　文　献

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速度,控制器直接输出对应20mA控制电流的数字量,让

电炉全功率加热。当电炉温度达到700℃时,采用模型偏差补偿原理设计的控制器,将晶闸管输出设置为原来输出的1/4,即U0=8mA,经过240s后根据实际输出进行第一次控温,再经过240s后进行第二次控温。可保证在不超过两个控制周期的时间内达到要求的期望值。

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图3　系统控制算法流程图

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[9]潘新民,王燕芳.单片微型计算机实用系统设计[M].北京:

系统控制效果如图4所示,常规PID控制算法效果也在图中显示。经过对比发现本文的控制算法优

点很明显,经过模型偏差补偿控制原理设计出来的控制

北京航空航天大学出版社,1992.

[10]杨自厚.自动控制原理[M].2版.北京:冶金工业出版

社,1990.

作者简介　何　伟　男,1983年出生,现为东南大学自动化学院在读硕士研究生。主要研究方向为检测技术与自动化装置。

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