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新型單片機水溫自適應測控系統(2)2004年9月

                   (4)

式(4)就是單片機的輸出控制量。一般可采用式(5)形式的可調參數 的自適應律[3]。

       

        >0                                  (5)

  根據Lyapunov穩定性理論可以證明這種基于直接控制算法的模型參考自適應控制系統(MRAS)是穩定的。一般可采用遞推最小二乘法[4]或隨機梯度學習法[5]在線辨識系統參數,以得到單片機的穩定輸出 。

2.2 基于單片機的自適應控制的實現

單片機系統中若直接使用遞推最小二乘法或隨機梯度學習法來估計參數,CPU和寄存器負荷將會很大,可利用AT90S4433的EEPROM對此類算法進行簡化。

在一般民用水溫控制系統中,溫度變化基本在5℃~70℃之間。在此范圍內等溫間隔測試系統電性能,獲得幾組溫度特性數據表存于EEPROM中。系統運行時,在線比較當前系統與EEPROM中的數據,不同溫度條件下取用相應的數據即可適應不同時間常數的系統。

這實際上是一種準查找表方法,充分利用了AT90S4433自帶的EEPROM,分段記錄不同系統的溫度特性。查找表中的數據由系統實時學習產生,可在產品出廠前完成。若以16個字節記錄一段溫度變化規律和控制參數,256個字節就可以記錄16組不同參數的系統,采用數據壓縮可以記錄更多。若遇到新的系統,則可替換表中第一組記錄以保持最新16種系統的溫度特性。由于溫度環境一般不會突變,因此EEP-ROM中數據不會頻繁更新,CPU也無需時刻讀取環境參數,可保證CPU運行速度流暢。

本系統適用于熱水器、淋浴器、取暖器、恒溫水池等無冷卻裝置的系統。這類系統的降溫依賴于環境溫度,系統參數不確定,傳感器與加熱器之間也有時間延遲,因此要注意溫度超調的部分。當溫度未到給定值時,利用余熱使系統加熱至目標溫度,加熱器提前關閉。當溫度受環境影響跌落時,加熱器提前打開使目標溫度跟蹤設定值。這一超前的時間量是本系統待確定的重要參數。

2.3 程序設計

單片機程序流程圖如圖6所示。CPU復位后進行EEPROM參數自檢,若發生問題,則讀入默認參數,然后進行報警、鍵盤和顯示循環控制。

                圖6 單片機程序流程圖

定時器進入中斷后,首先采樣輸入信號并進行數字濾波。因溫度為純滯后環節,可對采得的信號取加權平均,越是最近采樣到的數據其權值越高。然后根據圖3進行溫度線性

變換并將結果存于SRAM中,高溫區和低溫區分開處理以提高精度。若隔次采樣溫度變化規律的相對誤差超過當前系統的容許度,則進行自適應參數調整,否則直接輸出控制信號驅動繼電器。自適應參數調整時,先進行自適應計算以決定是否要更新系統參數,然后對EEPROM進行相應的讀寫操作。

3 結論

   在保證系統穩定的基礎上,既提高了系統適應不同環境的能力,免去不同溫度環境重新調整PID控制參數的麻煩,又有效減小了繼電器的吸合次數。該設計已成功應用到華東某水溫恒溫器的出口產品上。圖7和圖8為兩種水溫控制系統分別在室溫15℃和10℃下的實測溫度特性曲線圖,可以看出系統達到穩定狀態后,溫度基本穩定在給定值附近,效果是比較理想的。

   

                圖7    50 恒溫水池溫度-時間特性

                    圖8  150L恒溫水缸溫度-時間特性


 


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以上資料摘錄自《自動化儀表》雜志
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