楊青青
摘 要:針對現(xiàn)有溫濕度控制系統(tǒng)難以滿足高精度控制要求這一問題,結合單片機技術、微電子技術設計出一套基于神經(jīng)網(wǎng)絡自適應前饋解耦控制算法的溫濕度控制系統(tǒng)。
關鍵詞:溫濕度解耦 神經(jīng)網(wǎng)絡 自適應控制
Design of the Temperature and Humidity Control System based on 51 Microcomputer
Yang qingqing
Abstract:To solve the problem of temperature and humidity control systems low precision control, this paper introduces a kind of temperature and humidity control system based on 51 microcomputer and micro-electricity technology combining neural network with decoupling control.
Key words:decoupling,? neural network,? adaptive control
1 引言
溫濕度控制在農(nóng)林、生物、醫(yī)藥、化工、材料等領域都有著至關重要的作用,
現(xiàn)階段,對溫、濕度的控制普遍采用兩路PID算法分別控制溫度和濕度。PID控制具有穩(wěn)定性強、魯棒性好、易實現(xiàn)等優(yōu)點。但對于溫濕度這種時變非線性系統(tǒng)和強耦合場合,如簡單地將它考慮成多個單輸入單輸出的系統(tǒng),人為地不考慮相互耦合,很難滿足溫濕度的高精度控制要求。如將溫濕度進行有效解耦,減小甚至消除二者相互耦合影響,將大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。針對這一情況,本文結合單片機技術、微電子技術設計出一套基于神經(jīng)網(wǎng)絡自適應前饋解耦控制算法的溫濕度控制系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)的總體功能介紹
系統(tǒng)主要由帶Wince 5.0系統(tǒng)的上位機和負責溫濕度控制的下位機兩部分組成。上位機負責人機界面顯示,下位機完成溫濕度數(shù)據(jù)采集和控制功能。上位機與下位機之間通過RS-485完成通信。
其中:上位機部分注重于Windows CE上操作界面的設計,窗口和窗口控件之間的消息響應以及和下位機的串口通訊,采用電容觸摸屏顯示,操作方便簡單,可同時控制1-32臺下位機。
下位機部分主要完成溫度和濕度的采集、溫度和濕度的控制,時鐘、照明等功能。系統(tǒng)主要功能模塊分布如圖1示:
RS-485通訊完成溫度和濕度信息實時發(fā)送給上位機,上位機和下位機控制參數(shù)及時同步。
2.1 上位機功能及軟硬件實現(xiàn)方案概述
上位機CPU采用Samsung公司的S3C2440芯片,主頻為400MHz。上位機裝有嵌入式操作系統(tǒng)Wince5.0。S3C2440采用先進的ARM920T內核,擁有64M SDRAM和64M FLASH,支持8/16/32位數(shù)據(jù)格式。
Wince5.0系統(tǒng)為標準模式,為精簡上位機系統(tǒng)和減小系統(tǒng)負擔,需用Platform Builder工具先對Wince5.0系統(tǒng)內核進行裁剪,去除不用的功能和驅動,生成SDK導出。在PC機上利用EVC開發(fā)Wince應用程序,可利用導出的SDK在EVC自帶的模擬器上完成對特定系統(tǒng)的功能模擬。
EVC上開發(fā)的應用程序經(jīng)模擬器仿真無誤后,經(jīng)串口或USB下載到上位機上運行。應用程序有實時顯示溫濕度測量數(shù)據(jù)、修改和顯示控制參數(shù)、打印等功能。人機界面部分通過5.6寸電容觸摸屏顯示和操作。
2.2 下位機功能及軟硬件實現(xiàn)方案概述
本系統(tǒng)下位機主芯片選用增強型51單片機STC12LE5A32AD,晶振頻率11.0592MHz。STC12LE5A32AD工作電壓為2.2-3.6V(本系統(tǒng)使用3.3V),有40個通用I/O口和4個16位定時器,片上集成1280字節(jié)RAM和28K EEPROM,程序空間達到32K,完全能滿足系統(tǒng)需求。另外,它內部集成8路高速10位A/D轉換(最高可達25萬次/秒),支持ISP/IAP,為系統(tǒng)的開發(fā)提供極大便利。
溫、濕度的采集和控制工作主要由下位機完成,它擁有按鍵、顯示、時鐘和485通信等功能,能脫離上位機作為傳統(tǒng)的溫濕度控制器。
溫度采集分箱體溫度采集和環(huán)境溫度采集兩部分。箱體溫度采集使用PT100,PT100的電阻值隨溫度值變化。PT100上的電壓值經(jīng)適當放大后接到STC芯片的AD功能腳。10位采集值經(jīng)濾波、標度換算以后得到箱體溫度值,精度為0.1℃,誤差為±1℃。環(huán)境溫度采集使用AD7416芯片,AD7416自帶10位AD轉換,測量范圍-55-125℃,測量精度達0.25℃。AD7416的更新速率達400us,通過I2C將環(huán)境溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給STC主芯片。
濕度采集采用電壓輸出式濕度傳感器HM1500。HM1500的供電電壓為5V,輸出電壓范圍為1-4V,經(jīng)電路轉換成低于3.3V的范圍傳送給STC的AD功能腳。同樣AD轉換成的10位采集值,經(jīng)濾波、標度換算以后得到濕度測量值,精度為1%RH。
下位機除了完成溫濕度采集和控制功能,還設計了LCD顯示、按鍵、時鐘、照明等功能。
本系統(tǒng)設計的溫濕度控制器有定時預約和定時運行等功能,可定時1-10個時間段,每段的溫濕度可以單獨設定,同時可以多段數(shù)依次循環(huán)運行1-30次。
3 神經(jīng)網(wǎng)絡自適應解耦控制算法
本系統(tǒng)采用神經(jīng)網(wǎng)絡自適應控制算法,結合解耦設計,設計出溫度和濕度雙變量非線性系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡自適應解耦控制器。
系統(tǒng)采用單隱層線性輸出的靜態(tài)BP網(wǎng)絡,多輸入多輸出的神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)可以表示為:yo=NN[W,z],式中yo表示神經(jīng)網(wǎng)絡的輸出;z為神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入向量;W為網(wǎng)絡的權值。神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入向量z是(2-5)式中的x(t)的所有元素按照順序排列成(n+m)×k維的列向量,而x(t)是非線性系統(tǒng)的n個輸出向量和m個輸入向量排列而成。
由于神經(jīng)網(wǎng)絡具有自我學習功能,可以用小幅值的噪聲(非線性干擾項)在平衡點附近加入到系統(tǒng)輸入中,由此得到輸入輸出數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)集,以供神經(jīng)網(wǎng)絡自我訓練作為理想模型用來比較。經(jīng)過足夠多的離線訓練,可以得到一組神經(jīng)網(wǎng)絡,在遠點的某一領域內充分逼近確定性非線性系統(tǒng)。靜態(tài)BP網(wǎng)絡不僅可以逼近任意非線性函數(shù),同時還逼近該函數(shù)的導數(shù),即可以逼近系統(tǒng)的變化率。這樣就可得到A(z-1)和B(z-1)的估計值(z-1)和(z-1)。然后用另外一組神經(jīng)網(wǎng)絡在線逼近v[x(t)]項k1(t),實現(xiàn)自校正解耦。由于(z-1) y(t+1)-(z-1)u(t)為期望值,所以實際上該神經(jīng)網(wǎng)絡逼近的是非線性項和線性未建模動態(tài)之和。
神經(jīng)網(wǎng)絡前饋自適應解耦控制算法的實施步驟如下:
(1)用(z-1)和(z-1)代替A(z-1)和B(z-1),通過多次試驗“湊”P(z-1),Q(z-1),S滿足(2-28)式和(2-31)式,然后通過(2-27)式和(2-29)式計算R,K;
(2)得到輸入輸出數(shù)據(jù)y(t),y(t-1),…,u(t-1),u(t-2),…;
(3)將x(t)=[ y(t-n+1),…,y(t);u(t-m),…,u(t-1),u(t-1)]輸入網(wǎng)絡NNk1[·],k1=1,…,k,得到估計值(t);
(4)用(2-24)式計算控制量u(t);
(5)將u(t)加到系統(tǒng)(2-4)式得到y(tǒng)(t +1);
(6)x(t)=[y(t-n+1),…,y(t);u(t-m),…,
u(t-1),u(t)]作為神經(jīng)網(wǎng)絡NNk1[·]的輸入,以(z-1) y(t+1)-(z-1)u(t)為期望值將NNk1[·]依次訓練一遍;
(7)回到第二步,不斷循環(huán)。
將上節(jié)的神經(jīng)網(wǎng)絡自適應解耦的控制算法過程在下位機控制程序中實現(xiàn),即把數(shù)學公式編程用C語言表達。通過專門的溫濕度監(jiān)控應用軟件把記錄制過程,發(fā)現(xiàn)整個控制過程升溫和降溫都十分平穩(wěn),濕度控制也是如此,幾乎沒有明顯的超調現(xiàn)象。即使是恒溫狀態(tài)時,濕度每分鐘變化5%,溫度的波動也十分?。ā?.5℃的范圍波動)。
圖2為環(huán)境溫度在15.5℃,環(huán)境濕度在23%RH的一個溫濕度控制實時記錄曲線圖。目標溫度為50℃,目標濕度為60%RH。從圖中可知整個溫度和濕度的上升過程都比較平穩(wěn),濕度變化稍微緩慢點,這與加濕器功率大小有一定關系。整個控制過程沒有明顯的超調現(xiàn)象,達到目標溫度以后,濕度上升的時會對溫度造成一定的波動,但波動較小,并很快平穩(wěn)。當濕度和溫度都達到設定值后,整個控制曲線就變得十分平穩(wěn)。
4 結語
本系統(tǒng)依據(jù)溫濕度控制的相關指標設計出由硬件和軟件組成的系統(tǒng)方案,再結合基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的控制器控制算法,通過仿真,可以看到該控制結果精確度穩(wěn)定性顯著提高。
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