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新型单片机水温自适应测控系统(2)2004年9月

                   (4)

式(4)就是单片机的输出控制量。一般可采用式(5)形式的可调参数 的自适应律[3]

       

        >0                                  (5)

  根据Lyapunov稳定性理论可以证明这种基于直接控制算法的模型参考自适应控制系统(MRAS)是稳定的。一般可采用递推最小二乘法[4]或随机梯度学习法[5]在线辨识系统参数,以得到单片机的稳定输出

2.2 基于单片机的自适应控制的实现

单片机系统中若直接使用递推最小二乘法或随机梯度学习法来估计参数,CPU和寄存器负荷将会很大,可利用AT90S4433的EEPROM对此类算法进行简化。

在一般民用水温控制系统中,温度变化基本在5℃~70℃之间。在此范围内等温间隔测试系统电性能,获得几组温度特性数据表存于EEPROM中。系统运行时,在线比较当前系统与EEPROM中的数据,不同温度条件下取用相应的数据即可适应不同时间常数的系统。

这实际上是一种准查找表方法,充分利用了AT90S4433自带的EEPROM,分段记录不同系统的温度特性。查找表中的数据由系统实时学习产生,可在产品出厂前完成。若以16个字节记录一段温度变化规律和控制参数,256个字节就可以记录16组不同参数的系统,采用数据压缩可以记录更多。若遇到新的系统,则可替换表中第一组记录以保持最新16种系统的温度特性。由于温度环境一般不会突变,因此EEP-ROM中数据不会频繁更新,CPU也无需时刻读取环境参数,可保证CPU运行速度流畅。

本系统适用于热水器、淋浴器、取暖器、恒温水池等无冷却装置的系统。这类系统的降温依赖于环境温度,系统参数不确定,传感器与加热器之间也有时间延迟,因此要注意温度超调的部分。当温度未到给定值时,利用余热使系统加热至目标温度,加热器提前关闭。当温度受环境影响跌落时,加热器提前打开使目标温度跟踪设定值。这一超前的时间量是本系统待确定的重要参数。

2.3 程序设计

单片机程序流程图如图6所示。CPU复位后进行EEPROM参数自检,若发生问题,则读入默认参数,然后进行报警、键盘和显示循环控制。

                图6 单片机程序流程图

定时器进入中断后,首先采样输入信号并进行数字滤波。因温度为纯滞后环节,可对采得的信号取加权平均,越是最近采样到的数据其权值越高。然后根据图3进行温度线性

变换并将结果存于SRAM中,高温区和低温区分开处理以提高精度。若隔次采样温度变化规律的相对误差超过当前系统的容许度,则进行自适应参数调整,否则直接输出控制信号驱动继电器。自适应参数调整时,先进行自适应计算以决定是否要更新系统参数,然后对EEPROM进行相应的读写操作。

3 结论

   在保证系统稳定的基础上,既提高了系统适应不同环境的能力,免去不同温度环境重新调整PID控制参数的麻烦,又有效减小了继电器的吸合次数。该设计已成功应用到华东某水温恒温器的出口产品上。图7和图8为两种水温控制系统分别在室温15℃和10℃下的实测温度特性曲线图,可以看出系统达到稳定状态后,温度基本稳定在给定值附近,效果是比较理想的。

   

                图7    50 恒温水池温度-时间特性

                    图8  150L恒温水缸温度-时间特性


 


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以上资料摘录自《自动化仪表》杂志
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