基于ARM 的溫度智能控制系統(tǒng)設(shè)計

高磊，劉祥言

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

高低溫實(shí)驗(yàn)箱是環(huán)境實(shí)驗(yàn)中的最常見設(shè)備之一，其功能是為被測設(shè)備提供設(shè)定的溫度環(huán)境，需要實(shí)現(xiàn)對箱內(nèi)溫度的高精度穩(wěn)定控制。隨著環(huán)境測試要求的提高，對其溫度控制系統(tǒng)的控制精度及自適應(yīng)性提出更高的目標(biāo)。溫箱的熱量傳導(dǎo)具有時延性、非線性、時變性等特征[1-3]，僅采用傳統(tǒng)的PID 線性控制器很難實(shí)現(xiàn)控制性能的進(jìn)一步提升。另外，隨著計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，溫箱控制系統(tǒng)向著數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，智能控制算法得到更深入的應(yīng)用。該文采用RAM 微處理器作為核心控制處理器，利用Pt100 熱電阻作用于溫度敏感器件，通過放大、濾波等信號處理方法，實(shí)現(xiàn)溫度的高精度檢測，并通過脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation,PWM）波實(shí)現(xiàn)對功率電阻發(fā)熱量的高精度控制，并將遺傳算法應(yīng)用于經(jīng)典PID 線性控制算法中，構(gòu)建高精度智能溫度控制方案，實(shí)現(xiàn)對溫箱溫度的精確控制。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

溫度控制系統(tǒng)主要由微處理器、溫度傳感器、功率驅(qū)動電路、溫箱本體等部分組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示[4]。其中，微處理器選用ARM 處理器，作為運(yùn)算與控制核心，負(fù)責(zé)溫度的采集、控制算法的運(yùn)算及功率電路的控制，保證溫度的精確跟蹤指令軌跡。

圖1 溫度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

溫度控制的主要原理：利用Pt100 傳感器獲取溫度信號，對溫度信號進(jìn)行信號調(diào)制、濾波、偏置處理，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入至微處理器，將設(shè)定的期望溫度值與實(shí)際采集的數(shù)值進(jìn)行差值運(yùn)算，得到溫度誤差，將誤差值輸入溫度控制算法，通過運(yùn)算控制器輸出相應(yīng)占空比的脈寬調(diào)制波，通過PWM 波控制功率驅(qū)動電路的通斷，從而控制溫箱的發(fā)熱量，最終將輸出溫度收斂至期望值。系統(tǒng)硬件電路的關(guān)鍵部件包括溫度傳感器電路、功率驅(qū)動電路、微處理器三部分，下文將具體介紹這三部分的設(shè)計。

1.1 溫度傳感器電路

Pt100 熱電阻具有良好的線性度，在高精度溫度測量中得到廣泛應(yīng)用。該文選用Pt100 熱電阻作為溫度敏感器件，結(jié)合測量電路、放大器、濾波器及數(shù)模轉(zhuǎn)換等電路，構(gòu)成高精度溫度傳感器采集電路，其電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。Pt100 熱電阻的溫度變化系數(shù)很小，溫度每變化1 ℃，阻值變化0.39 Ω。為了保證熱電阻的良好線性度，采集電路選擇四線制接法，將激勵電電流和電壓檢測端分開，實(shí)現(xiàn)對Pt100 熱電阻壓降值的精確測量。

圖2 溫度傳感器采集電路

Pt100 熱電阻兩端的測量信號流入放大器，信號經(jīng)過放大與低通濾波后，經(jīng)過A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為便于微處理器運(yùn)算的數(shù)字量。其中，電阻R3、R4為電壓采集引線電阻，電阻取值較高，從而保證放大器輸入端具有非常高的阻抗，放大器輸入端電流接近于零，從而保證了激勵電電流和電壓檢測端之間的隔離，提高溫度檢測精度。Pt100 熱電阻兩端的測量信號非常微弱，需要經(jīng)過放大器將信號放大，選用的儀表放大電路具有很高的共模抑制比，可有效抑制無用的共模分量。另外，為了抑制信號中混入的干擾信號，引入二階低通濾波器對信號的高頻噪聲進(jìn)行抑制。同時，經(jīng)過A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換獲得的數(shù)字信號，可采用去極值和平均濾波等數(shù)字濾波方法進(jìn)一步進(jìn)行濾波處理，降低噪聲對真實(shí)信號的干擾。

1.2 功率驅(qū)動電路

溫箱主要采用加熱棒作為熱源，加熱棒的主要構(gòu)成部分是鋁殼功率電阻，其具有良好的散熱性能，通過控制功率電阻中通過的電流，從而控制功率電阻的發(fā)熱量[5-6]。系統(tǒng)主要通過控制脈寬調(diào)制(PWM)波的占空比，以控制功率電阻中的電流通斷，從而實(shí)現(xiàn)對平均加熱功率的控制。功率驅(qū)動電路如圖3 所示，其核心部件為一個P溝道MOS管，利用其開關(guān)特性實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電路的通斷控制，電阻R2的作用是保證功率管的源極與柵極之間的電壓值保持在極限值以下。

圖3 功率驅(qū)動電路

1.3 微處理器

綜合考慮溫控系統(tǒng)數(shù)據(jù)運(yùn)算、外圍擴(kuò)展、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)存儲等需求，系統(tǒng)選用基于ARM 結(jié)構(gòu)的S3C2440A 處理芯片，該芯片具有獨(dú)立內(nèi)存管理單元，采用厚度0.188 mm 的工藝、AMBA 總線結(jié)構(gòu)，其工作主頻高達(dá)400 MHz，運(yùn)算速度及數(shù)據(jù)存儲能力可滿足控制算法需求。另外，該芯片支持Thumb 的16位指令集，具備32 位系統(tǒng)性能，可裝載Linux 操作系統(tǒng)，為人機(jī)交互界面和智能存儲提供了良好運(yùn)行環(huán)境[7-8]?；赟3C2440A 處理芯片的嵌入式系統(tǒng)具有容量大、成本低、信息存儲可靠等優(yōu)勢，可提高數(shù)據(jù)的運(yùn)算、存儲速度，有利于高低溫測試數(shù)據(jù)的高效管理。另外，可對處理器的FLASH 空間進(jìn)行外擴(kuò)，采用Samsung 公司推出的K9F1208 FLASH 存儲芯片，該芯片的存儲容量高達(dá)8×64 MB，具備16 位數(shù)據(jù)寬度，內(nèi)部空間擁有32 塊分區(qū)，實(shí)現(xiàn)存儲空間的大幅度擴(kuò)充，為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供了充足的存儲空間。

2 溫度控制算法設(shè)計

經(jīng)典PID 控制算法具有結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)，在溫度控制工程中得到廣泛應(yīng)用，對線性時不變控制對象表現(xiàn)出良好的控制性能[9-11]。經(jīng)典PID 控制算法結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 經(jīng)典PID控制算法結(jié)構(gòu)

其以輸出誤差作為控制器的輸入量，輸入輸出的關(guān)系表達(dá)式為：

式中，u(t)表示控制器輸出量，e(k)表示設(shè)定值與實(shí)際輸出之間的誤差，kp、ki、kd分別表示比例、積分和微分參數(shù)。

實(shí)際的溫箱溫度變化具有非線性和時變性，僅采用傳統(tǒng)PID 控制器具有一定的局限性，很難對控制穩(wěn)定精度和抗擾能力進(jìn)一步提升。傳統(tǒng)PID 控制器的參數(shù)整定多采用經(jīng)驗(yàn)試湊法，存在一定的隨機(jī)性，需要已知被控對象的精確模型及其參數(shù)，工程上很難獲得被控對象的精確模型，整定的控制參數(shù)無法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。另外，已確定的控制參數(shù)，隨著控制系統(tǒng)隨時間的變化與攝動，控制性能發(fā)生變化，偏離原設(shè)定的控制效果，系統(tǒng)自適應(yīng)性不足。傳統(tǒng)PID 控制器參數(shù)整定需要進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)調(diào)試，需要消耗大量精力和時間，不利于節(jié)約成本。為了提高控制器的控制性能和自適應(yīng)性，出現(xiàn)了多種智能控制算法，包括魯棒控制、自抗擾控制、自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等[12-16]。將智能算法與PID 算法結(jié)合，可衍生出多種先進(jìn)PID 控制算法，以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能和穩(wěn)定精度。

其中，遺傳算法是仿生“優(yōu)勝劣汰”原則的搜索最優(yōu)解算法，針對復(fù)雜非線性問題具有較強(qiáng)的求解能力。將遺傳算法與PID 算法相結(jié)合，構(gòu)成基于遺傳算法的PID 改進(jìn)控制算法，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 基于遺傳算法的PID改進(jìn)控制系統(tǒng)

遺傳算法主要原理：首先生成一組初始種群，其中每個個體為控制參數(shù)kp、ki、kd的不同組合，然后建立適應(yīng)函數(shù)，并通過適應(yīng)函數(shù)對種群個體進(jìn)行評價，按照“優(yōu)勝劣汰”原則篩選出適應(yīng)度高的個體，并對個體進(jìn)行遺傳操作，主要包括交叉和變異，從而使得高適應(yīng)度個體基因得到遺傳，產(chǎn)生適應(yīng)度更強(qiáng)的新一代種群，經(jīng)過多代遺傳和進(jìn)化，最終獲得性能最優(yōu)的一組控制參數(shù)。具體可包括以下步驟。

步驟1：參數(shù)編碼。對PID 控制器的三個參數(shù)設(shè)定進(jìn)化范圍，根據(jù)溫箱控制知識經(jīng)驗(yàn)，三個控制參數(shù)的設(shè)定范圍：kp∈[0,10]，ki∈[0,1]，kd∈[0,10]。根據(jù)經(jīng)典PID 控制器設(shè)計方法，為控制參數(shù)設(shè)定一組合適的初始值。

步驟2：建立適應(yīng)度函數(shù)。溫度控制系統(tǒng)主要關(guān)注系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)指標(biāo)和靜態(tài)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，反映控制系統(tǒng)動態(tài)指標(biāo)的參數(shù)主要為系統(tǒng)階躍響應(yīng)的超調(diào)量和上升時間，反映穩(wěn)態(tài)指標(biāo)的主要參數(shù)是穩(wěn)態(tài)誤差。結(jié)合控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)指標(biāo)和靜態(tài)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)設(shè)定為：

式中，J表示適應(yīng)度函數(shù)，其數(shù)值越小表示該個體的適應(yīng)度越強(qiáng)，σ表示系統(tǒng)階躍響應(yīng)的超調(diào)量，tr表示系統(tǒng)階躍響應(yīng)的上升時間，α表示衡量參數(shù)重要度的權(quán)重值，e(t)表示期望輸出與實(shí)際輸出之間的差值。

步驟3：選擇、交叉、變異操作。選擇操作是指按照適應(yīng)度從高到低對個體進(jìn)行排序，然后淘汰一定比例適應(yīng)度低的個體，設(shè)定淘汰率為0.5。將剩余個體進(jìn)行交叉和變異操作，從而產(chǎn)生新的個體以填充個體數(shù)目，保持種群總數(shù)的不變。選取隨機(jī)交叉策略，在參數(shù)設(shè)定區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，如果隨機(jī)數(shù)超出了設(shè)定的閾值，則對個體進(jìn)行交叉操作。選取均勻變異策略，取一定的變異概率，當(dāng)個體觸發(fā)變異事件則對個體進(jìn)行隨機(jī)變異操作。

交叉算法公式為：

式中，m和n分別表示參與交叉的舊個體，z表示交叉產(chǎn)生的新個體，P表示交叉概率因子。

變異算法公式為：

式中，k表示變異前參數(shù)，k′表示變異后的新參數(shù)，q表示變異概率因子。

步驟4：判斷進(jìn)化代數(shù)是否達(dá)到了設(shè)定的最大迭代數(shù)量，或者參數(shù)是否收斂至要求精度。若已達(dá)到最大迭代數(shù)量或完成收斂，則結(jié)束迭代，獲取一組全局最優(yōu)控制參數(shù)kp、ki、kd，否則重新進(jìn)行步驟3 操作，直到完成遺傳算法的迭代。

3 仿真結(jié)果

為驗(yàn)證該溫度智能控制系統(tǒng)的控制效果，利用Simulink 仿真軟件對控制對象進(jìn)行仿真測試。設(shè)定溫箱為一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：

系統(tǒng)控制運(yùn)算周期設(shè)定為1 ms，進(jìn)行階躍指令響應(yīng)測試。階躍指令設(shè)定為典型溫度，即yd=10 ℃，利用遺傳算法對PID 參數(shù)進(jìn)行整定，樣本數(shù)量選為30，控制參數(shù)的設(shè)定范圍：kp∈[0,10]，ki∈[0,1]，kd∈[0,10]，經(jīng)過50 代的進(jìn)化，最終獲得一組最優(yōu)控制參數(shù)：kp=5.36，ki=0.12，kd=1.43?；谶z傳算法的智能控制算法與經(jīng)典PID 控制算法的控制仿真結(jié)果如圖6所示，由圖中可以看出，與經(jīng)典PID 控制算法相比較，改進(jìn)算法的階躍響應(yīng)無超調(diào)，且響應(yīng)過渡時間僅為經(jīng)典PID 控制算法的36.5%，改進(jìn)算法具有更快的響應(yīng)速度和更低的超調(diào)量。

圖6 兩種控制算法仿真結(jié)果

圖7 為適應(yīng)度函數(shù)值變化曲線，通過進(jìn)化迭代過程，適應(yīng)度函數(shù)值迅速下降，20 s 左右實(shí)現(xiàn)了收斂，適應(yīng)度函數(shù)值最終收斂至30.62。適應(yīng)度函數(shù)值越小，表明控制參數(shù)具有更優(yōu)的控制效果。適應(yīng)度函數(shù)值變化曲線表明該改進(jìn)算法能夠?qū)崿F(xiàn)控制參數(shù)的快速收斂，驗(yàn)證了最優(yōu)值解搜索的快速性。

圖7 適應(yīng)度函數(shù)值變化曲線

4 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)溫箱的溫度數(shù)字化智能控制，選取ARM 微處理器作為運(yùn)算處理器，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的數(shù)字化智能運(yùn)算，并選用Pt100 熱電阻作為溫度敏感元件，配合多種信號處理方法，實(shí)現(xiàn)溫度的高精度檢測。另外，將遺傳算法與經(jīng)典PID 算法相結(jié)合，提出一種改進(jìn)型PID 控制算法，實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)的自適應(yīng)最優(yōu)求解，利用遺傳算法搜索最優(yōu)解，通過多次的迭代求解，最終實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的最優(yōu)配置和自適應(yīng)調(diào)整。仿真實(shí)驗(yàn)表明，利用基于遺傳算法的改進(jìn)型控制算法，溫度控制系統(tǒng)具有更優(yōu)的控制精度和響應(yīng)速度。