（电路与系统专业论文）基于rtos的嵌入式温湿度控制系统的设计与应用.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：二塞墨皿 日期：l 卫啦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：基皿导师签名：监日 期：q i ，卫5 = 墨f 山东大学硕士学位论文 摘要 本文以山东省科技兴农项目为背景，研制和开发了基于r t o s 的a r m 嵌入式 微处理器的温湿度环境控制系统，实现了我们对温湿度环境控制低成本和高可靠 性的要求。 本文首先在分析目前温湿度环境控制现状的基础上，根据我们对温湿度环境 控制的低成本要求，提出了以a r m 嵌入式系统作为我们的温湿度环境控制系统， 但是考虑到系统应用的复杂性的增加会降低系统软件运行的可靠性，所以我们引 入了实时操作系统r t o s ，大大降低系统开发调试的复杂性，提高系统的可维护性、 可靠性。 其次，综述了嵌入式系统和实时操作系统的应用现状及最新进展，根据我们 温湿度环境控制系统的要求，选择了合适的嵌入式处理器和实时操作系统，设计 了基于r t o s 的a r m 嵌入式系统的温湿度环境控制系统的软硬件。 我们实地测试了系统的稳定性，采取了防雷、防电机浪涌等措施；针对农村 电网的特点，专门编写了“陷并”程序，能在掉电或设备发生复位后自动恢复现 场数据运行。此外，为了便于在线更新程序及维护，我们设计了b o o t l o a d e r 程序， 能通过串口自动进行程序升级，比较并口与j t a g 口更便于大批量的使用。 最后，将以上设计的嵌入式a r m 系统应用于烘烤自动化控制系统中，取得了 稳定、可靠的运行效果，且经济实用。同时叙述了一种简单实用和较为完备的温 室境控制系统的控制算法，及其在农业项目中的运行效果。 关键词：r t o s ，a r m ，温湿度测量，c m a c 与p i d 并行控制，电机驱动 尘耋鑫鬈誓：兰堡篁蚤 a b s t r a c t b a s e do nt h ep r o j e e l ：o ft h r i v i n ga g r i c u l t u r et e c h n o l o g i c a l l yi ns h a n d o n gp r o v i n c e , t h i sp a p e rp l a c e st h ee m p h a s i so nr & do ft h ec o n t r o ls y s t e mo ft h et e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t ye n v i r o n m e n t w i t ha r mp r o c e s s o ra n dr t o s ，w h i c hc a nr e a c ht h e r e q u i r e m e n to f l o w - p r i c ea n dh i g h - r e l i a b i l i 够 f i r s t ，w ed e v o t e do u r s e l v e st ot h ea n a l y s i so f t h es t a t u so f t h ee n v i r o n m e n tc o n t r o l o ft h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y t h e nt h ea r mc o n t r o ls y s t e mi sp u tf o r w a r da c c o r d i n g t ot h er e q u i r e m e n t b u tt h er e l i a b i l i t yo fs o f t w a r ew i l lb el o w e r e dw i t ht h ec o m p l e x i t y i n c r e a s i n go f s y s t e m u s i n gt h er e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e mc a l lr e d u c et h ec o m p l e x i t yo f d e b u gp r o c e s sa n di m p r o v et h em a i n t e n a n c ea n dr e l i a b i l i t y s e c o n d ，t h ea p p l i c a t i o ns t a t u sa n df u t u r eo fe m b e d d e ds y s t e ma n dr e a lt i m e o p e r a t i o ns y s t e ma l es u m m a r i z e d a f t e rt h ep r o p e re m b e d d e da r m a n dr t o sa l e s e l e c t e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h ee n v i r o n m e n tc o n t r o lo fg r e e n h o u s e , t h e s o r w a r ea n dh a r d w a r eo f e m b e d d e ds y s t e mi sn a r r a t e di nd e t a i l w et e s t e dt h es t a b i l i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e mo i lt h es p o ta n dm a d es o m em e a s u r e s l i k ee l e c t r i cs h o c kp r o t e c t i o n , m o t o r - s u r g ep r o t e c t i o na n ds o0 n e s p e c i a l l y , f o c u so nt h e c h a r a c t e r so f e l e c t r i cn e t w o r ki nt h ec o u n t r y s i d e w ep r o g r a m m e dt h e t r a p p r o c e d u r e , w h i c hc a nr e s t o r et h ec o n t r o ls y s t e m sw o r ka n dd a t aa u t o m a t i c a l l ya f t e rp o w e rc u to r e q u i p m e n t sr e s e t m o r e o v e r , w ed e s i g n e dt h e b o o t l o a d e r t ou p d a t es y s t e mp r o g r a m m o r ec o n v e n i e n t 戚n gs e r i a lp o r tt h a nj t a g f i n a l l y , t h i se m b e d d e da r ms y s t e mi sa p p l i e dt ot h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mf o r t o b a c c ol e a ff l u e - c u r i n g i ti sh i g h l ys t a b l ea n dr e l i a b l ei np r a c t i c e s i m u l t a n e o u s l y , a s i m p l e ，p r a c t i c a l ，c o m p l e t ec o n t r o la l g o r i t h ma n di t sc o n t r o le f f e c t sa r ei n t r o d u c e di n t h i sp a p e r k e y w o r d ：r t o s ，a r m ，t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ym e a s u r e ，c m a ca n dp i d , m o t o r d r i v e 2 山东大学硕士学位论文 1 1 概论 1 1 1 现代温室环境控制的现状 第一章绪论 现代自控温室是工农业设施中最基本的设施之一，它利用人为的方式创造一 个人工小气候环境，消除对作物生长或加工不利的环境条件，以促进作物生长或 提高n t 质量，使其部分或者全部克服土壤因素及外界气候条件的制约，从而达 到作物生产的周期短、高产出、高质量、高效益、工厂化生产的目标。这种人工 小气候环境就是通过温室环境控制系统来实现的。环境控制的主要内容是温湿度 的自动调节、热风门自动调节、冷风门自动调节、温室通风换气自动调节等。通 过控制各种相应的操作设备来达到这些要求，以尽量实现给作物创造最佳生产环 境的目的。 温室控制技术是随自动检测技术、过程控制技术、通讯技术、计算机技术的 发展而发展起来的。7 0 年代，采用模拟式组合仪表采集现场信息并以相应的模拟 式仪表进行指示、记录和控制。8 0 年代，采用数字式单元组合仪表接收现场信息 并以相应的数字式仪表进行显示、记录和控制。随着计算机技术的发展，8 0 年代 末，出现了分布式控制系统，它通过检测单元、控制单元一类的设备采集现场信 息并实现部分控制。这类系统数据采集、通讯、调控能力强，使监控技术达到一 个新的水平。9 0 年代，产生了计算机数据采集与控制系统，它具有分布式控制系 统的采集、存储、通讯、处理功能，又补偿了分布式系统体积大、价格高、应用 不便的不足。目前，世界上发达国家的玻璃温室的环境监测与控制基本上采用嵌 入式监控系统。监控系统包括嵌入式系统、控制板、通讯装置和室内测量装置， 配有温室保温、通风、加温、喷水等控制管理的配套设施( 自动或手动) 。嵌入式 监测与控制系统可对室内的环境进行自动监控和显示，考虑到各环境因子之间的 相互关系，对室内环境按不同的要求进行自动调节与控制。可控制加热系统、通 风系统、致冷系统、喷淋系统等；对采集的历史数据进行分析、统计、运算、处 理、制作报表、打印等。例如，对于不同的作物，农学专家制订出相应的促进作 物加工的日程计划表，输入控制器，然后由嵌入式监控系统对作物各个加工时期 山东太举硕+ 学位论文 的小气候环境因子进行控伟4 。 蓦箭，在莺蠹懿瀑窝琢境控割孛露蒡l 豹是工媲诗算辊霾麓系统，工踅诗簿撬 除具有普通计算机的软硬件功能外，还具有抗干扰能力强、可靠性高、防护性能 好并采用了防尘屏蔽措禳，同时，搬攥工业上多种傣号参数的鼹求，设计提供了 多耱詹号输入、输毒搂秘扳专，霹戳方便遍满是z 泣瑷场控钥黉隶。由王救计算 机组成的控制系统主要裔以下几个优点，第一，计算能力强，阿以方便地实现实 时处理数掇。第二，工控枫可以在恶劣的环境中运牢亍，可靠性怒、稳定性和抗千 魏往努。第三，并发瘸觏短。餐是j 毙方案成本较藏，紊线极其复杂，两置麓集中 式控制，最大的问题是纸险过于集中，一旦工业计算机出现问照，将会导致搬个 系统的瘫痰。 可编稳序控翻器( p i _ c ) 也是溢塑环境控裁过程中最常用静羟稍器之一。它采 用可编程序存储器，通过内部可编程序存储器，执行逻辑运算、顺序控制、宓时、 计算等瑟向熙户的撂令，势通过数字式或模拟式簸入、输出控制各释类型的枧械 藏生产过糕。其最大静优点是实现颓序逻辑控制功能并且工彳乍稳定性可靠往很高， 但其可扩展性、通讯能力、运算能力、模拟量处蠼能力都相对较差，不适合我们 对于温室环境控制的要求。 近年来，现场总线藏制系统取得了迅速的发鼹，现场总线怒综合运用微处理 器技术、网络技术、通信技术和自动控制技术的产物。它把微处理器置入现场自 获设备、使设备其有数字计箕蠢数字遮蕊缝力，这方瑟提惑了信号静测羹、控 制和传输精度，同时为丰富控制信息的内容，实现其远程传送创造了条件。但是 目前现场总线设备比较昂贵，不能满足我们对于低成本的要求。 1 1 。2 瓣题瓣疆鑫 使用嵌入式控制器也是我们在控制中经常使用的一种手段。考虑到温室环境 控毒的复杂髅戳及设施农渡的低成本燃，利用嵌入式控制系统缀成一个分蠢忒控 铡系统，不仅能够分散撩制危险雨搀辩系统的可靠健，丽且能够根据温室环境控 制的要求进行扩展。 在嵌入式控制系统开发黪运爱孛，逶常要馒爝备耱孛鼗，绽剿申叛黢务稷彦， 当中断要处理的东西很多时，就会导致中断服务程序执行时间过长。这时如果有 另外的中断发生，嵌入式控制系统就不能及时地进行处理，在这种情况下，可能 4 山东大学硕士学位论文 导致不能响应一些实时性要求高的中断。过去一个嵌入式控制系统应用程序所控 制的外设和履行的任务不多，采取一个主循环和几个顺序调用的子程序模块即可 满足要求。目前a r m 微处理器的性能大幅度超过单片机芯片的性能，可以适应应 用更复杂化这一要求，问题在于软件上。随着应用的复杂化，要求控制器能够实 现实时响应、实时操作。系统需要处理很多任务，而且各个任务之间又有多种信 息的传递，这就会带来两个问题：第一，中断可能得不到实时响应，从而造成系 统工作的拥塞。中断处理时间过长，对于一些控制场合是不允许的。在网络通信 方面则会降低系统整体的信息流量。第二，系统任务多时，要考虑的各种可能性 也就很多，各种资源的调度不当就会发生死锁，降低软件可靠性，而且程序编写 工作量就会成指数增加。 温室环境作为一个控制对象，它是一个非线性、分布参数、时变、大时延、 多变量耦合的复杂对象。要想有效地控制温室环境，必须对控制算法和控制手段 上提出较高的要求，需要实时地进行多点的数据采集、回路控制和驱动执行机构， 并且需要通过通讯网络与其他设备之间交换实时数据。同时，对系统的可靠性的 要求很高，因为系统一旦出现问题，就会导致作物不能正常生长变化。 而为了适合国内的情况，在满足经济效益最高的前提下必须使得温室成本尽 可能低，即采用低成本环境自动调控技术 1 2 】。 基于以上的分析，从设施农业的低成本角度和可靠性出发，本文在嵌入式a r m 系统中引入实时操作系统( r t o s ) ，由操作系统来控制系统的硬件资源，调度各个 任务，这样可以大大提高系统的可靠性，同时对于过程控制、数据采集、通信等 对时问敏感的场合，可以提高其实时性。 1 1 3 嵌入式系统和实时操作系统 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性 等方面均受到应用要求的制约，和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件和软件都 必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的 性能，这样才能在具体应用对处理器的选择面前更具有竞争力。嵌入式处理器要 针对用户的具体需求，对芯片配置进行裁剪和添加才能达到理想的性能；但同时 5 山东犬学硕学位论文 还受用户订货量的制约。因此不同的处理器面向的用户是不一样的，可能魑一般 题户，孬魏麓户或擎一溺户。 其实，嵌入式c p u 有着悠久的历史，早在七、八十年代就融有四位和八位的 嵌入式c p u 应用于工业控制等专业领域，随着人们对智能控制需求的不断增长嵌 入式c p u 纛发震笺了1 6 经乃至臻藐楚强兹3 2 链，结籀上遣扶传统魏c i s c 发震 到r i s c 结构。 早期的嵌入式系统搬本裁没有操体系统，这一除段的嵌入式系统是以霹编程 控裁器静形式、以单芯靖为孩心的系统，丽时具帮与一些釜溺、伺藏，指示设备 相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业按制系统中，一般 没有明显的被称为操作系统( r t o s ) 的支掩，覆是邋避汇编语言缡援对系统遴褥直 接控翻，远行结束螽瀵涂内存。这一阶段系统静_ 羡爱特点是系统结梅和功能都相 对单一，针对性强，但凭操作系统支持，几乎没有用户接口。对很简单的嵌入式 系统来说，这可能己经足够，不过，随着嵌入式系统在复杂馒上的增长，一个操 作系统显得霾要起来，褥剐的话，将经 u o ) 附派进行线性他，得 e = 警 ( 3 2 ) 予是胃褥式3 。1 ) 瑟藏兹增量檄分方程 艘警+ 觑t = k a u 令f m ck 墨 拭去醴 则上式可写为 f ：d a t + a t ：k a 群 廖 于是可得温室内温度变化量对控制电压交化繁之间的传递函数为 g 。a t ( s ) ：量 、7 a u ( s ) 嚣+ l 再加上温室是一个鼹有热容量的对象，当系统工作以后，加热炉的温度逐渐 升高，通过炉壁热传递和热辐射使温室内温度也逐渐升高，温嶷有一定的容最滞 螽：另钤，麓滠凄簧感器测量汪度露，蕊号捷竣其露一定静楚涝嚣；其余巧繁霹视 为比例环节。所以，一般将温室视为个一阶惯性环节附加个滞后环节的对象， 其传递函数表示为 山东大学硕士学位论文 g ( s ) = 量t s + 1 8 4 其中：t 为加热炉的时间常数，t = r c ( c 为加热炉热容，r 为热阻) ；k 为比 例系数；f 为纯滞后时间，单位为s ；s 为复频域。 3 2p i d 控制 3 2 1p i d 控制原理 常规的p i d 控制系统框图如图3 1 所示 图3 1 常规p i d 控制系统 在连续控制系统中，p i d 控制器的输出u ( 0 - 与输入e ( t ) 之间成比例、积分、微 分的关系。即 砸m 卜扣肌乃刳b ：， 式中：e ( t ) = “t ) 一y ( t ) ，k c 为比例增益，t i 为积分时间常数，t d 为微分时间常数。 在嵌入式自动控制系统中，使用比较普遍的也是p i d 控制策略。此时，数字 调节器的输出与输入之f m 的关系为 “c t d = 墨 e c t 7 ，+ 詈妻e c z r ，+ 等p c t 丁，一e c 七r r ，廿 c s 4 ， 其中：k 、t i 、t d 分别为比例系数、积分时间常数和微分时间常数；t 为采样周 期；k 采样序号，k = 0 12 ；u ( k t ) 为第k 次采样时刻的嵌入式自动控制系统输出 值：e ( k 1 ) 为第k 次采样时刻输入的偏差值；e ( k t - t ) 为第( k - 1 ) 次采样时刻输入的偏差 值【4 】。 山东大学硕七学位论文 3 2 2 数字p i d 调节器 p i d 控制器主要有两种算法，位鬣式算法和增艇式算法( 陶永华等，1 9 9 9 ) ，下面 分别讨论两种算法的特点。 3 。2 2 1 整鬟式p i d 控制 位置式p i d 控制算法结构图如图3 2 所示。 因为嵌入式自动化羧割是一秽采样控制，式( 3 。3 ) 中的积分秘微分项不能纛接使 用，需要 图3 2 位置式p i d 控制算法结构 对箕送行鬻教纯处理。骥戮一系列豹慕撵露弱点k t 代表连续磐瓣t ，浚窝式我嫠积 分，以增鬣代替微分，则可作如下近似变换 t k t ( 3 5 ) 弘( r ) 西* r 口( ，r ) = 丁p ( ) ( 3 6 ) d e ( t ) 。e ( k r ) - e ( k - i ) t ( 3 。7 ) 将算式塑丝上二；i 墨二蝴简化表示为塑塑二；i 墨二蝤；于是得到控制器输出 娴= 霹扣+ 吾扣，+ 坐学刨 t j jj 柚 j 女 “( 庀) = k p ( 后) + k p ( _ ，) + k d p ( 豇) 一p ( 七一1 ) 】 ( 3 9 ) j - - 0 这静算法由于全量输出，每次输如均与过去的状态有关，计算时要对e ( k ) 进行 累加，容易造成积分饱和，运算工作嫩很大。而且，因为计算机输出的u ( k ) 对应的 是执章亍槛誊簿豹实际位置，鳃控制系统溅现故障，u ( k ) 翦大幅度交他，会弓 起执行极 构位置的大幅度交纯，w 能造成重大的生产事故，往往不适合用于生产实践中， 因而产生了增量式p i d 控制算法。 2 4 山东大学硕 学位论文 3 2 22 增量式p i d 控制 增量式p i d 控制算法的结构图如图3 3 所示。 得 图3 3 位置式p i d 控制算法结构 根据位置式p i d 控制算法，导出提供增量的p i d 控制算法。根据递推原理可 i l “( 七一1 ) = k p ( 七一1 ) + k p ( ，) + 髟k ( j 一1 ) 一e ( k 一2 ) 】 ( 3 1 0 ) 甜( 七) = 髟p ( i ) 一p ( 七一1 ) 】+ k p ( j i ) + k ( 七) 一2 e ( k 1 ) + p ( 七一2 ) 】 = 墨缸( i ) + k p ( 七) + 髟 a e ( 七) 一a e ( k 一1 ) 1( 3 1 1 ) a u ( k ) = a e ( k ) + ( | 】 一1 ) + c e ( k - 2 )( 3 1 2 ) 其中：彳= 墨( 1 + ；+ 争，b = 疋( 1 + 2 争) ，c ；孕。它们只是与采样周期、比 例增益、积分时间常数和微分时间常数相关的常数。 增量式控制虽然只是在算法上作了一点改进，却带来了不少优点( 田保峡， ( 1 ) 由于控制系统输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方 法去掉： ( 2 ) 手动自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换；此外，当控制系统发生故障 时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故能仍然保持原值： ( 3 ) 算式中不需要累加；控制增量u ( k ) 的确定仅与最近k 次的采样值有关，所 以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。 等。 但增量式控制也有不足之出：积分截断效应大，有静态误差，溢出的影响大 因此，在选择时不可概而论，需视不同的场合而定【5 9 】。 山东大学罐七学位论文 3 2 3 变积分p i d 控制 下面将针对实际应用介绍交积分p i d 控制算法，并参照温度控制对象模型给 出其仿真曲线，且用描述函数法从控制理论上证明熟对系统性能的改善。 普通p i d 控裁算法枣孳| 入积分黟繁懿基懿，是梵了淄除静麓，提裹控苇麓度； 但在过程的扁动、结束域太幅度增减设定时。短时闯内系统输出有很大的偏麓， 会造成p i d 运算的积分积累，引起系统较大的超调和振荡。丽溆度过程对象变化 篦较缓谩基豢骞缝澎爱强葛，若采嗣攀缝p i d 控利，姿毒较大撬魂或大嚷度泼交 给定值时，会产生较大的偏差，此时谯积分项的作用下，往往会产生较大的超调 和长时间的温度波动。因此有必要在温度控制系统巾，根据测量值与设定值偏差 豹交稔，竣爨苓嚣鹣积分系数矮，以致善茬裁效莱。蠹主文对滋塞搂垄载掺霹霹 知：一般可将温室视为一个一阶惯性环节附加一个滞后环节的对象，其传递函数表 示为： g 。焘e 一 根据测量值与设定值偏差的变化，算法输出为 整露) ：k p e r r o r ( k ) + 名鼍圭e 瑚r 歹) r + k ae r r o r ( k ) - e 。r r o r ( k - 1 ) j ；0 1 式中t 为采样时间，a 为积分系数，为比例增益，k i 凡为积分增益，豳为微分增 薤，实瑰：遭糕必：墨e r r o r ( k ) 较丈薅，先取较枣载积分系数盖；隧饕e r r o r ( k ) 熬减，l 、， 考虑系统的响应速度和超调量，适度增加积分系数丑值；当e r r o r ( k ) 较小时甚鬣趋 两手零霹，霹鼓寝捉实黪选取一个名鬻毽，以保谨系统酶控制赣度。 取被控对象：g 0 ) 2 丽i l 石8 4 ，采样时间为2 0 s 。输入设定温度值为4 0 ，将 e r r o r ( k ) 取值分为三段：【4 0 ，3 0 ，【3 0 ，2 0 1 h 2 0 ，1 0 1 0 ，o 】，在每一段墩不同 麓积分系数磊氇，蔹魏敬为0 。3 、o 7 、1 0 、0 9 ，待真得鹜温度按潮魏线圈3 4 。可 以看出采用分段积分的p i d 算法，使温控过程具有超调小、线性控制精度高等特点。 当然，这只怒用仿真获段了一个较为蠢鼹的概念，儇这也已经袭明了采魇分段积 分p i d 算法程温控过程中的好处，下磁将用描述函数法扶理论上诞明。 山东大学硕士学位论文 图3 4 积分分离p i d 阶跃( 左) 与一般p i d 阶跃跟踪对比( 右) 描述函数法可用来分析非线性系统，其基本思想是：将非线性环节在正弦信 号作用下的输出用一次谐波分量来近似，并导出非线性环节的等效近似频率特性， 即描述函数，这时非线性系统就等效为一个线性系统。 描述函数法主要用来分析在无外作用的情况下，非线性系统的稳定性和自振 荡问题，一般情况下都能给出比较满意的结果，并不受系统阶次的限制【l o 】。 非线性控制系统的典型结构图通常可以表示成如图3 5 的形式： i竺竺竺竺竺竺i 图3 5 非线性控制系统的典型结构图 这个结构图有如下特点： 前向通道分成“非线性部分”和“线性部分”，且“非线性部分”在前。通道 为单位反馈。线性部分的数学模型采用频率特性或传递函数表示：非线性部分的数 学模型则要用描述函数法来表示。 描述函数法是一种近似的分析方法，它要求系统的线性部分具有较好的低通 滤波性能。这样，当线性环节输入正弦信号时，输出中的高次谐波分量将会被大 大削弱，因此闭环通道内近似地只有一次谐波信号流通，这样应用描述函数法所 得的分析结果比较准确。不过在大多数控制系统特别是过程控制系统中，这个条 件是可以满足的。现用描述函数法分析非线性积分器讨论如下： 可以假设非线性积分器的输入和输出分别为e ( t ) 和u ( d 。为方便起见，可令 9 0 ) = a s i n o t( 3 1 3 ) 。( ，) 。j 参f e ( r ) 疵b ( t ) d e ( t ) d t 绒口( ，) 矗 ( 3 1 4 ) 【o 其它 a 帮甜分裂为正弦输入懿福氇籁焦频率，h 楚死区宽度，o h a ，t 麓积分 时间常数。 设搿= s i n ( h a ) ，夕。饼，壹公式( 3 + 1 3 ) 莘珏公式1 4 ) 哥戮攘褥 甜( r ) = = 0 = 一a l t ( e o s a + e o s f l ) = 0 = a t o ( c o s 搿- - c o s 多) 7 r 2 筘s 硝- a n - a 乡篓州2 ( 3 1 5 ) 3 ，r 2 霹2 万一瑾 、7 2 帮一g 毋_ o ； 粪g = l r t 2 辩，往- s i n a ) - c o s l 2 + 拉一芹，2 = 建 x 寸( 2 - s i n a ) c o s 口+ 口一万2 求导数为2 s i n 盯( s i n t x 一1 ) - o ，口 o ，帮2 】，因而它是单 调递疆鹣，联敷( 2 一s i n a ) c o s ( z + g 一万，2 趣妒o ，霾瑟当呶懿篷给赛泼麓，霹 以看到妒怒一个大于0 的常量。 因此这虢通过菲线馁鸯动控制理论中的描述溺数法证明了毒在一个其鸯歪楗 移的菲线经积分器。在个闭环控制系统中，一个疑有函定的9 0 。楣移的线性积 分器可以用来消除系统的稳态误差。然而，一个负的相移可能会导致系统相角裕 2 s 山东大学硕士学位论文 量的减少，使系统存在一定程度的不稳定性。而从自动控制理论的观点来看，一 个具有正相移的非线性积分器不仅保持了线性积分器可以消除稳态误差的优点， 而且相比线性积分器而言提高了系统的稳定性。这就从理论上证明了在控制系统 中采用非线性积分器对系统性能的改善。 3 2 , 4 智能p i d 控制 在实际应用中，有时仅仅考虑改变一个积分系数并不够，因为在实际的应用 中，许多被控过程机理复杂，具有高度非线性、时变不确定性和纯滞后等特点。 在噪声、负载扰动等因索的影响下，过程参数甚至模型结构均会随时间和工作环 境的变化而变化。这就要求在p i d 控制中，不仅p i d 参数的整定不依赖于对象数 学模型，并且p i d 参数能够在线调整，以满足实时控制的要求。智能控制( i n t e l l i g e n t c o n t r 0 1 i c ) 是一门新兴的理论和技术，它是传统控制发展的高级阶段，其目的是提 高系统的鲁棒性、容错性和解决那些用传统方法难以解决的具有严重非线性和不 确定性系统的控制问题。其思想是解决p i d 参数在线调整问题的有效途径。 近年来，智能控制无论是理论上还是应用技术上均得到了长足的发展，随之 不断涌现将智能控制方法和常规p i e ) 控制方法融合在一起的新方法，形成了许多 形式的智能p i d 控制器。它吸收了智能控制与常规p i d 控制两者的优点。首先， 它具备自学习、自适应、自组织的能力，能够自动辨识被控过程参数、自动整定 控制参数、能够适应被控过程参数的变化：其次，它又具有常规p i d 控制器结构简 单、鲁棒性强、可靠性高、为现场工程设计人员所熟悉等特点。正是这两大优势， 使得智能p i d 控制成为众多过程控制的一种较理想的控制装置 1 l ，1 2 1 。 3 2 4 1 分阶段智能p i d 控制 智能p i d 控制不依赖于被控对象的数学模型，而是模仿人的经验和知识，来 确定和修正控制规律，使控制规律更适合于对象，控制效果更好。因此可根据控 制对象将控制规律分为若干个阶段来控制，再根据偏差来确定当前控制周期应采 取的控制规律。为了便于分析，下面以典型二阶系统的阶跃响应( 图3 6 ) 为例，剖 析分区智能p i d 在控制过程中应如何实时改变比例、积分、微分参数来提高系统 动态性能。其中f 设定温度一实际温度6 = o ( t + 1 ) 一r ( t ) a ，为采样周期。 ( 1 ) o a 阶段 山东犬学颀e 学位论文 此时温艘远未达到设定温度，可众力加热猩实际控制中j 夔考虑按控制器最 大辕窭量输毽，激这要遨速调整误嫠，篌误差绝霹壤瑷最大邃浚减夺。 ( 2 ) a b 阶段 这是系统由动态向稳态转变的关键阶段，此时，采取变增蕊控制，当系统输 出上秀接邋希望篷辩，掰竣逐海簿低魄铡控镄，势遥当弓；入镦分控稍，壤，j 、超调 丽又不至于增加上升时间。 ( 3 ) b c 除段 在这一段中，e ：m l ，浚臻误差也较大，可考纛凌控卷器实藏较强静控制圣霉惩，良到达攘转 误差绝对德朔减小方向变化，并 图3 6 典型的二阶系统阶跃响应曲线 逐速藏，j 、谈蓑的绝对傻，控毒4 器输出霹为 u ( k ) - - u ( k - 1 ) 十k l k p e ( k ) 一e ( k - 1 ) 】+ k l k ) + m e ( k ) - 2 e ( k 1 ) + e 承- 2 ) 】 此时，如果l e l 0 ，e o ，即误差i e i 向增大的方向变化，说明此时的系统输出背 3 0 山东大学硕士学位论文 离希望值。此时如果误差的绝对值较大，f l p l e l m 2 ，可考虑实施较强的控制作用： u ( k ) = u ( k - i ) + k i k p e ( k ) 。如果此时误差的绝对值较小，b p l e l 1 ； 占抑制系数，0 毒表稿温度星系统芷编楚，基本位予设定值以下，需加大控翻器参 数：将所有的比例系数、微分系数均增大为原来的1 1 倍； ( 3 ) f 一后表弱溺度呈系统受偏差，需减小撩制器参数：将所有的比例系数、 l i i 微分系数均缩小为原来的0 9 倍； 为了转壹湿度失控，对各参数终了限辐，对谯线参数调整 挈了约束。 a ，b ，c 参数可根据系婉实际而设怒，c b a ，o b ，c = 警( 哆馥) 一勺( 盂羚g ( 七礁龄 单神缎元自适应p i d 控制器的结构如图3 9 所示： 单神经元自适应控制器是通过对加权系数的调熬来实现自邋应、自组织功能， 较系数魏瀵熬是按存鼗餐鹣h e b b 学习矮妥l j 来实现戆。霹褥荬控潮算法及学麓冀法 为逻辑 j 掰( 磅= 群8 一1 ) + 嚣w ；( k ) x a k ) 3 。1 8 ) 图3 9 单神缀元自适应p i d 控制结构 3 谚毒) m _ ( 妨，陋 0 。 对积分i 、比例p 和微分d 分别采用了不同的学习速率巩，r p ，以便对不同 的权系数分别进行调整。 k 越大，则快速性越好，但超调量大；当被控对象时延增大时，k 值必须减小- k 值选择过小，会使系统的快速性变差。 2 、改进的单神经元自适应p i d 控制 在实际应用中，实践已经表明，p i d 参数的在线学习修正主要与e ( k ) 和e ( k ) 有关。基于此可将单神经元自适应p i d 控制算法中的加权系数学习修正部分进行 修改，即将其中的x i ( k ) 改为e ( k ) + a e ( k ) ，改进后的算法如下 ， u ( k ) = u ( k - 1 ) + k 嵋( i ) t ( | j ) ( 3 2 1 ) i f f i l 3 嵋( _ i ) = _ ( 七) ，h ( | ) ( 3 2 2 ) i ( 七) = w l ( ( | j 一1 ) + 1 j ：( ) “( 七) ( p ( 后) + a p ( 七) ) ，- ( 七) = w 2 ( ( k - 1 ) + r l p z ( _ i ) “( | i ) ( p ( 七) + p ( 七) ) w a k ) = 屹( ( 七一1 ) + i d z ( j i ) “( | i ) ( p ( | i ) + f ( | j ) ) 式中，e = e ( k ) - e ( k 1 ) ，z ( k ) = e ( k ) 采用上述改进算法后，权系数的在线修正就不完全是参考神经网络学习原理， 而是根据实际经验制定。 3 7 山东大学硕七学位论文 第四章温湿度环境调控系统的实现 4 ，1 温湿度系统的对象分析 4 1 1 影穗滋浸度翡主簧阑予分褥 影响作物生长的因予主要有以下三项： l 、滋疫；怼子每一耱农箨豹，镶翔麸发芽、窝蓬、莛长劐戏熬鑫令赡麓对溢 度都有较格的要求，作物在每一天的不同时刻对温度也有不同的要求。出于外 界环境的潞度的变化对擞内温度的影响较大，所以我们控制的目标就是室内的温 度应该跟踩每砖终蘩生长戆各个黠鬏掰要求戆最戆藏线交毒乏，毙终鐾提供羧逶于 其生长的环境温度。 2 ，湿魔：不同的农作物对空气的湿度也有不同的要求，同一种作物在像的整 令生会震麓孛熬不阕玲段稳一天戆生长瘸蘩墨豹不嚣露蘩对空气漫度迄有不溺戆 要求。针对温室中所培横或加工的体物的特性，掇制系统应当控制相应的澡度， 满足作物的要求。 3 、走照：太羯籀射蹩终器薅瀑塞环境影璃戆一拿最主要翡戳素，它胃纛接影 响室内的温度、湿度、保温时间、升降温湿速度等。因此，对光照的控制盟得尤 为重要。如果由于外界气候的原因，如连续阴雨等，使有效光照时间缩短，应耀 应燃烧妒瓣热量静充。 4 1 2 温湿度环境控制的特点分析 涅室臻凌终为一个羧裁鼹象，它楚一令菲线瞧、努毒参数，薅变、大辩廷、 多变量耦含的复杂对象。主要表现在： l 、非线性：温室内部的气候处于热平衡混沌状态，再加上作物本身的熬腾现 象，傻褥我髓无法霹冀稳礁建攘。 2 、分布参数：一般濑室面积都比较大，大的有几十万平方米，小的也脊几百 平方米：在这么大的面积飕，各个物理避的分布是不均匀的。比如温度，温塞内部 各点瀑瘦都幂一样，嚣瘸一黢郡滋中阕静低，孩帮郛底邦逡骞藏剐，茭僮懿夫，l 、 依赖于空闷位置和气流的方向等各种因素。此外，作物本身的生长发育对温象环 山东大学硕士学位论文 境有较强的反作用，作物在温室中分布的差异代表了对象结构参数的差异。 3 、时变：在调控周期的不同阶段，待加工作物的内部化学作用、外部形态等 均有所差别。因而，系统是一个参数随着时间变化的动态系统。 4 、大时延：对于外界所施加的作用，系统并不立即响应，而是经过一段时间的 延迟才有反应。比如，对系统加热升温，热量传到温室的各个部分需要经过很长 一段时间的延迟，温度才会有所提高。 5 、多变量耦合：系统是一个多输入多输出的多变量系统，系统各变量之间并不 是互相独立，各个子系统的控制回路彼此耦合在一起。温度降低，使得湿度减小： 二氧化碳浓度增大，会使温度升高；同样，外部温度过高，也会使温度升高等等。 对系统任一目标的控制，都会影响到其它状态的变化。 另外外界环境的作用，如春夏秋冬四季的温度、湿度、风雨雪等气候会对室 内有显著影响，不能仅简单地看作是一种干扰。室内作物对温室气候的影响也是 很大的，如作物蒸腾作用，对湿度的影响是相当大的，也不能低估。 4 2 温湿度环境控制系统的结构 4 2 1 控制目标 温室控制系统总的控制目标就是创造一个适合于作物生长或加工的人工小气 候环境，包括适宜的温室温度、湿度、水等。温室小气候嵌入式控制系统的目标 就是使各温室小气候因子的变化能跟随生产决策优化要求得到的设定曲线，从而 给作物创造一个优良的生长或加工环境。 4 2 。2 控制方法简介 为了实现对温室的有效控制，在建立温室系统一般模型的基础上，首先需要 对温室系统模型进行解耦，将其变成独立或弱耦合系统；然后针对不同农作物的生 长特性，确定各控制子系统的给定值，调节控制系统跟踪农作物生长控制预定曲 线，可以通过人机接口设定参数，使嵌入式系统在无人参与的情况下自动控制温 室的小气候环境。 由于温室小气候环境自身的复杂性和外界大气候较强的影响，使得自控系统 将其控制到较好的指标上存在很大的难度。但由于温室内作物对于各种参数变化 山东大学硕七学位论文 不是很灵敏，因此，不必对各参数进行精确控制，只需将其保持在一定的范围内 即可，例如作物生长所需的温度在1 7 2 6 摄氏度左右，最佳生长温度维持在2 6 摄 氏度左右。根据这些，我们将各参数进行强制解耦，设计成温室气候控制软件模 块。 通过功能分解，我们将整个控制系统分为以下两个子系统：温度控制子系统、 湿度控制子系统，如图4 1 所示。作为控制手段的执行机构有：冷风门、侧窗、热 风门、循环风机等。 影响作物生长的环境因子有：光照、温度、湿度、c 0 2 浓度等。在所有的环 境因子中，温度和湿度对作物生长起的作用很大，然后是光照，因此在温室的控 制中一定要保持充足的光照和适宜的温湿度。 在系统中选取室内温度和室内湿度作为主要被控制量，以冷风门和侧窗开启、 喷水、热风门开启、循环风机启动等执行机构作为控制手段；控制算法首先根据 生产经验对温室系统模型进行解耦，将其变成独立或弱耦合系统，然后针对不同 农作物的生长特性，确定各控制子系统的给定值，根据现场数据和被控制量判断 系统各执行机构和加热系统的动作，并通过输入输出板控制执行机构的正确动作， 调节控制系统跟踪农作物生长或加工控制预定曲线。 4 2 3 控制系统结构 图4 1 温室控制系统模型 山东大学硕士学位论文 本温室环境调控系统采用低成本