基于ucos-ii的烤烟控制系统设计2

基于C/OSII的烤烟过程模拟与控制系统设计BASEDONC/OSIIOFTHETOBACCOPROCESSSIMULATIONANDCONTROLSYSTEM姓名贺燕学号2008100070摘要随着全面品种优良化、栽培规范化、种植区域化等措施的推广，鲜烟叶质量明显提高，有些已经接近或达到国际先进水平，但是与此同时，长好烤不好的现象日趋突出，影响了烟叶的质量和效益。基于C/OSII的烤烟过程模拟与控制系统设计是根据从国外引进的先进的三段五步式烤烟工艺对温度的要求模拟控制过程并设计开发的控制系统。由于烤烟控制过程温度变化的时滞性强、温度变化过程难以控制，因此当前烤烟工艺仍然停留在传统烤烟工艺的层面上，烤烟过程对于烟农劳动量大，而且经常容易出现坏烟给烟农造成了不必要的经济损失。利用预测控制理论中动态矩阵控制的方法，设计了一种基于三星S3C2410芯片和C/OSII操作系统的烤烟控制系统。本系统通过烤房地板温度与烤房内部温度关系的数学模型，使用烤房地板温度作为系统控制参数，减少了系统控制滞后时间；采用动态矩阵预测方法并根据不同的鲜烟叶品质，选择不同的温度控制曲线，以达到提高烟叶品质的目的。该系统由嵌有专家曲线的自动烤制代替人工操作，提高了烤烟质量，实现了精细烘烤和烟叶烘烤质量的定向调控，将烟农从繁杂的烘烤工作中解脱出来，进而达到了提高烘烤质量和减轻烘烤劳动强度的目的。为了测试系统的控制性能通过建立模拟烤房内部温度变化的数学模型，对控制过程进行测试分析。关键字ARM；C/OSII；动态矩阵控制；预测技术ABSTRACTWITHACOMPREHENSIVEVARIETYOFQUALITY,STANDARDIZEDCULTIVATION,PLANTINGANDOTHERMEASURESTOPROMOTEREGIONALIZATION,SIGNIFICANTLYIMPROVINGTHEQUALITYOFFRESHTOBACCOLEAVES,ANDSOMEARECLOSETOORREACHEDTHEINTERNATIONALADVANCEDLEVEL,BUTATTHESAMETIME,THEPHENOMENONOFLONGGOODBAKEDGOODINCREASINGLYPROMINENT,AFFECTINGTHEQUALITYANDEFFECTIVENESSOFTOBACCOBASEDONC/OSIIOFTHETOBACCOPROCESSSIMULATIONANDCONTROLSYSTEMDESIGNISINTRODUCEDFROMFOREIGNCOUNTRIESUNDERTHETHREESECTIONSOFFIVESTEPTYPEOFADVANCEDTECHNOLOGYONTHETEMPERATUREREQUIREMENTSOFTOBACCOCONTROLPROCESSSIMULATIONANDCONTROLSYSTEMDESIGNANDDEVELOPMENTASTOBACCOCONTROLDELAYTHEPROCESSTEMPERATUREANDSTRONG,DIFFICULTTOCONTROLTHEPROCESSTEMPERATURECHANGES,SOTHECURRENTPROCESSSTILLREMAININTRADITIONALFLUECUREDTOBACCOPROCESSLEVEL,THEPROCESSOFFLUECUREDTOBACCOFARMERSWORKINGFORLARGE,ANDOFTENPRONETOBADSMOKECAUSEDTOFARMERSUNNECESSARYECONOMICLOSSESPREDICTIVECONTROLTHEORYUSINGDYNAMICMATRIXCONTROLMETHOD,DESIGNEDBASEDONSAMSUNGS3C2410CHIPANDC/OSIIOPERATINGSYSTEM,CONTROLSYSTEMOFFLUECUREDTOBACCOTHESYSTEM,THROUGHTHEBARNANDTHEBARNFLOORTEMPERATUREMATHEMATICALMODELOFTHERELATIONSHIPBETWEENTHEINTERNALTEMPERATURE,USINGTHEBARNFLOORTEMPERATUREASTHESYSTEMCONTROLPARAMETERS,THESYSTEMCONTROLTOREDUCELAGTIMEPREDICTIONMETHODUSINGTHEDYNAMICMATRIX,ANDACCORDINGTODIFFERENTQUALITYOFFRESHTOBACCOLEAVES,CHOOSEADIFFERENTTEMPERATURECONTROLCURVE,INORDERTOACHIEVETHEPURPOSEOFIMPROVINGTHEQUALITYOFTOBACCOTHESYSTEMISEMBEDDEDINANEXPERTCURVEAUTOMATICALLYBAKEDINSTEADOFMANUALLY,IMPROVETHEQUALITYOFFLUECUREDTOBACCO,TOACHIEVETHEFINEBAKINGANDBAKINGQUALITYOFTOBACCODIRECTEDWILLBETHEWORKOFFARMERSFROMTHECOMPLICATEDBAKINGFREED,ANDTHENTORAISETHEBAKINGBAKINGQUALITYANDREDUCELABORINTENSITYTOTESTTHECONTROLPERFORMANCEOFTHESYSTEMTHROUGHTHEESTABLISHMENTOFTHEINTERNALBARNTEMPERATURESIMULATIONMODEL,TESTANDANALYSISOFTHECONTROLPROCESSKEYWORDSARMC/OSIIDYNAMICMATRIXCONTROLPREDICTION目录第1章绪论211烟叶烘烤工艺原则以及流程21232位ARM处理简介413C/OSII简介5第2章三段五步式烤烟模式521变黄阶段622定色阶段723干筋阶段8第3章系统方案831系统数据流832系统模块分析10第4章实现原理1241烤房地板数学模型1242动态矩阵控制算法13第5章功能与指标1451系统功能1452系统指标14第6章系统架构156硬件设计156软件设计15附录A23参考文献24第1章绪论多年来，我国烟叶叶香、吃味和外观质量同津巴布韦、巴西等国家相比有较大地差异，对此种差异的分析认为，除了土壤、气候等环境因素以及品种、栽培管理等主要生产措施外，烘烤也起着十分重要的作用，随着全面品种优良化、栽培规范化、种植区域化等措施的推广，鲜烟叶质量明显提高，有些已经接近或达到国际先进水平，但是与此同时，长好烤不好的现象日趋突出，影响了烟叶的质量和效益。烟叶三段式烘烤工艺是国外先进的烟叶生产技术，该技术自20世纪80年代中期引进我国，经过多年的试验示范、消化吸收、改进提高，现已成为烟叶生产中大面积推广应用的一项技术。“三段式”烘烤技术的推广提高了我国烟叶的工业利用化比率，使部分地区的烟叶已具有较强的国际市场竞争力，卷烟产品质量得到进一步提高，低焦油卷烟、混合型卷烟有了较快发展。在推广烟叶三段式烘烤工艺的过程中，温度控制方面有比较传统的PID算法、SMITH预测算法、大林算法等，也有比较先进的自动算法比如模糊PID算法，BP神经网络算法、遗传算法及基于温度场理论的算法等。而烤房温度控制是典型的大时滞非线性系统，存在惯性大、非线性、参数时变、数学模型难以建立等特点，必须采用合适的控制算法才能取得良好的控制效果，并且这是烟叶烘烤中的自动化控制生产的关键问题。控制算法在具体实现与复杂程度的均衡上，也随着硬件平台的发展而发生着变化。目前已经采用8位单片机开发的烟叶烘烤温度控制仪，虽然能基本完成控制功能实现预期控制目标，但是在用户参数设置、参数保存、实时性控制等操作，界面显示以及温度控制精准、灵活等方面存在问题。随着32位处理器的性价比的提高，将其应用到烟叶烘烤的时机已经成熟。本系统采用博创基于S3C2410的ARM硬件开发平台,软件以C/OSII操作系统为基础，结合烟叶三段五步式烘烤工艺，使用预测控制中的动态矩阵控制算法，是一种适合于农村自然经济特点的烟叶烘烤测控系统。该系统由嵌有专家曲线的自动烤制代替人工操作，提高了烤烟质量，实现了精细烘烤和烟叶烘烤质量的定向调控，将烟农从繁杂的烘烤工作中解脱出来，进而达到了提高烘烤质量和减轻烘烤劳动强度的目的。11烟叶烘烤工艺原则以及流程111烘烤原则四看四定看鲜烟叶质量，定烘烤技术；看烟叶变化，定干湿球温度；看干球温度高低定烧火大小；看湿球温度高低，定气窗和进风洞开度大小。四严四灵活烘烤技术应用同鲜烟叶基本素质相适应要严，具体掌握要灵活；干湿球温度与烟叶变化相适应要严，各阶段持续时间长短要灵活；确保干球温度在规定范围内要严，烧火大小要灵活；湿球温度适宜且稳定要严，排气窗、进风洞开度要灵活。112烘烤操作流程控制变黄阶段的温度，以36一38最高不超过41基本完成烟叶变黄，严格控制变黄和干叶阶段的水分动态，保持相对湿度8085，变黄期脱水40以上，使定色期脱水量由传统工艺的50左右下降到35以下，减少在定色期集中脱水的负担，45一47以前升温速度033075小时，之后加快为0510小时，整个定色期湿球温度控制在3739，最低不少于35，最高不超过40。烟叶干燥大卷筒后，以10/小时的速度升温到68，使烟筋彻底干燥，湿球温度控制在43以下。113几类烟叶的烘烤方法（1）正常烟叶烘烤变黄阶段装烟后关严天窗、地洞和门窗。经若干小时预变黄使叶尖变黄后，干球温度以1/小时的速度升到3638，湿球温度控制在3536，保持干湿差12，稳温延长时间，42以前使底层烟叶变黄发软。变黄结束时，下部叶变黄程度要达到八成黄；中上部烟叶变黄达九至十成黄，烟叶凋萎，主脉开始变软、勾尖卷边。定色阶段变黄达到要求后，干球温度以23小时升至54，若烟叶失水慢或烟筋变黄慢，须在4548稳温延长时间，使烟筋变黄，部分烟叶小卷筒后，再以1一2/小时升温至5455，稳温至叶片完全干燥。随干球温度上升，湿球温度同步上升且稳定在3840。此阶段烟叶变化要求为50以前使中上层烟叶充分变黄发软，达到黄片黄筋，54C稳温到烟叶大卷筒。干筋阶段以10小时的速度由55升温到68，最高不超过70，直至烟叶完全干燥。湿球温度稳定在4042至烘烤结束。达到全部烟叶充分干燥。（2）含水量多的烟叶（含水量多的烟叶系由成熟期雨水偏多的情况所形成）变黄阶段点火时，关闭门窗，适当开启天窗，干球温度以1小时升至38，在3840稳温延长时间，再以1/小时升至4243稳定使烟叶变化达到要求。湿球温度同步上升，保持干湿差左右。烟叶变化的标准是在3840使底棚烟叶变黄四至五成黄，叶片发软，42一43达七成黄，主脉变软。定色阶段干球温度以2一3小时1升至45，在4548稳温延长，直至烤房内烟叶全部变黄，干燥达小卷筒，再以05一I小时升至5455，稳温至叶片干燥大卷筒。干球温度50以前湿球温度稳定在3638，50以后湿球温度再逐渐增加1。干燥阶段同正常烟叶烘烤。（3）含水量少的烟叶（系生长和成熟期间天气长期干旱所形成）变黄阶段点火时，关严门窗、天窗、地洞。干球温度以L2小时I升至3436，稳温使底棚烟叶叶尖变黄后，再以I/小时升至3840，稳温使底棚烟叶变黄九至十成黄，主脉变软。干湿差1左右，温度差偏大时加水补湿。定色阶段以1小时升温至45，在4548稳温延长时间，使中上层烟叶充分发黄发软，然后以13小时1升温54一55，稳温达烟叶大卷筒。湿球温度稳定在38一40。干燥阶段同正常烟叶。114应注意的几个问题（L）升温和稳温是个相对的的概念，某段时间内温度在2内上下波动是正常的，对烟叶质量没有明显的负效应。温度指标要求升温05小时，实际是表示一小时内温度动态上升05。（2）在定色期，不能按照操作指标机械地通过烧小火、关小天窗来达到烟叶变化目标，必须主动烧火火、开大天窗来能动控制温、湿度，以保证烘烤的成功。（3）烘烤各阶段的各个指标是相对而定的，具体操作中，根据烟叶变化的实际情况可随时进行调整。如下表设有4个温度检查点，若某一点上为未达到烟叶变黄或干燥要求，可通过调整烘烤时间和开闭天窗来实现目标。（4）烘烤时干湿球温度计挂在烤房底棚，干球温度和湿球温度的应用均以底棚为准。115回潮和堆放（1）回潮借助傍晚至凌晨外界较高的相对湿度，打开烤房的天窗、地洞、房门，使烟叶吸收空气中的水汽，或将烟叶出房放置于地面使其回潮。（2）堆放堆放地点要干燥，不受阳光直射，远离化肥、农药等有异味物质；以烟垛形式堆放，烟垛高度不超过15米，长宽根据实际情况而定；不同部位、质量的烟叶分开堆放，堆放时叶尖向里，叶基向外，叠放整齐，个别湿筋或温片烟叶必需剔除，堆好后用塑料薄膜、麻布等盖严，并覆盖遮光物，防止烟叶褪色；定期检查，防止温度过高、湿度过大造成烟叶霉烂变质。1232位ARM处理简介ARM（ADVANCEDRISCMACHINES）是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。ARM将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商，每个厂商得到的都是一套独一无二的ARM相关技术及服务。利用这种合伙关系，ARM很快成为许多全球性RISC标准的缔造者。目前，总共有30家半导体公司与ARM签订了硬件技术使用许可协议，其中包括INTEL、IBM、LG半导体、NEC、SONY、菲利浦和国民半导体这样的大公司。至于软件系统的合伙人，则包括微软、升阳和MRI等一系列知名公司。ARM公司自1990年正式成立以来,在32位RISCREDUCEDINSTRUCTIONSETCOMPUTERCPU开发领域不断取得突破,其结构已经从V3发展到V6。由于ARM公司自成立以来,一直以IPINTELLIGENCEPROPERTY提供者的身份向各大半导体制造商出售知识产权,而自己从不介入芯片的生产销售,加上其设计的芯核具有功耗低、成本低等显著优点,因此获得众多的半导体厂家和整机厂商的大力支持,在32位嵌入式应用领域获得了巨大的成功,目前已经占有75以上的32位RISC嵌入式产品市场。在低功耗、低成本的嵌入式应用领域确立了市场领导地位。现在设计、生产ARM芯片的国际大公司已经超过50多家,国内中兴通讯和华为通讯等公司也已经购买ARM公司的芯核用于通讯专用芯片的设计。ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM公司的授权，因此既使得ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。ARM处理器的三大特点是耗电少功能强、16位/32位双指令集和众多合作伙伴。ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集。一般来讲存储器比等价32位代码节省达35，然而保留了32位系统的所有优势。ARM的JAZELLE技术使JAVA加速得到比基于软件的JAVA虚拟机JVM高得多的性能，和同等的非JAVA加速核相比功耗降低80。CPU功能上增加DSP指令集提供增强的16位和32位算术运算能力，提高了性能和灵活性。ARM还提供两个前沿特性来辅助带深嵌入处理器的高集成SOC器件的调试，它们是嵌入式ICERT逻辑和嵌入式跟踪宏核ETMS系列。目前非常流行的ARM芯核有ARM7TDMI,STRONGARM,ARM720T,ARM9TDMI,ARM922T,ARM940T,RM946T,ARM966T,ARM10TDM1等。自V5以后,ARM公司提供PICCOLODSP的芯核给芯片设计者,用于设计ARMDSP的SOCSYSTEMONCHIP结构的芯片。此外,ARM芯片还获得了许多实时操作系统REALTIMEOPERATINGSYSTEM供应商的支持,比较知名的有WINDOWSCE、LINUX、PSOS、VXWORKSMUCLEUS、EPOC、UCOS、BEOS等。随着国内嵌入式应用领域的发展,ARM芯片必然会获得广泛的重视和应用。但是,由于ARM芯片有多达十几种的芯核结构,70多家芯片生产厂家,以及千变万化的内部功能配置组合,给开发人员在选择方案时带来一定的困难。所以,对ARM芯片做一对比研究是十分必要的。13C/OSII简介UC/OS是一种免费公开源代码、结构小巧、具有可剥夺实时内核的实时操作系统。C/OSII的前身是C/OS，最早出自于1992年美国嵌入式系统专家JEANJLABROSSE在嵌入式系统编程杂志的5月和6月刊上刊登的文章连载，并把C/OS的源码发布在该杂志的BBS上。C/OS和C/OSII是专门为计算机的嵌入式应用设计的，绝大部分代码是用C语言编写的。CPU硬件相关部分是用汇编语言编写的、总量约200行的汇编语言部分被压缩到最低限度，为的是便于移植到任何一种其它的CPU上。用户只要有标准的ANSI的C交叉编译器，有汇编器、连接器等软件工具，就可以将C/OSII嵌人到开发的产品中。C/OSII具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点，最小内核可编译至2KB。C/OSII已经移植到了几乎所有知名的CPU上。严格地说UC/OSII只是一个实时操作系统内核，它仅仅包含了任务调度，任务管理，时间管理，内存管理和任务间的通信和同步等基本功能。没有提供输入输出管理，文件系统，网络等额外的服务。但由于UC/OSII良好的可扩展性和源码开放，这些非必须的功能完全可以由用户自己根据需要分别实现。UC/OSII目标是实现一个基于优先级调度的抢占式的实时内核，并在这个内核之上提供最基本的系统服务，如信号量，邮箱，消息队列，内存管理，中断管理等。任务管理UC/OSII中最多可以支持64个任务，分别对应优先级063，其中0为最高优先级。63为最低级，系统保留了4个最高优先级的任务和4个最低优先级的任务，所有用户可以使用的任务数有56个。UC/OSII提供了任务管理的各种函数调用，包括创建任务，删除任务，改变任务的优先级，任务挂起和恢复等。系统初始化时会自动产生两个任务一个是空闲任务，它的优先级最低，改任务仅给一个整形变量做累加运算；另一个是系统任务，它的优先级为次低，改任务负责统计当前CPU的利用率。时间管理UC/OSII的时间管理是通过定时中断来实现的，该定时中断一般为10毫秒或100毫秒发生一次，时间频率取决于用户对硬件系统的定时器编程来实现。中断发生的时间间隔是固定不变的，该中断也成为一个时钟节拍。UC/OSII要求用户在定时中断的服务程序中，调用系统提供的与时钟节拍相关的系统函数，例如中断级的任务切换函数，系统时间函数。内存管理在ANSIC中是使用MALLOC和FREE两个函数来动态分配和释放内存。但在嵌入式实时系统中，多次这样的错作会导致内存碎片，且由于内存管理算法的原因，MALLOC和FREE的执行时间也是不确定。UC/OSII中把连续的大快内存按分区管理。每个分区中包含整数个大小相同的内存块，但不同分区之间的内存快大小可以不同。用户需要动态分配内存时，系统选择一个适当的分区，按块来分配内存。释放内存时将该块放回它以前所属的分区，这样能有效解决碎片问题，同时执行时间也是固定的。任务间通信与同步对一个多任务的操作系统来说，任务间的通信和同步是必不可少的。UC/OSII中提供了4中同步对象，分别是信号量，邮箱，消息队列和事件。所有这些同步对象都有创建，等待，发送，查询的接口用于实现进程间的通信和同步。任务调度UC/OSII采用的是可剥夺型实时多任务内核。可剥夺型的实时内核在任何时候都运行就绪了的最高优先级的任务。UC/OSII的任务调度是完全基于任务优先级的抢占式调度，也就是最高优先级的任务一旦处于就绪状态，则立即抢占正在运行的低优先级任务的处理器资源。为了简化系统设计，UC/OSII规定所有任务的优先级不同，因为任务的优先级也同时唯一标志了该任务本身。任务调度将在以下情况下发生1）高优先级的任务因为需要某种临界资源，主动请求挂起，让出处理器，此时将调度就绪状态的低优先级任务获得执行，这种调度也称为任务级的上下文切换。2）高优先级的任务因为时钟节拍到来，在时钟中断的处理程序中，内核发现高优先级任务获得了执行条件如休眠的时钟到时，则在中断态直接切换到高优先级任务执行。这种调度也称为中断级的上下文切换。这两种调度方式在UC/OSII的执行过程中非常普遍，一般来说前者发生在系统服务中，后者发生在时钟中断的服务程序中。调度工作的内容可以分为两部分最高优先级任务的寻找和任务切换。其最高优先级任务的寻找是通过建立就绪任务表来实现的。UC/OS中的每一个任务都有独立的堆栈空间，并有一个称为任务控制块TCBTASKCONTROLBLOCK的数据结构，其中第一个成员变量就是保存的任务堆栈指针。任务调度模块首先用变量OSTCBHIGHRDY记录当前最高级就绪任务的TCB地址，然后调用OS_TASK_SW函数来进行任务切换。C/OSII的组成部分C/OSII可以大致分成核心、任务处理、时间处理、任务同步与通信，CPU的移植等5个部分。1核心部分OSCOREC是操作系统的处理核心，包括操作系统初始化、操作系统运行、中断进出的前导、时钟节拍、任务调度、事件处理等多部分。能够维持系统基本工作的部分都在这里。2任务处理部分OSTASKC任务处理部分中的内容都是与任务的操作密切相关的。包括任务的建立、删除、挂起、恢复等等。因为C/OSII是以任务为基本单位调度的，所以这部分内容也相当重要。3时钟部分OSTIMECC/OSII中的最小时钟单位是TIMETICK（时钟节拍）。任务延时等操作是在这里完成的。4任务同步和通信部分为事件处理部分，包括信号量、邮箱、邮箱队列、事件标志等部分；主要用于任务间的互相联系和对临界资源的访问。5与CPU的接口部分是指C/OSII针对所使用的CPU的移植部分。由于C/OSII是一个通用性的操作系统，所以对于关键问题上的实现，还是需要根据具体CPU的具体内容和要求作相应的移植。这部分内容由于牵涉到SP等系统指针，所以通常用汇编语言编写。主要包括中断级任务切换的底层实现、任务级任务切换的底层实现、时钟节拍的产生和处理、中断的相关处理部分等内容。第2章三段五步式烤烟模式依据烟叶在烘烤中外观形态的变化规律和失水干燥程度，将烟叶烘烤过程分为变黄、定色和干筋三个阶段。变黄阶段干球的起点温度为2832，变黄期间温度3638，变黄完成温度3842；定色阶段干球温度4254；干筋阶段干球温度5468。三段式烘烤技术的关键点低温变黄，黄干协调；适速升温定色；重视温度变化等。本系统采用三段五步式烘烤模式，温度变化曲线如图21所示。21变黄阶段变黄阶段的技术要领是稳住温度，控制温度，延长时间，确保烟叶变黄变软。基本任务一是促进烟叶业内物质充分转化，形成丰富的香气前体物，打好烟叶内在质量的基础；二是促进烟叶适量失水变黄，确保变黄程度与失水程度协调，打好烟叶外观质量的基础。变黄阶段主要分为两步第一步，烟叶装炉后，应及时关闭门、天地窗，点火后以每小时升温1的速度将干球温度升至3638，压火稳温，直到底层烟叶变黄34成，二层烟叶失水，开始凋萎、柔软、变黄为止，一般需1020小时；第二步，以每2小时升温1的速度将干球温度升到4042，压火稳温，促使烟叶充分失水、凋萎、变软，直到底层烟叶全部变黄，并达勾尖，卷边至小卷筒状态。二层烟叶变黄达到黄片、青筋（下部叶9成黄，中下部也全变黄）并开始达勾尖状态为止。三层以上凋萎变黄，此图21三段五步式烤烟控制工艺步一般需时下部叶25小时，中部叶35小时，上部叶45小时左右。此阶段升温不宜过快，以防烤房垂直温差过大时使烤房底部烟叶叶尖烤青。但升温也不应太慢，以防烟叶失水不足、变黄过慢、消耗养分较多。烧火应注意适当提前封火，以防温度偏高。在旱天要注意保湿，以防水分过早散失。在空气湿度较高地天气要适当开天窗排湿，以防烟叶前期失水太少。温度高低主要靠烧火控制，烤房内部垂直方向上温度差主要靠进冷空气和出湿空气来调节。若发现装烟过密造成空气上下流不通、温差较大，或者上下棚烟叶之间的变黄失水差异过大，可适当开启地窗促使气流走顺，缩小垂直温度差，达到目的后再关闭地窗。既要注意充分发挥天窗的排湿作用、尽量少用地窗，又要防止垂直温度差异过大，适当发挥地窗的作用。在开启地窗之前，一定要适当加大火力，以防掉温。22定色阶段定色阶段的技术要领是加大烧火，加强排湿，升高干球温度。在温度适宜且稳定的前提下，主要靠干球温度的升高降低烤房内部湿度。要稳定加大烧火，加强烟叶脱水。基本任务有四个确保烟叶残留的青色消失变黄，防止烤青；在升温定色中防止出现挂灰、蒸片、糟片等烟叶损伤，确保外观质量；促进香气物质形成，提高烟叶内在质量；确保烤房内烟叶的叶片干燥定色，为进入与干筋阶段较快升温奠定良好基础。定色阶段也可分为两步第一步，以每23小时升温1的速度降干球温度升到4648，压火稳温，在此段一般稳温812小时。注意通风排湿，直到底层烟叶达到大卷筒状态，二层烟叶全部变黄（黄片、黄筋）并失水达小卷筒状态，顶层烟叶变黄910成（仅剩主、侧脉微带青）为止，一般下部叶20小时左右，中部叶30小时左右，上部叶25小时左右。第二步，以23小时升温1的速度将干球温度升到5254，压火稳温，直到全烤烟房内的烟达到大卷筒状态（叶全变干）为止，一般需时下部叶15小时左右，中部叶20小时左右，上部叶25小时左右。定色升温阶段是决定烟叶外观质量的关键阶段，也是影响烟叶内在质量的重要阶段。一方面，烟叶要在升温过程中最终完成变黄，另一方面，回青、烤青、挂灰、蒸片、糟片等不良现象易于在此阶段出现。而且，部分香气物质正是在边升温边干燥的过程中产生的，所以必须精心操作，不能掉以轻心。在这一阶段，要实现叶片的进一步变黄和叶脉完全变黄，同时也要防止烤青，而且，鉴于鲜叶的不尽一致和烤房配置的不尽合理，“黄烟等青烟，达到全部黄”的任务和目标也要在此阶段完成。所以升温定色并非越快越好，操作上要确保以全黄为原则，严格落实。但是，无论变黄在此阶段多么重要，最主要的任务还是加速已变黄的烟叶脱水定色。为此，在严格控制干球温度外，还应根据烟叶失水干燥程度，灵活调控通风量的大小，确保烤房的能量消耗水平与烟叶的脱水干燥需求相适应，防止烟叶因定色不及时而出现种种不良现象。图21三段五步式模式温度曲定色稳温阶段是决定烟叶内在质量和外观质量的关键阶段。因为致香物质主要在此阶段形成，而且烟叶能否顺利定色和安全转入干筋也全靠在此阶段打好基础。此阶段干球温度稳定地的保持在54，主要靠充分严整时间确保致香物质的大量形成，以及烤房内烟叶完全定色。在达到定色稳温阶段时，烤房底部的烟叶已基本干燥，烤房上下棚烟叶的叶尖、叶边也已干燥。因此，主要任务是确保叶片的中部和基部、装烟过稠处的烟叶、被编烟绳捆绑住的局部烟叶、被挤在烟竿中部的烟叶等干燥滞后的烟叶，也都及时定色。与此同时，防止操作不当造成尚未真正定色的烟叶出现种种损伤。定色稳温阶段必须给予较高的温度和较充分的时间。至少应在16小时以上，确保烤房内所有烟叶完成干叶定色，以防转入干筋阶段较快升达较高温度时，尚有部分未能干燥的叶片受到损伤，温度不可偏高或偏低，偏低时烟叶定色后显得干燥欠油分、色淡无光泽，过高还可能造成烤红或局部考黑，烟叶烤后，色泽不鲜。23干筋阶段干筋阶段的技术要领是控制干球，减少通风，适时住火。在保持干球温度不过高的工艺条件下，主要靠时间长短使烟叶实现干筋。基本任务是确保烟叶干筋，防止出坑时仍有湿筋湿片；防止烟叶出现考红，香气大量损失等不良现象发生；确保安全和节能，杜绝事故，降低烘烤成本，圆满结束坑内调制过程。干筋升温阶段，以每12小时升温1的速度将干球温度升到6568，60以后逐渐关小天、地窗，压火稳温（下部叶65，中上部68）直到主脉全干后停火，注意安全，及时清除烤房内的落叶。一般需20小时左右。该阶段要注意一下四点升温速度不能过快，以防没有真正完成定色的烟叶受损；干球温度不得超过68，以防烤红和烟叶香气受损失。不得掉火降温，注意充分延长时间，以防出炕时留有湿片、湿筋；通风量不宜过大，较高温度强制主脉中的水分汽化。所以应适当控制地窗，主要靠天窗排湿促进主筋干燥。注意及时停火，防止过度延长时间，浪费燃料且降低烤房利用率。停火前后，注意关小天窗以保持坑温，借以利用余热最终将烟叶烤干。此阶段温度高，风险大，一定要精心操作，确保安全。第3章系统方案本系统采用预测控制技术中的动态矩阵控制技术结合烤烟三段五步式操作技术实现提前预测控制，同时选择烤房地板温度代替烤房内部温度作为控制参数，减小了系统的时间滞后性，保证烘烤烟叶的质量。三段五步式烤烟控制模式是从国外引进的，经历了几十年的修正，提炼出来的一套适合我们大部分地区的烤烟控制模式，并在我国大部分地区得到了广泛的推广，受到了广大烟农的青睐。系统使用内嵌的专家曲线（一条基于烤房内部空气温度的三段五步式曲线）作为系统控制的基本依据。系统的开发采用软硬件协同设计方法，有效地避免了传统的嵌入式开发方法的弊端，这种方法在协同设计、协同测试、和协同验证上，充分考虑了软硬件的关系，并在设计的每个层次上给以测试验证，使得尽早的发现问题，避免灾难性错误的出现。并且在软件开发过程中采用了模块化开发模式，提高了开发效率，降低了开发周期，从而降低系统的开发成本。31系统数据流系统数据流图如图31所示。几个处理的描述如下（1）数据采集控制系统每隔3分钟从温度传感器采集一次温度信息，记录最近10次的温度信息供其它处理使用。（2）烤房内部温度平衡测试用最近5次所读取的烤房内部温度的平均值和用最后一次的温度比较，若相差不超过05，则认为烤房内温度达到平衡，利用烤房内部温度数学模型（）求解，并记录参数有效信息。KUO2（3）烤房内部热流平衡测试根据牛顿冷却定律测试提供给室内的热量是否达到平衡，也就是测试室内温度和地板温度的差是否平衡，也是通过最近5次温度的变化求出。热流平衡是建模的前提。（4）建模升温的第一个阶段实现，首先给风门一个调整量，根据最近10次温度的值建立动态矩阵，动态矩阵建立的方法见42节。（5）升温模式加大风门一个固定量，开始建模，得到动态矩阵。并根据动态矩阵和期望温度求出风门变化序列，控制温度按期望的曲线上升到期望的稳定温度。（6）稳温模式当室内温度和期望温度的差大于1时，根据动态矩阵计算风门调整量并控制。（7）时间管理根据专家曲线控制温度控制模式。如果当前时间在升温阶段，则启动升温控制。（8）旋转电机根据转动圈数控制步进电机。（9）预警模块每隔3分钟从烤房温度队列，同时从专家曲线中读取此时烤房内部温度的期望，若烤房内部温度比烤房内部温度大于期望值3以上时，发出蜂鸣警报，提醒烟农；否则仍然将该进程延迟3分钟。电机旋转角度电机旋转角度温度传感器存储存储升温模式5预警模块9烤房内部温度平衡测试2烤房内部热流平衡测试3时间信息读取温度信息读取温度信息读取温度信息读取温度信息读取温度信息读取温度信息存储时间管理7旋转电机8烤房地板温度队列进入烤房内部的外界空气温度烤房内部温度队列建模4数据采集1烤房内部温度平衡参数K及烤房温度平衡标志位烤房内部温度和烤房地板温度关系曲线、动态矩阵烤房内部温度热流平衡标志位存储存储存储稳温模式6蜂鸣警报32系统模块分析1数据采集模块图31系统数据流图控制系统每隔3分钟从温度传感器采集一次温度信息，并把外界空气的温度、烤房内部温度、烤房地板温度的信息分别存放到外界空气的温度循环队列、烤房内部温度循环队列、烤房地板温度循环队列中，各保存最近10次的数据信息。读取烤房内部温度的函数FLOATREADROOMTEMP读取烤房地板温度的函数FLOATREADFLOORTEMP读取烤房外部温度的函数FLOATREADOUTTEMP2平衡测试模块从地板温度循环队列、外界空气温度循环队列、烤房内部温度循环队列读取温度，求出最近5次烤房内部温度的平均值，和最后一次比较，若相差不超过05，则认为烤房内温度达到平衡，利用烤房内部温度数学模型（）求解，并记录当前的平衡状态。KUO2/启动风门响应函数VOIDFMBH1FLOATXINTISIGNEDINTFNFNINTX10240MOTORDEVICEFN/OSSEMPENDE_CHANGETEMP,0,OS_NO_ERRFORI0I1|STIME_TEMPI10ITIME_TEMP100TIME_TEMPI0TIME_TEMP110TIME_TEMPI10TIME_TEMP101TIME_TEMPI1TIME_TEMP111TIME_TEMPI11OSTIMEDLYHMSM0,0,TIMEDELAY,08报警模块每隔3分钟从烤房内部温度队列读取一组当前时刻的温度，同时从专家曲线中读取此时烤房内部温度的期望，若烤房内部温度高于烤房内部温度的期望值3以上时，发出蜂鸣警报，提醒烟农；否则仍然将该进程延迟3分钟。6LED显示模块系统内嵌的专家曲线是根据烤烟控制的时间确定的，因此LED显示模块首先能准确表示系统运行时间，同时要从进入烤房内部的外界空气的温度、烤房内部温度循环队列、烤房地板温度循环队列读取当前时刻下的进入烤房内部的外界空气的温度、烤房内部温度、烤房地板温度并用LED实时刷新显示。/LCD显示任务VOIDDISP_TASKVOIDIDFLOATHTEMP100INTTIME20FORTIME2TIME1LCD_CLSLCD_PRINTF“NNNNN“LCD_PRINTF“TTTHECONTROLSYSTEMOFFLUE_CUREDTOBACCOBASEDONUC/OSNN“IFTIME_TEMP101TIME_TEMP111LCD_PRINTF“NNTTTHETEMPREATUREISBALANCINGNOWNN“ELSELCD_PRINTF“NTTTHETEMPREATUREISINCREASINGNN“OSSEMPENDE_TEMP1,0,OS_NO_ERRHTEMP1TIME_TEMP101TIME2TIME_TEMP100TIME_TEMP111TIME_TEMP101/TIME_TEMP110TIME_TEMP100/LCD清屏OSSEMPOSTE_TEMP1LCD_PRINTF“TTTHESYSTEMHASRUNNINGDSECONDNN“,TIME2TIMEDELAYLCD_PRINTF“TTTHEEXPECTINNERTEMPERATUREIS24FN“,HTEMP1LCD_PRINTF“TTTHEINNERTEMPERATUREIS24FN“,READROOMTEMPLCD_PRINTF“TTTHEOUTERTEMPERATUREIS24FN“,READOUTTEMPOSTIMEDLYHMSM0,0,TIMEDELAY,0第4章实现原理41烤房地板数学模型当烤炉产生的热量达到一个稳定值时，即从烤房地板上散发出来的热量是相对稳定的。设表示烤房C内部的热流量，表示烤房内部与热容有关的参数。在时间内产生的热量可以表示为。1K2TT由三部分组成加热由通气孔进入烤房内部气体、使烤房温度上升和烤房墙体散失的热量。由以上TC分析可知忽略不计）（散失散失QUTKTCO221由上式可得等式两边同时除以，整理后得UT23OTUKCD是烤房内部温度的变化量,、分别为烤房内部、进入烤房内部的外界空气的温度。O当系统达到平衡状态后，烤房内的温度变化趋于零，即值为零，则TUD23OUKC由牛顿冷却定律可知，热流量与烤房地板和烤房内部的温度差成正比即4把式带入式可得KUO2其中是烤房地板温度的预测值U由于烤房的大小、密封性、外界温度等情况的不确定性，为了达到精确控制的目的，首先需要对烤房的属性进行模糊测量计算，即风门调整量与烤房内部温度变化的关系。当判断烤房内部温度已经达到相对稳定的状态时,控制系统向烤房发送风门调整信号,在30分钟内F烤房内部温度变化曲线如图41所示/任务温度预测。VOIDMODEL_TASKVOIDIDINTIFOR/LCD_PRINTF“THEOUTERTEMPERATUREISHELLON“OSSEMPENDE_CHANGETEMP,0,OS_NO_ERRFORI0I8I221OUT图41烤房内部温度变化曲线TEMP_ROOMITEMP_ROOMI1/数组每个元素向前移动一位，最后一位值不变OSSEMPOSTE_CHANGETEMPOSTIMEDLYHMSM0,0,TIMEDELAY,042动态矩阵控制算法动态矩阵控制DMC技术是一种基于计算机的控制技术。由于它采用在工程中易于测取的对象阶跃响应做模型，具有多步预测、反馈校正等特性，避免通常传递函数或状态空间方程模型参数的辨识；又由于采用多部预测技术，能有效地解决时滞问题，并按预估输出与给定值偏差最小的二次性能指标实施控制，因此是一种最优控制技术。DMC算法基本思想即预测控制算法基本思想先用预测模型预测未来输出，再利用最优控制率优化出的控制量进行控制。烤烟过程是一个非线性、时滞性强的过程，一般的PID算法、SMITH预测算法作为控制算法容易引起过调问题，因此我们采用动态矩阵控制的方法来实现对烤烟的过程进行提前控制。令ZUNNNIAAAA211231321FFN321ZZN是烤房内在第I个时刻的温度变化量，是烤房内在第I个时候做出的调整量，是第I个时IAIU刻的烤房内部温度的期望值（其中I是0至N之间的整数）。AXYNNNAAAA211231N321FFNN321ZZN则上式可转化为AXY利用逆矩阵求解向量X值，求解的公式如下X（ATA）1ATY注AT表示矩阵A的转置，（ATA）1表示矩阵（ATA）的逆矩阵。第5章功能与指标51系统功能该系统的主要功能是对烤烟房的温度进行准确、稳定、及时地控制。在烟叶的三段式烘烤工艺中，对温度的控制是实现自动化控制生产的关键问题。针对此问题，我们利用预测控制理论中动态矩阵控制的方法，设计了这个基于三星S3C2410芯片和C/OSII操作系统的烤烟控制系统。本系统基于烤房地板温度与烤房内部温度关系的数学模型，使用烤房地板温度作为系统控制参数，减少了系统控制滞后时间，最终实现了对温度的准确、稳定及时地控制。52系统指标该控制系统在控制温度时的误差主要表现在两个方面。第一在烤烟房升温阶段，系统控制误差在3以内。第二在烤烟房保温阶段，系统的控制误差在1以内。第6章系统架构6硬件设计控制系统主要由数据存储器，温度传感器，S3C2410ARM9芯片，4X4键盘，TFT16BIT显示器组成。系统组成方案图如图61所示。ARM9S3C2410TFT16BIT显示器步进电机供电电路PT100传感器传感器由于烤房内对温度控制要求较高，此次设计选用国际公认的高精度标准测温传感器，T100传感器。因为铂电阻在氧化环境甚至是高温环境下，其物理和化学性质都非常稳定，因此它具有精度高，稳定性好，性能可靠的特点。它的允许偏差值A级（0150002|T|），B级（0300005|T|）；热响应时间小于30秒。6软件设计根据系统方案和要求，系统的软件设计主要分为预警模块、平衡调试模块、LED显示模块、等待平衡模块、建模模块。主函数通过信号量、时间延迟实现对整个系统的规范化调度，完成相应的功能，从而实现对烤房的自动控制。该控制系统主程序流程图如图62所示。图61系统硬件结构图报警模块平衡控制模块平衡测试模块建模模块显示模块系统初始化任务调度器烤烟结束系统上电启动系统中任务的调度对于提高整个系统的性能具有至关重要的作用，本系统的任务调度流程图如图63所示。图62软件设计框图开始烤房外部温度烤房内部温度烤房地板温度采集烤房外部温度、烤房内部温度、烤房地板温度烤房内部温度与期望值之差小于3摄氏度蜂鸣警报否烤房内部温度是否达到平衡状态等待平衡是否是建立数学模型系统内嵌专家曲线风门调整量烟叶是否达标是否烤烟结束图63任务调度流程图第7章代码测试本系统由于在硬件扩展方面的实力不足，所以本系统采用模拟环境下进行调试运行的方案，即可分为控制系统和仿真系统两个部分。仿真系统仿真烤房内部的温度变化，通过串口将烤房地板、内部和外部温度发送到控制系统，经过控制系统对数据的整合分析求解实现对温度变化的提前预测，并根据地板温度和专家曲线得出风门调整变化量。两者关系如图71所示。IF控制系统仿真系统风门调整量温度仿真系统设计如下/启动风门响应函数VOIDFMBH1FLOATXINTISIGNEDINTFNFNINTX10240MOTORDEVICEFN/OSSEMPENDE_CHANGETEMP,0,OS_NO_ERRFORI0I9ITEMP_ROOMITEMP_ROOMIXMODELZI