基于ARM的模糊PID温度控制系统的研究.docx
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基于ARM的模糊PID温度控制系统的研究
目录
摘要i
AbstractII
第1章绪论5
1.1课题研究背景和意义5
1.2温度控制系统研究现状及发展趋势5
1.3嵌入式系统6
1.4嵌入式系统的分类及组成7
1.5本文的主要工作8
第2章模糊PID控制8
2.1模糊控制基本原理8
2.2模糊自适应PID概述9
2.3模糊自适应PID控制器的设计10
2.3.1模糊自适应PID控制器10
2.3.2参数自整定原则11
2.3.3隶属度函数的建立12
2.3.4控制规则的设计14
第3章温度控制系统硬件设计17
3.1AT91RM9200处理器概述17
3.1.1ARM简介17
3.1.2AT91RM9200结构及特点18
3.2温度检测电路设计19
3.2.1K型热电偶简介19
3.3D/A数据转换电路设计19
3.4存储模块设计20
3.4.1Flash接口电路20
3.4.2SDRAM接口电路22
3.5显示模块设计23
3.6电源模块设计25
第4章嵌入式Linux操作系统的建立26
4.1ARM指令系统简介26
4.2Bootloader的移植27
4.2.1Bootloader简介27
4.2.2U-boot的移植27
4.3操作系统的选择与移植30
4.3.1操作系统的选择30
4.3.2交叉编译环境的建立32
4.3.3Linux的移植33
第5章温度控制系统程序设计36
5.1嵌入式Linux的设备驱动程序37
5.1.1驱动程序简介37
5.1.2驱动程序的开发38
5.1.3模块化驱动程序39
5.1.4驱动程序的加载和卸载40
5.2系统应用程序设计41
5.2.1温度检测程序设计41
5.2.2D/A数据转换程序设计42
5.2.3模糊PlD控制运算程序设计43
5.2.4日志记录程序设计43
第6章系统仿真及分析45
6.1温度控制系统模糊PID仿真45
6.2结果分析46
结论47
参考文献48
谢辞50
摘要
本文在研究了目前国内外温度控制现状的基础上,针对大多数工业生产中温度控制系统对复杂控制算法处理能力差,提出了一种基于ARM的模糊PID温度控制系统。
硬件上,系统采用ARM9微处理器AT91RM9200作为主控制芯片,对温度检测单元和液晶显示模块进行了设计,对存储单元进行了扩展。
;在软件上,移植了嵌入式实时操作系统Linux,对温度检测模块、D/A数据转换模块、液晶显示模块及控制算法等应用程序进行了开发设计,本文设计的温度控制系统是针对一般工业温度控制特点提出的,具有扩展性强、可靠性高、响应速度快、体积小等特点,能够有效管理复杂的系统资源。
目前市场上成型的温度控制产品都普遍采用传统PLC和单片机来实现,能够满足用户大多数场合的需要。
随着微电子和嵌入式技术的迅猛发展以及自动控制理论的不断完善,工业温度控制要求也越来越高。
现在国内外很多温度控制系统都采用ARM作为处理器,ARM为嵌入式的应用提供了一个有效的解决方案,以其成熟的结果标准,有效的32位RISC结构,优秀的代码密度,可能的低成本,执行高度稳定等特点,被市场所认可。
在工农业中的温度控制对象往往具有非线性,大时滞,时变,强耦合等特点,采用常规PID控制不理想,不能满足系统在不同条件下对参数的自整定要求,从而影响其控制效果的进一步提高。
模糊控制是一种语言控制,不依赖精确的数学模型,对参数变化不敏感,具有很好的鲁棒性。
由于模糊控制易受模糊规则有限等级的限制而引起误差。
关键词:
温度控制系统,ARM,模糊PID
Abstract
Inthispapertheresearchathomeandabroadandtemperaturecontrol,basedonthecurrentsituationofthemostindustrialproductionintemperaturecontrolsysteminthecomplicatedcontrolalgorithmprocessingabilityispoor,putforwardbasedontheARMofthefuzzyPIDtemperaturecontrolsystem.Hardware,thesystemusingARM9microprocessorAT91RM9200asthemaincontrolchip,thetemperaturedetectionunitandLCDmodulearedesignedandexpandinstorageunits.AnothersystemalsodesignedtheRS232serialinterfacecircuit,JTAGcircuitandtheEthernetinterfacecircuit,convenientdatadownload,systemcommissioningandwithaPcorequipmentcommunication;Insoftware,transplantingembeddedreal-timeoperatingsystemLinux,temperaturedetectionmodule,toD/Adataconversionmodule,liquidcrystaldisplaymoduleandcontrolalgorithmoftheapplicationdevelopmentdesign,thisarticledesigntemperaturecontrolsystemisforgeneralindustrialtemperaturecontrolcharacteristicsoftheproposed,withexpandability,highreliabilityandresponsespeed,smallvolumeandothercharacteristics,tomanagethecomplexsystemresources.
OnthemarketatpresentthemoldingtemperaturecontrolproductsiswidelyadoptedinthetraditionalPLCandsingle-chipprocessortoimplement,canmeettheusersmostsituationtheneed.Withmicroelectronicsandembeddedtechnologyofrapiddevelopmentaswellastheautomaticcontroltheory,theperfectionoftheindustrialtemperaturecontrolrequirementsmoreandmoreisalsohigh.NowmanydomesticandforeigntemperaturecontrolsystemadoptsARMprocessor,asfortheapplicationoftheembeddedARMprovidesaneffectivesolution,withitsmatureresults,effective32-bitstandardRISCstructure,goodcodedensity,lowcost,executionmaybehighlystableandothercharacteristics,beacceptedbythemarket.
Thetemperatureinagriculturalandindustrialcontrolobjectwithnonlinear,oftenwithtime-varying,strongcoupling,characterandtheconventionalPIDcontrolnotideal,can'tmeetthesystemunderdifferentconditionsoftheparametersofthesettingrequirements,andaffectstheircontroleffectoffurtherimproved.Thefuzzycontrolisalanguagecontrol,donotdependontheaccuratemathematicalmodel,isnotsensitivetotheparameterchanges,andhasagoodrobustness.Becausefuzzycontrolissusceptibletofuzzyruleslimitedlevelrestrictionsandcauseerrors.
Keywords:
temperaturecontrolsystem,ARM,FuzzyPID
第1章绪论
1.1课题研究背景和意义
温度是工业生产过程中最常见的控制参数之一,对温度的测量和控制具有很大的实际应用价值和应用前景[1][2]。
特别是在很多工业场合,温度控制的好坏直接影响产品的质量、设备运行的安全性和经济性,对温度进行实时准确的测量和控制对工业生产过程的顺利进行起着至关重要的作用,由于温度对工业生产有着非常重要的作用,所以温度控制系统的发展也得到了进一步的推进。
随着微电子和嵌入式技术的迅猛发展以及自动控制理论的不断完善,特别是针对特定工业控制对象的工业控制器的出现,使得测控系统的设计进入了一个崭新的领域。
总之,温度控制系统对工业生产乃至国民经济都具有非常重要的现实意义和价值。
特别是近几年,随着我国经济的飞速发展,工业生产过程也发生了日新月异的变化,这就使得对温度控制装置,特别是那些具有通用性、宽量程、高精度、实时性的先进的温度控制系统的需求不断增加。
目前国内市场上的温度控制装置有很多,并且技术水平也在不断发展,但和国外同类产品相比,在功能、智能化程度和可靠性方面还有很大差距,这就使得生产自主研发的高技术低价位的产品具有了更大的现实意义。
1.2温度控制系统研究现状及发展趋势
目前市场上成型的温度控制产品都普遍采用传统PLC和单片机来实现[3][4],能够满足用户大多数场合的需要。
随着微电子和嵌入式技术的迅猛发展以及自动控制理论的不断完善,工业温度控制要求也越来越高。
现在国内外很多温度控制系统都采用ARM作为处理器,ARM为嵌入式的应用提供了一个有效的解决方案,以其成熟的结果标准,有效的32位RISC结构,优秀的代码密度,可能的低成本,执行高度稳定等特点,被市场所认可[5]。
采用嵌入式硬件和软件的温度控制系统具有很高的测量精度和控制精度,而且实时性好,能进行较复杂的算法运算,体积也大大减小,有着非常人性化的人机界面。
由此可见,利用高性能的嵌入式处理器和嵌入式实时操作系统对温度进行控制已成为未来发展的趋势。
在温度控制方式上,目前大多数采用的是PID控制方式[6]。
PID调节器及其改进型是在工业过程控制中最常见的控制器,至今全世界过程控制中仍然有84%左右使用纯PID调节器。
尽管许多先进控制方法不断推出,但PID控制器以其结构简单[7],容易被理解和实现,应用中不需要精确的系统模型的预先知识,对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点,仍被广泛应用于工业过程控制中。
此后又出现了诸如最优PID控制、预估计PID控制等高级PID控制策略[8],但人们对PID控制器的认识和改进远没有完成,到目前为止,PID控制的机理、使用范围、鲁棒性等问题都还没有彻底完全的分析研究。
其实PID控制器自身存在着固有的缺陷[9]:
在实际的工业生产过程中,被控对象往往具有非线性、时变性、不确定性,难以建立精确的数学模型,应用常规PID控制器不能达到理想的控制效果;在实际生产现场中参数整定方式十分烦杂,常规PID控制器参数往往整定不良,性能不好,对运行工况的适应能力差,特别是对于温度这种受周围环境影响较大的控制对象,不能很好的根据需要调节PID参数。
针对这些问题,人们一直在寻求PID控制参数的自整定技术,以适应复杂的工况和高指标的控制要求。
1.3嵌入式系统
嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义,在中国嵌入式系统领域,比较认同的嵌入式系统概念是[10]:
嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,并且软硬件可裁剪,适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。
它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成,用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能[11]。
这些年来掀起了嵌入式系统应用热潮的原因有几个方面:
一是芯片技术的发展,使得单个芯片具有更强的处理能力,而且使集成多种接口已经成为可能,众多芯片生产厂商已经将注意力集中在这方面。
另一方面的原因就是应用的需要,由于对产品可靠性、成本、更新换代要求的提高,使得嵌入式系统逐渐从纯硬件实现和使用通用计算机实现的应用中脱颖而出,成为近年来令人关注的焦点。
从上面的定义,我们可以看出嵌入式系统的几个重要特征:
(1)系统内核小。
(2)专用性强。
(3)系统精简。
(4)高实时性的系统软件(OS)是嵌入式软件的基本要求。
(5)嵌入式软件开发要想走向标准化,就必须使用多任务的操作系统。
(6)嵌入式系统开发需要开发工具和环境。
1.4嵌入式系统的分类及组成
嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成[12]。
从硬件方面来讲,各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分,根据其现状,嵌入式处理器可以分成下面几类:
(1)嵌入式微处理器(MicroProcessorUnit,MPU)
(2)嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)
(3)嵌入式DSP处理器(EmbeddedDigitalSignalProcessoLEDSP)
(4)嵌入式片上系统(SystemOnChip)
从软件方面划分,主要可以依据操作系统的类型。
目前嵌入式系统的软件主要有两大类:
实时系统和分时系统。
其中实时系统又分为两类:
硬实时系统和软实时系统。
一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成,嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心,由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。
执行装置也称为被控对象,它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令,执行所规定的操作或任务[13][14]。
下面对嵌入式计算机系统的组成进行介绍[15]。
(1)硬件层
硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器(SDRAM、ROM、Flash等)、通用设备接口和I/O接口(A/D、D/A、I/0等)。
在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路,就构成了一个嵌入式核心控制模块。
其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM中。
(2)中间层
硬件层与软件层之间为中间层,也称为硬件抽象层(HardwareAbstractLayer,HAL)或板级支持包(BoardSupportPackage,BSP),它将系统上层软件与底层硬件分离开来,使系统的底层驱动程序与硬件无关,上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况,根据BSP层提供的接口即可进行开发。
该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的配置功能。
(3)系统软件层
系统软件层由实时多任务操作系统(Real—timeOperationSystem,RTOS)、文件系统、图形用户接口(GraphicUserInterface,GUI)、网络系统及通用组件模块组成。
RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。
嵌入式操作系统(EmbeddedOperationSystem,EOS)是一种用途广泛的系统软件,EOS负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度,控制、协调并发活动。
它必须体现其所在系统的特征,能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。
嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。
1.5本文的主要工作
本文设计了一种基于ARM的模糊PID温度控制系统,主要完成了以下工作:
(1)对控制系统进行了硬件设计,采用ARM9微处理器AT91RM9200作为主控制芯片,并对其外围电路进行了构建。
本文在对AT91RM9200微处理器进行了介绍之后,对温度检测单元进行了设计,对存储单元进行了扩展,采用专用显示控制器控制LCD显示。
(2)软件方面,移植了引导程序(Bootloader)和Linux操作系统,实现了操作系统的自动引导及运行,为应用程序的运行提供了一个软件环境。
(3)简要介绍了Linux操作系统上硬件设备驱动程序的相关概念及开发过程,之后分别对温度检测模块、D/A数据转换模块、控制算法模块等应用程序的设计进行了说明。
(4)简单介绍了模糊控制的工作原理,详细讲述了模糊PID控制器的具体设计步骤.。
第2章模糊PID控制
2.1模糊控制基本原理
1965年,美国加利福尼亚大学扎德(L.A.Zadeh,1962)教授发表了题为《模糊集合论》著名论文[16][17],从此开创了模糊数学和模糊系统理论的基础。
1974年,英国伦敦大学教授E.H.MamD/Ani,首先利用模糊控制语句组成了模糊控制器,并应用于锅炉和汽轮机的控制,在实验室获得了成功。
它不仅把模糊系统理论首先应用于控制,并且充分展示了模糊控制技术的应用前景。
近几年,模糊控制技术得到了迅猛发展,已经成功的运用于许多领域,在一些具有非线性、强耦合、时变性和时滞性的复杂过程或机器的控制中,模糊控制发挥了独特的作用。
模糊控制是基于模糊推理[18],模仿人的思维方式,对难以建立精确数学模型的对象实施的一种控制,它是模糊理论和控制技术相结合的产物,同时也是构成智能控制的重要组成部分。
模糊控制系统的构成与一般控制系统的区别主要在于控制器不同,模糊控制器主要是由模糊化、模糊推理和去模糊三个功能模块和知识库构成。
它的基本原理是:
把系统的输入进行模糊化处理转化为模糊量,然后按照给出的规则对模糊量进行推理,最后把推理的结果进行去模糊化处理转化为精确量。
模糊控制的突出特点主要有[19]:
(1)控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型,只需要提供操作人员的经验及操作数据;
(2)控制系统的鲁棒性强,适合于解决常规控制难以解决的非线性、强耦合、时变和时滞系统;
(3)以语言变量代替了常规的数学变量,容易构成专家的“知识”;
(4)控制推理模仿人的思维过程,采用“不精确推理",融入了人类的经验,因此可以处理复杂甚至“病态”系统。
虽然模糊控制器和常规控制器相比具有无须建立被控对象的数学模型,对被控对象的非线性和时变性具有一定的适应能力等特点,但是它也存在一些例如精度不高,自适应能力有限和易产生振荡现象等缺陷。
2.2模糊自适应PID概述
在工业生产过程中[20],许多被控对象随着负荷变化或干扰因素的影响,其对象特征参数或结构会发生改变。
自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数,实时改变其控制策略,使控制系统品质指标保持在最佳范围,其控制效果的好坏取决于辨识模型的精确度,这对于复杂系统是非常困难的。
因此在工业生产过程中,大量采用的仍然是PID算法,PID参数的整定方法很多,但大多数都以对象特性为基础。
随着计算机技术的发展,人们利用人工智能的方法将操作人员的调整经验作为知识存入计算机中,根据现场实际情况,计算机能自动调整PID参数,这样就出现了智能PID控制器。
这种控制器把古典的PID控制与先进的专家系统结合,实现系统的最佳控制[21]。
这种控制必须精确地确定对象模型,首先将操作人员长期实践积累的经验知识用控制规则模型化,然后运用推理便可对PID参数实现最佳调整。
由于经验不易精确描述,控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示,而模糊理论是解决这一问题的有效途径,所以人们运用模糊数学的基本理论和方法,把规则的条件、操作用模糊集表示,并把这些模糊控制规则以及有关信息作为知识存入计算机知识库中,然后计算机根据控制系统的实际响应情况运用模糊推理,即可自动实现对PID参数的最佳调整,这就是模糊自适应PID控制。
模糊自适应PID控制器目前有多种结构形式,但其工作原理基本一致。
2.3模糊自适应PID控制器的设计
2.3.1模糊自适应PID控制器
模糊参数自适应PID控制器是一种专家自适应PID控制器[22],它是在常规调节器的基础上采用模糊推理的思想,根据不同偏差e(k)和偏差变化率ec(k),对PID的比例、积分和微分参数kp、ki和kd进行在线自整定的模糊控制器,在参数后kp、ki和kd与偏差e(k)和偏差变化率ec(k)间建立起在线自整定的函数关系,而且这种关系是根据人的经验和智能建立起来的,使系统在不同运行状态下能对常规PID控制器参数不断地修改和调整。
这如同人们在控制过程中不断了解和掌握控制规律一样,因此,它属于人工智能的范畴,即对PID参数实现了智能调节。
也正因为如此,它在改善被控过程的动态和稳态性能、提高抗干扰能力以及对参数时变的鲁棒性等方面均优于常规PID控制器。
自适应模糊PID控制器以误差e和误差变化ec作为输入,可以满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求。
利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改,便构成了自适应模糊PID控制器,其结构如图2-1所示。
R(t)
Y(t)
由控制系统结构框图可见,这是在一般PID控制器的基础上加上了一个模糊控制环节,模糊控制规则环节是为了根据系统实时状态调节PID参数而设置的。
因此,模糊参数自适应PID控制系统的关键在于模糊控制规则对PID参数的调节机理及过程。
由模糊参数自适应PID控制系统的结构图可以看出,其中r(t)为输入值,y(t)为实际输出值,参数校正部分实质为一个模糊控制器,该模糊控制器采用如下5个模糊变量:
(1)e(k),控制系统的输入偏差;
(2)ec(k),控制器的输入偏差变化率;
(3)kp,控制器输出的比例系数;
(4)ki,控制器输出的积分系数;
(5)kd,控制器输出的微分系数。
其中,e(k)和ec(k)为输入模糊语言变量,而后kp、ki和kd为输出模糊语言变量。
2.3.2参数自整定原则
PID参数模糊自整定是找出PID三个参数与系统误差e和误差变化率ec之间的模糊关系[23],在运行中通过不断检测e和ec,根据模糊控制原理来对3个参数进行在线修改,以满足不同e和ec对控制参数的不同要求,而使被控对象有良好的动、静态性能。
PID参数的整定必须考虑到在不同时刻三个参数的作用以及相互之间的互联关系。
从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等方面来考虑,kp、ki和kd的作用如下:
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