CN106200721A - 基于特征模型的自适应温度控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于特征模型的自适应温度控制系统，其特征在于：包括微控制器、温度传感器、功率输出模块，所述微控制器依据温度设定值和温度当前值，利用预写入的控制算法构建的自适应控制器计算得到控制量，进而根据控制所述功率输出模块输出电压信号，以驱动制冷或加热装置，使得温度满足温度设定值的范围。利用本发明设计的控制器，可以实现控制器参数的自适应调整，从而达到对温度的连续精确控制，并能节省能耗10‑20％。

Description

基于特征模型的自适应温度控制器

技术领域

本发明涉及自适应温度控制领域，尤其涉及一种基于特征模型的自适应连续温度控制器设计。

背景技术

在日常生活、工业制造等领域，温度作为当前环境的重要因素之一，被人们广泛的作为参考因素来考虑，对其进行精确的控制可以保证各项工作的正常运行。同时，工业中常用的温度控制器或者只有开、关两种状态，或者采用有限的分档控制，造成了能源的浪费。因此对温度的连续控制可以起到节能的作用。

目前，温控器中主要采用的PID控制，其优点在于原理简单，实现容易。缺点在于过渡过程较长，当环境发生变化时，参数不能自主调节而造成温度振荡，精度不够，浪费能源。

利用本发明设计的控制器，可以实现控制器参数的自适应调整。从而达到对温度的连续精确控制，并能节省能耗10-20％。

发明内容

为了解决以上提到的问题，本发明提供了一种基于特征模型的自适应温度控制器，包括微控制器、温度传感器、功率输出模块，所述微控制器依据温度设定值和温度当前值，利用预写入的控制算法构建的自适应控制器计算得到控制量(即可控硅模块的输入信号值)，进而根据所述功率输出模块输出电压信号，以驱动制冷或加热装置，使得温度满足设定值的范围；

所述温度当前值通过所述温度传感器检测得到，所述微控制器进一步通过所述自适应控制器等效实现二阶时变系统，其表达式为：

$\hat{y}(k+1)=f_1\left(k\right)y\left(k\right)+f_2\left(k\right)y(k-1)+g_0\left(k\right)u\left(k\right)$

其中，y(k+1)，y(k)，y(k-1)分别表示第k+1，k，k-1时刻的温度值，u(k)为第k时刻的控制量即制冷或加热装置的输入电压值，f₁(k)，f₂(k)，g₀(k)为根据当前时刻的温度值及控制电压值辨识得到的特征模型系数。

所述自适应控制器由黄金分割自适应控制器和逻辑积分控制器两部分组成。

所述黄金分割自适应控制器对应的自适应控制律u_L(k)如下：

$u_L\left(k\right)=\frac{-1}{g_0\left(k\right)+\mathrm{\λ}}\[0.382f_1\left(k\right)e\left(k\right)+0.618f_2\left(k\right)e(k-1)\]$

其中，λ为常数，系统确定后，λ即确定。

所述逻辑积分控制器的逻辑积分控制律u_I(k)如下：

u_I(k)＝u_I(k-1)+k_Ie(k)

其中，k_I为积分常数。

综上：u(k)＝u_L(k)+u_I(k)

其中，u(k)是k时刻基于特征模型的自适应控制率，u_I(k)为k时刻的逻辑积分控制律，u_L(k)是k时刻基于黄金分割的自适应控制律。

可选的，所述的基于特征模型的自适应温度控制器还包括显示单元，所述显示单元连接所述微控制器，所述微控制器通过所述显示单元显示所述温度设定值、温度测量值、所述工作状态显示驱动制冷或加热。

可选的，所述的基于特征模型的自适应温度控制器还包括触摸屏，所述微控制器通过所述触摸屏输入，确定温度设定值。

可选的，所述的基于特征模型的自适应温度控制器还包括报警组件，所述微控制器在发生故障时，通过所述报警组件进行报警。

本发明设计了一种基于特征模型的自适应温度控制器。其特点为：操作简便、控制精度高、节能效果好。本发明根据所检测到的温度数据进行控制；在未检测到数据时，也可以通过特征模型预测当前温度值，进而，通过检测得到的温度值和特征模型观测到的温度值，实现温度的精确控制。

附图说明

图1是本发明一实施例中的控制算法示意图；

图2是本发明一实施例中温度控制器的硬件结构示意图。

具体实施方式

以下将结合图1和图2对本发明提供的基于特征模型的自适应温度控制器进行详细的描述，其为本发明可选的实施例，可以认为，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。

本发明提供了一种基于特征模型的自适应温度控制器设计方法，包括微控制器、温度传感器和功率输出模块，所述微控制器依据温度设定值和温度当前值，利用预写入的控制算法构建的自适应控制器计算得到控制量，进而根据所述功率输出模块输出连续电压信号，以驱动制冷或加热装置，使得温度满足温度设定值的范围，进一步的可以使得温度快速精确的达到设定值；

所述温度当前值通过所述温度传感器检测得到，或者通过所述控制算法所提供的特征模型依据前一时刻的控制量和前一时刻的温度值计算得到。

所述微控制器进一步通过所述自适应控制器等效实现二阶时变系统，具体表达式为：

$\hat{y}(k+1)=f_1\left(k\right)y\left(k\right)+f_2\left(k\right)y(k-1)+g_0\left(k\right)u\left(k\right)$

其中，y(k+1)，y(k)，y(k-1)分别表示第k+1，k，k-1时刻的温度值；u(k)为第k时刻的控制量即制冷或加热装置的电压值；f₁(k)，f₂(k)，g₀(k)为根据当前时刻的温度值及控制电压值辨识得到的特征模型系数。

进一步来说，所述微控制器算法所构建的特征模型自适应控制器提供了黄金分割自适应控制器和逻辑积分控制器，所述黄金自适应控制器、逻辑积分控制器分别依据黄金自适应控制律、逻辑积分控制律对温度设定值与温度测量值的差值进行计算，分别得到控制分量，然后所述微控制器将各控制分量相加，得到最终的控制量。

有关所述黄金分割自适应控制器：

所述黄金分割自适应控制器的黄金自适应控制律u_L(k)如下：

$u_L\left(k\right)=\frac{-1}{g_0\left(k\right)+\mathrm{\λ}}\[0.382f_1\left(k\right)e\left(k\right)+0.618f_2\left(k\right)e(k-1)\]$

其中，λ是一个给定的常量。

有关所述逻辑积分控制器：

所述逻辑积分控制器的控制律u_I(k)如下：

u_I(k)＝u_I(k-1)+k_Ie(k)

其中，e(k)是指k时刻的温度值与温度设定值的差值，k_I为积分系数。k_I>0。

当然，u_I(k)也可以理解为通过该控制律计算到的控制分量。

可选的，所述控制算法所构建的特征模型如下：

对温度控制系统，模型的系数f_i(k)，g_i(k)是慢时变的；系数的范围可事先确定；在同样输入的情况下，特征模型的输出与实际对象输出是等价的(即：在动态过程中能保持在允许的输出误差内，在稳定情况下，输出是相等的)；当系统的静态增益为1时，在稳定状态下系数之和等于1，即

f₁(∞)+f₂(∞)+g₀(∞)＝1

其中

有关所述输出模块：

输出模块(可控硅功率调整模块)由双向可控硅、可控硅触发电路组成，输入端输入0-5V的DC电压，输出端输出与之呈线性关系的0-220V AC电压。

本发明可选的实施例中，所述的基于特征模型的自适应温度控制器还包括显示单元，所述显示单元连接所述微控制器，所述微控制器通过所述显示单元显示所述温度设定值、温度测量值和工作状态，所述工作状态显示驱动制冷或加热。所述的基于特征模型的自适应温度控制器还包括触摸屏，所述微控制器通过所述触摸屏响应输入，确认所述温度设定值。所述的基于特征模型的自适应温度控制器还包括报警组件，所述微控制器在发生故障时，通过所述报警组件进行报警。

如图2所示，基于ARM嵌入式芯片的温度控制器，包括ARM嵌入式微控制器、温度传感器、报警组件、驱动电路，制冷/加热装置、D/A转换模块、显示模块和操作模块。所述温度传感器、显示、操作模块连接于ARM微控制器的输入端，报警电路、D/A转换电路、驱动电路连接微控制器的输出端。制冷/加热装置连接于驱动电路的输出端。温度值的设定和显示全部在彩色触摸屏上面。

本发明可选方案中，其工作过程具体可表述为：

温度设定上下限可以通过触摸屏上的调节按钮来进行调节；温度传感器将采集到的温度值在彩色触摸屏上面实时显示出来；温度传感器将采集的温度数值传送给ARM微控制器，与温度设定值(输入控制量)相比较；经ARM微处理器(STM32F103VET6)运行特征模型自适应控制算法后得到控制量，然后经过特征模型自适应控制器运算得到控制量；将这个控制量经过D/A转换成DC0～5V的模拟量，该模拟量送给双向可控硅调功模块的驱动电路，输出AC 0～220V连续电压来驱动制冷和加热装置。系统采用彩色液晶屏作为显示单元，显示单元显示设定温度值、当前温度值、温控器的工作状态。系统的温度上下限设定值也通过触摸屏上面的按键来调节。当温控器出现故障(漏电、执行器不动作、控制失控、温度超限)时，报警电路的报警器会发出报警提示。

可见，本发明将特征模型自适应控制算法运用到嵌入式温度控制器的设计中，提高了温度控制器的响应速度和控制精度；控制器的输出量转换为DC 0～5V的模拟电压值输出，连接于可控硅功率调整模块，直接输出AC 0～220V电压来驱动制冷和加热装置，实现了温度的连续控制，起到了节能作用。

综上所述，本发明设计了一种基于特征模型的自适应连续温度控制器，该控制器安全可靠、操作简便、控制精度高、节能效果好。本发明利用所检测到的温度数据进行控制，在未检测到数据时，也可以通过特征模型预测得到当前温度值。

Claims (5)

1.一种基于特征模型的自适应温度控制系统，其特征在于：包括微控制器、温度传感器和功率输出模块，所述微控制器依据温度设定值和温度当前值，利用预写入的控制算法构建的自适应控制器计算得到控制量，进而根据所述功率输出模块输出电压信号，以驱动制冷或加热装置，使得温度满足温度设定值的范围；

所述温度当前值通过所述温度传感器检测得到，所述微控制器进一步通过所述自适应控制器等效实现二阶时变系统，具体表达式为：

$\hat{y}(k+1)=f_1\left(k\right)y\left(k\right)+f_2\left(k\right)y(k-1)+g_0\left(k\right)u\left(k\right)$

其中，y(k+1)，y(k)，y(k-1)分别表示第k+1，k，k-1时刻的温度值；u(k)为第k时刻的控制量即制冷或加热装置的电压值；f₁(k)，f₂(k)，g₀(k)为根据当前时刻的温度值及控制电压值辨识得到的特征模型系数。

2.如权利要求1所述的基于特征模型的自适应温度控制器，其特征在于：所述自适应控制器由黄金分割自适应控制器和逻辑积分控制器两部分组成。

所述黄金分割自适应控制器对应自适应控制律u_L(k)如下：

$u_L\left(k\right)=\frac{-1}{g_0\left(k\right)+\mathrm{\λ}}\[0.382f_1\left(k\right)e\left(k\right)+0.618f_2\left(k\right)e(k-1)\]$

其中，λ为常数，系统确定后，λ即确定。

所述逻辑积分控制器的逻辑积分控制律u_I(k)如下：

u_I(k)＝u_I(k-1)+k_Ie(k)

其中，k_I为积分常数。

3.如权利要求1所述的基于特征模型的自适应温度控制器，其特征在于：还包括显示单元，所述显示单元连接所述微控制器，所述微控制器通过所述显示单元显示所述温度设定值、温度测量值，工作状态，所述工作状态显示驱动制冷或加热。

4.如权利要求1所述的基于特征模型的自适应温度控制器，其特征在于：还包括触摸屏，所述微控制器通过所述触摸屏响应输入，确认所述温度设定值。

5.如权利要求1所述的基于特征模型的自适应温度控制器，其特征在于：还包括报警组件，所述微控制器在发生故障时，通过所述报警组件进行报警。