[实用新型]自适应变结构控温仪

说明书

本实用新型涉及以微机特别是MCS－51单片机为硬件，结合现代控制理论的模型辨识变结构方式而设计的智能控温仪表。

现有的控温仪表主要有采用PID控制算法的模拟式控制仪表，虽然这些仪表在结构上各有不同，但由于采用PID算法总是存在下述的几个问题：

1.PID控制参数随温度给定值，对象的工况不同而异，需在工业现场反复调试整定，很难保证系统的动静态品质。2.系统的动态性指标不能同时满足最优。3.系统的鲁棒性差，当系统受到扰动时，收敛速度较慢，稳定性较差。

为解决上述问题，本发明提出了一种具有自适应功能的新型智能仪表。其总体思想是：考虑到变结构系统具有鲁棒性好，抗干扰能力强，易于工程实现等优点，选定本系统的控制模式为变结构控制，变结构系统理论（Variable  Structure  System）是由英国John  Williom于1976年提出并在《IEE》杂志刊出，目前还没有成熟适用的工程算法，更没有将该理论运用于温控仪表领域，变结构理论的核心问题是建立系统滑动模态方程。滑动模态方程中的滑模系数，对调节对象的特征参数具有很大的依赖性，因此要实现自适应功能必须完成在线辨识，选择辨识模型是并健因素之一。从MCS－51单片机有限硬件出发考虑到变结构系统对参数变化不敏感的特点，本系统选用降低辨识精度要求的技术方案，从少量原始数据出发，进行在线滚动建模。

以下详细说明本实用新型结构和控制方式

对于温度系统，其微分方程为：

T₁T₂＋（T₁＋T₂）＋e＝yr－Ku （1）其中T₁、T₂为系统慢性，T₁＞＞T₂e－温度偏差、yr－给定温度、U－输出、K对象增益

运用变结构控制：

S＝＋αe （2）

S＝0叫系统的滑动模态方程，系统收敛的充分条件为 S＜0，其中S＝＋αe，α为待定系数，与对象特性参数有一定联系，我们经过一定的实验数字仿真及理论推导可得出最佳α整定

α＝ (T₁+T₂)/2 （4）

采用成熟的最小二乘辨识算法，辨识出：

（n）₁y（n－1）＋₂y（n－2）＋U（n） （5）

将（1）式化成差分方程与（5）式比较得：

α＝－（1＋ (a₁)/(2a₂) ） （6）

这就是整定α参数的具体算式，使辨识与变结构控制有机地结合起来，形成了自适应控制。

本实用新型控制方案包括两种调节回路：

1.主调节回路：根据用户键入的工艺阶梯曲线进行闭环控制，此处与常规闭环控制不同之点是：调节器选用变结构调节器。

2.辅调节回路：根据历次采样数据：y（K）、y（K－1）……    y（1）及历次控制输出数据：U（K）、U（K－1）……U（1），启动辨识软件包进行在线滚动建模，实现对增益，各阶惯性常数，滞后等特征参数的辨识，然后根据第二次性能指标函数（如调节时间准最优、超调量等。）对滑模系数进行整定，实现自适应控制。

其控制原理图2清楚给出。本设计硬件选用MCS－51单片机构成系统，内存配至为16KROM、8KRAM根据控温范围及精度，A／D转换选用12位。为提高硬件抗干扰能力，设计了WDT监视电路及RAM区停电记忆功能。

以下结合附图进一步说明本设计结构及控制方式。

图1为本设计之硬件框图；

图2是设计控制框图；

图3、4、5、6为本设计之一典型实施电路图；

以下结合附图予以说明：