人工气候系统控制性能及可靠性分析

摘 要:论述人工气候控制的原理､方法和改进措施｡介绍SMG12864D液晶显示模块的工作原理､功能及液晶显示开发的基本步骤,给出与新型接口电路及其驱动软件的设计,并介绍采用80c196kc单片机(MCU)通过8255A驱动液晶显示模块的部分程序｡研究温度传感器的在线校正方法｡实践表明,硬件及软件的改造是正确的,使系统的性能和可靠性进一步提高｡

关键词:人工气候;空调控温;液晶显示;非线性校正;前馈补偿;专家模糊控制

中图分类号:TP273文献标识码:A

1 前 言

人工气候智能控制系统由单片机､LCD显示模块､键盘控制器､程序存储器､数据存储器､GAL器件等部分组成｡主要功能是:按照水稻发育的环境条件要求,对温度､照度､湿度等进行控制｡

目前系统存在的主要问题有:8279键盘控制器发热､LCD失效､电源干扰严重､温度传感器非线性严重､多子系统的相关耦合等｡

针对这些问题,提出了相应的解决措施:降低8279的工作频率;开发新的LCD接口电路及其驱动程序;温度传感器进行非线性校正;环境温度和高压钠灯照度的前馈补偿等｡

2 新LCD模块接口电路及驱动程序设计

2.1 接口电路设计

本系统采用8255A做I/O口的扩展｡8255A是目前应用最广的可编程并行接口芯片之一[1],其最大的特点在于:使用灵活,可以在不改变硬件的情况下通过软件编程来改变芯片的功能｡本系统用PB口为8位数据线,PC口的高4位和MCU的P2.6口为控制线,其中,PC4为片选信号1,PC5为片选信号2,PC6为读写选择信号,PC7为命令数据选择信号｡MCU对8255A的PC口操作,即可实现对LCD模块的操作｡系统原理图如图1所示｡

KS0108B是此模块的主控制器,KS0108B和KS0107B共同组成LCD显示模块｡SMG12864D由两片64x64的液晶组成,分别为IC1,IC2｡输入为: 8位并行数据线,工作及背光电源线,控制信号线;输出为:LCD点阵｡

此模块的指令只有五条｡通常对LCD的操作是:初始化-测忙-写指令代码-写显示数据｡单片机对SMG12864D访问时,不需要对其进行忙判断,从而节省了系统开销｡

控制器内部设有一个数据地址页指针和一个数据地址列指针,由指令产生,可通过它们访问内部的全部512 字节RAM[3]｡

计算技术与自动化2007年6月第26卷第2期何 鹏等:人工气候系统控制性能及可靠性分析2.2 驱动程序设计

驱动程序包括2部分｡第1部分是底层驱动程序:LCD写数据､写命令驱动程序｡第2部分是应用程序:清屏程序,初始化程序,显示字符程序｡编程语言为PL/M-96,是一种可用于MCS-96系列单片机的结构化的高级语言[2]｡写数据驱动程序是利用8255A的扩展端口进行驱动,只需按照时序对I/O口进行置高置低的操作即可｡对LCD写命令子程序与写数据子程序类似,仅需要改变I/O口的状态即可｡清屏程序实际上是在相应的点阵写“0”｡;LCD的初始化子程序:向LCD写命令代码3FH(开显示),0C0H(显示初始行设置)｡

3 人工气候专家模糊控制系统

由于每个气候室的三台空调机不是变频空调,不能连续变频控温,只能通过空调切换､冷热切换和变换风速调节温度,且空调机启停存在“停机三分钟”问题,因此不能保证控制的连续性,采用普通的控制方法来温度控制,±0.2℃控温精度是很难达到的,对此我们采取专家模糊控制的方法,利用大量的专家经验及规则来保证系统较好的接近连续控制,并克服非线性带来的问题｡

本系统的专家模糊控制器由软件实现,系统输入为偏差､偏差变化率｡系统输出为空调模式､风模式､冷热模式等｡是多输入多输出的系统｡知识库的知识获取途径有3个:

1)通过典型反馈控制,由偏差及偏差变化产生一个控制量,得到温度值,这种途径主要用于偏差较大的情况,可以让系统快速的接近设定值｡

2)根据经验知识,在温度比较接近设定值的时候,用PI控制往往出现控制效果不佳的情况,主要是因为规则的数目有限导致的,而系统的代码空间不允许无限的增加规则数目,因此,在这种情况下,就要用到经验,比如在温度接近设定值的时候,可以根据空调的性能,跳出原来的规则,直接写入新的规则｡

3)模式多变,风模式､制热/制冷模式､休眠模式､起停模式､空调切换模式等,而每种模式下又有2～3种情况,可以针对不同的环境变化采用相应的控制模式｡

控制流程图如图2所示｡

4 温度传感器的非线性校正

传感器在控制系统中起到重要作用,直接影响控制性能,因此传感器的精度及线性度是关键指标｡根据实测,温度传感器的非线性程度严重,影响控制精度｡因此,采用曲线拟合的方法,分段线性化温度传感器的特性,为此用到了MATLAB软件及相应编程｡测试得到的传感器特性如图3所示,是用精度为0.1℃的水银温度计和12位的A/D转换器测试得到的,每度1点｡分段拟合程序的作用:分段拟合出一条近似直线方程,输出斜率和截距｡然后根据工作点所在区间的斜率和截距,由A/D转换数据x在线计算相应的实际温度y｡采用这种方法,能较好地拟合出温度传感器的实际特性,保证了温度反馈信号的精度,从而可大大地提高温度控制精度｡

5 环境温度和高压钠灯照度的前馈补偿

5.1 环境温度的前馈补偿

春夏秋冬和天气阴晴,环境温度变化较大,对人工气候室的温度控制精度影响也较大,有时甚至达不到设定的温度｡

为了解决环境温度变化对温度控制精度的影响,系统引进了环境温度的前馈补偿｡其基本思想是,将环境温度相对于室内设定温度r的偏差,等效为室内的温度误差

式中,K0-内外温差折算到室内温度误差的系数｡

然后,按前馈补偿后的室内温度误差

进行温度回路的专家模糊控制｡

式中,e(k)=y(k)-r,y(k)为室内实际温度｡

5.2 高压钠灯照度的前馈控制

人工气候室内有36盏高压钠灯,每灯400w,消耗功率大,热量高,严重影响室内温度的控制精度｡

为了解决高压钠灯照度对温度控制精度的影响,系统引入了高压钠灯照度的前馈补偿｡其基本思想是,将高压钠灯照度相对于设定照度的误差,等效为室内的温度误差

式中,KL-照度误差折算到室内温度误差的系数｡

然后,按前馈补偿后的室内温度误差

进行温度回路的专家模糊控制｡

6 结 论

调试结果表明,MCU与SMG12864D在时序上,以并行口方式可以方便地配合｡在底层驱动程序中,延时不能过大,否则会造成无法显示或显示乱码｡严重时,甚至引起系统死机｡

通过温度传感器的非线性校正,环境温度的前馈补偿和高压钠灯照度的前馈补偿,大大地提高了系统的控制精度｡

通过降低8279键盘控制器的工作频率,有效地降低了8279的温升,提高了系统的工作可靠性｡

模糊规则的进一步完善,使系统在不同季节下的温度控制的适应性增强｡

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。