基于多線程溫度控制專(zhuān)家系統(tǒng)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，溫度的自動(dòng)控制已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在生產(chǎn)和生活中，因此對(duì)自動(dòng)控溫方法的研究具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。由于溫度具有大慣性和純延滯的非線性特性，實(shí)際溫度控制過(guò)程的復(fù)雜性又使溫度控制系統(tǒng)的參數(shù)不易確定，因此實(shí)際的溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)，用一般的控制理論難以得到較為滿(mǎn)意的結(jié)果。以此為目的，在此設(shè)計(jì)了基于80C196KB單片機(jī)為核心的溫度控制系統(tǒng)，通過(guò)多線程和專(zhuān)家系統(tǒng)優(yōu)化程序的算法，對(duì)溫度進(jìn)行閉環(huán)控制，從而達(dá)到精確控溫的目的。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1為系統(tǒng)原理框圖，通過(guò)圖示可以看出，硬件系統(tǒng)分為：溫度采樣及放大、顯示、按鈕輸入、溫度控制四個(gè)部分。系統(tǒng)首先通過(guò)AD590采樣將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大通過(guò)80C196KB單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行A／D采樣，通過(guò)采樣的結(jié)果，可以算得控制系統(tǒng)的溫度并顯示出來(lái)，然后將實(shí)際溫度與設(shè)定的溫度(設(shè)定溫度可以通過(guò)輸入按鈕進(jìn)行輸入)進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果控制加熱電阻和風(fēng)扇的占空比，從而達(dá)到閉環(huán)控溫的目的。



2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)中，采用了多線程的編程結(jié)構(gòu)并結(jié)合專(zhuān)家知識(shí)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制性能進(jìn)行改善。

2．1 多線程結(jié)構(gòu)

多線程是指“同時(shí)”存在幾個(gè)執(zhí)行體，按幾條不同的執(zhí)行線索共同工作的情況。多線程實(shí)現(xiàn)單個(gè)進(jìn)程中的并發(fā)計(jì)算，各線程間共享進(jìn)程空間的數(shù)據(jù)，并利用這些共享單元來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、實(shí)時(shí)通信與必要的同步操作。在單片機(jī)編程里面，多線程可以通過(guò)編寫(xiě)中斷子程序進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。一個(gè)中斷子程里面可以包含優(yōu)先級(jí)不同的線程，優(yōu)先級(jí)高的排在該中斷子程的開(kāi)始，優(yōu)先級(jí)最低的排在最后。執(zhí)行順序如下：屏蔽其他線程→讀系統(tǒng)共用資源→執(zhí)行操作→改寫(xiě)系統(tǒng)共用資源→開(kāi)放所有線程→返回主進(jìn)程。

2．2 專(zhuān)家系統(tǒng)

在該系統(tǒng)中，加熱電阻的控制脈沖和風(fēng)扇的控制脈沖是控制溫度關(guān)鍵，其脈寬的設(shè)置決定了系統(tǒng)溫度控制的精度和穩(wěn)定性，而脈寬的設(shè)置是由專(zhuān)家知識(shí)進(jìn)行判定的。

2．2．1 專(zhuān)家系統(tǒng)概述

所謂專(zhuān)家系統(tǒng)，是指具有專(zhuān)家知識(shí)，能夠像專(zhuān)家一樣解決特定領(lǐng)域復(fù)雜問(wèn)題的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。其特征如下：

(1)系統(tǒng)功能的針對(duì)性。ES通過(guò)犧牲通用問(wèn)題求解能力而換得在某一狹窄領(lǐng)域高水平處理問(wèn)題的能力。

(2)符號(hào)推理啟發(fā)性。ES主要處理不良結(jié)構(gòu)問(wèn)題，需運(yùn)用多種啟發(fā)性經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。這些啟發(fā)式知識(shí)往往具有不完全性和不確定性，因此ES常要采用不精確推理等非常規(guī)推理方法。

(3)透明性。ES可向用戶(hù)解釋其推理過(guò)程，并能回答一些關(guān)于它自身的問(wèn)題。

(4)靈活性。由于ES知識(shí)庫(kù)采用了獨(dú)立于程序的外部顯式表示方法，用戶(hù)很容易對(duì)其進(jìn)行修改或補(bǔ)充。

2．2．2 脈寬控制

從經(jīng)驗(yàn)可以知道，當(dāng)實(shí)際溫度和目標(biāo)相差(下面統(tǒng)一稱(chēng)作△T)甚遠(yuǎn)時(shí)，希望電阻發(fā)熱量大些或者風(fēng)扇轉(zhuǎn)速高些；而△T較小時(shí)。希望電阻發(fā)熱量小些或者風(fēng)扇轉(zhuǎn)速低些。



圖2為系統(tǒng)溫度控制電路圖，從圖中可以看出，脈寬越小，電阻的發(fā)熱量越大，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速越高。至于控制的具體脈寬是多少，這就需要不斷的嘗試，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，看哪些組合最適合。判斷的原則如下：保證系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性；盡量不要出現(xiàn)超調(diào)的現(xiàn)象；保證溫度的控制精度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得到了如下數(shù)據(jù)的脈沖控制，見(jiàn)表1。



2．3 程序具體結(jié)構(gòu)

在軟件系統(tǒng)中，一共有3個(gè)線程，按照優(yōu)先級(jí)從高到低的順序如下：溫度設(shè)置線程、溫度采樣線程、溫度顯示線程。另外系統(tǒng)有1個(gè)主進(jìn)程。

2．3．1 主進(jìn)程

主進(jìn)程實(shí)現(xiàn)如下操作：設(shè)置各個(gè)中斷(及設(shè)置線程)、初始化全局變量以及等待中斷。它的流程圖如圖3所示。



2．3．2 溫度設(shè)置線程

該線程通過(guò)HIS上升沿觸發(fā)事件來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中HSI．0為溫度加10，H1S．1為溫度減10，HIS．2為OPTION取反，其流程圖如圖4所示。





2．3．3 溫度采樣線程

溫度采樣線程如圖5所示，該線程的掃描周期為3 000。在該線程中，對(duì)溫度的采集進(jìn)行了平均化的處理，即每16次平均作為最終結(jié)果，這個(gè)處理降低了毛刺信號(hào)的影響，使得溫度采樣趨于穩(wěn)定，從而使溫度顯示變得比較穩(wěn)定，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。另外，在“設(shè)置HSO_ PWM和PWM_CONTROL”這一步中，采用了專(zhuān)家知識(shí)設(shè)置控制的脈寬，使得溫度的控制趨于更精確。



2．3．4 溫度顯示線程

溫度顯示線程圖6所示，該線程的掃描周期為1 000。在該線程中，單片機(jī)的P1．0～P1．3管腳輸出至74LS48譯碼器，而單片機(jī)的P1．4～P1．6管腳分別控制十位、個(gè)位、小數(shù)點(diǎn)三個(gè)數(shù)碼管的通與斷。每一個(gè)狀態(tài)中，數(shù)碼管只有一個(gè)被點(diǎn)亮，在足夠短的時(shí)間內(nèi)，通過(guò)循環(huán)點(diǎn)亮三個(gè)數(shù)碼管，就可以得到數(shù)碼顯示的效果，這一步可以通過(guò)對(duì)狀態(tài)的循環(huán)移位來(lái)實(shí)現(xiàn)。



3 結(jié)語(yǔ)

由于一般控制理論難以對(duì)溫度這種大慣性、純延滯的非線性且參數(shù)不易確定的系統(tǒng)進(jìn)行控制。為此以溫度控制為例，介紹了一類(lèi)多線程溫度控制專(zhuān)家系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)時(shí)間短、超調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)精度高的特點(diǎn)，能夠?qū)囟冗M(jìn)行較為滿(mǎn)意的控制。