（控制理论与控制工程专业论文）智能控制与嵌入式操作系统在杂交仪开发中的应用.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本论文针对目前生物杂交实验过程中还不能实现全自动化的现状，设计了基于 智能控制技术和嵌入式操作系统的智能杂交实验仪。在实验温度控制上，详细研究 了多种控制方案，包括模糊控制，先进p i d 控制等，通过多次计算机仿真实验和实 际试验选取了模糊控制+ 预补偿p i d 的新型复合控制技术。实现了温度的精确控制； 在软件开发时选用了成熟的源代码公开的uc o s i i 实时嵌入式操作系统( r t o s ) 作为实时内核和k e i lc 5 1 编译器作为下位机软件开发环境，极大地方便了系统的 扩展和维护。论文首先对各种先进智能控制技术和嵌入式操作系统的原理进行了介 绍，在此基础上确定了整个实验系统的总体实现框图和流程图，并对系统的具体实 现进行了详细地介绍。论文的最后简单介绍了上位机p c 端的运行控制软件的开发。 关键词：智能控制，嵌入式操作系统，自动杂交实验仪 a b s t r a c t t h i sp a p e ra i m e da tt h ec u r r e n ts t a t u so fb i o l o g ym a n u a le x p e r i m e n t ，d e s i g n e da n i n t e l l i g e n t i n s t r u m e n tb a s e do na d v a n c e dc o n t r o l s t r a t e g y a n de m b e d d e d o p e r a t i o n s y s t e m o nt h ec o n t r o ls t r a t e g yo fl i q u i dt e m p e r a t u r e ，m a n yc o n t r o lt e c h n i q u e sw e r et a k e n i n t oa c c o u n t ，s u c ha sf u z z yc o n t r o l ，e x p e r tp i dc o n t r 0 1 t h r o u g hs i m u l a t i o ni nm a t l a b a n d m a n yp r a c t i c a lt e s t s ，f u z z yp r e c o m p e n s a t i o n p i ds t r a t e g yw a s a d o p t e d t h es y s t e mu s e d c o s - i ia st h er e a l t i m ek e r n e l a n dk e i lc 51 c o m p i l e rw a su s e d a st h en e t h e r a p p l i c a t i o ns o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t s oi t se a s yt oe x t e n da n dm a i n t a i n t h e s y s t e m f i r s t l y ，t h e a d v a n c e dc o n t r o l s t r a t e g y a n dt h e t h e o r y o fe m b e d d e d o p e r a t i o ns y s t e mw a si n t r o d u c c d s e c o n d l kt h ew h o l er e a l i z a t i o na r c h i t r a v eo f t h e s y s t e mw a sb r o u g h tf o r w a r d ，i n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r e c o n c r e t er e a l i z a t i o n w a s d e t a i l e d l yp r e s e n t e d f i n a l l y ，t h ed e v e l o p m e n t o f r u n n i n g s t a t ec o n t r o l s o f t w a r ew a s p u tf o r w a r d w e n f u g u a n g ( c o n t r o lt h e o r ya n d c o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o ll i ny o n g j u n k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，r t o s ，a u t o - h y b r i d i z e 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文智能控制与嵌入式操作系统在杂交仪 开发中的应用，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期问，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特，l , j j j n 以标注和致谢逮姓外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：渔亟型日期 - 。f 例占 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：i 望鱼型 日期：卫型：型 聊签名：啦 日期：逆上 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章引言 现代生物技术即生物工程，是以重组d n a 技术和细胞融合技术为基础，包括 基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程等四大体系组成的现代高新技术。现代生 物技术、信息技术、新材料和新能源技术并列成为影响国计民生的四大科学技术支 柱，是2 1 世纪高新技术产业的先导。生物工程的基础是生物试验。众所周知，生物 试验时间长，试验液体具有放射性，这些问题都给生物专家和研究人员带来了很大 的困难。这些问题对高度自动化的生物试验仪器的产生提出了强烈的要求。 杂交润洗过程是很多生物实验都有的共同步骤，其过程往往比较烦琐费力，而 且耗时比较长，有的实验甚至长达几十个小时。到目前为止，还没有一种能实现杂 交实验全过程自动化的仪器，其原因主要有：一是实验温度控制比较困难，实验的 每一步骤液体种类和体积都不一样。面对这样的非线性离散时变控制对象，普通的 p i d 控制算法难于达到实验所要求的精度；二是实验液体体积比较小，一般是5 至 5 0 毫升，这么少的液体要实现送液换液的自动化有一定的难度。杂交润洗过程的步 骤通常有以下几个步骤： 设定温度x 摄氏度( 2 5 7 5 度) ，加入定量的预杂交液( 5 - 5 0 m 1 ) ，保持z 分钟( 1 0 1 2 0 分钟) 保持温度于x 度( 2 5 7 5 度) ，彻底排净预杂交液，加入定量的杂交液( 有 放射性，5 - 5 0 m 1 ) ，保持z ( 1 2 4 ) 小时， 设定温度x 1 度( 2 5 7 5 度) ，彻底排净杂交液，加入定量的润洗液( 5 - 5 0 m 1 ) ， 保持z 1 分钟 设定温度x 2 度( 2 5 7 5 度) ，重复步骤n 次，n 和润洗液体种类及体积 由操作者决定 润洗过程结束，报警提示 由此我们可以看出，生物杂交实验的润洗过程中不但需要精确地控制反应液体 的温度和时间，还要精确地控制其体积与种类。且前，人们用一些半自动化的设备 来帮助技术人员完成杂交过程，这些常用到的半自动化仪器如下： 水浴锅：其基本的原理是，先把水浴锅里的水加热到一定温度，然后再把实验 所需的液体和膜封装到一个盒子里放到水浴锅中加热。水浴锅的底部放一摇床，以 保证在加热时盒子中膜和液体能充分地接触。当实验完成后，为了防止反应物降解， 水浴锅要保持一定的温度和频率摇动。 摇床： 在电机的带动下以一定的频率摇动或振动，是水浴锅或其他设备的动 华北电力大学硕士学位论文 力源。 p c r ( 聚合酶链式反应) 仪：分子实验中最常见的仪器，能够同时进行多个实 验。p c r 是美国的m u l l i s 于1 9 9 6 年发明的快速扩增d n a 的方法，它可以在数小时 内将目的基因片段扩增到数百万个拷贝。它包括以下3 个反应步骤： 变性在9 4 - 9 5 摄氏度时使膜板d n a 的双链性变成单链； 复性在5 0 7 0 摄氏度时两个引物分别与单链d n a 互补复性； 延伸在引物的引导及t 叫酶的作用下，于7 2 度下合成模板d n a 的互 补链。 这3 个步骤称为一个循环，p c r 反应常有2 5 “3 5 个循环。一个循环完成后，待 扩增的基因扩增了一倍，新增加的基因又可作为模扳用于下一步的扩增，所以，p c r 反应中扩增的基因是成指数级增长的。 从上面的原理我们可以看出p c r 仪基本的功能是温度程序控制。 杂交炉：在水浴锅的基础上改进而来，使用电吹风来加热滚筒，滚筒可以在电 机带动下转动，这样少量的液体就可以浸湿透紧贴在滚筒壁上的反应膜，可以同时 进行4 个实验。 以上是杂交实验所用的基本仪器。这些仪器的共同缺点是不能够实现自动换 液，当某个步骤完成后必须由操作者手动换液，而且温度控制精度比较差，实验效 果很难保证。整个杂交实验过程中，技术员必须时刻地注意某个步骤的反应是否结 束，有时侯甚至要手动去晃动实验仪器以保证实验液体和反应膜能充分地接触反 应，这要消耗一个生物科技工作者的大量宝贵时间。现代电子技术迅猛发展的今天， 缺乏一个全自动的杂交实验仪严重地阻碍着生物技术的发展。 我们所要做的工作就是开发一种能实现整个杂交实验过程全自动化的设备，让 广大的生物科技工作者从烦琐的手工操作过程中解放出来，把更多的精力放在实验 结果的分析上。课题的研究将会带来巨大的经济效益，据资料报道，在美国生物 实验室中每节省一个生物科技工作者的一个小时将会创造价值2 0 0 0 $ 3 0 0 0 5 。生物 科技工作者要完成个杂交实验，除去目前的半自动实验仪器能完成的部分工作量 之外，要亲自动手的工作量大约要花费数个小时到数十个小时不等。由此可见，我 们的工作是很有意义的。 1 2 选题研究的内容 智能杂交实验仪的开发涉及到以下几个领域的知识：机械、生物、自动化、计 算机、电子技术等，属于一种交叉课题，开发者必须对这几个方面的知识都必须做 到比较深入的研究才可能开发成功。所以，我们要研究的主要内容有： ( 1 ) 学习生物杂交有关知识，熟悉杂交实验的过程。 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 学习硬件电路板的设计和p r o t e l 软件的使用，完成杂交实验仪的电路板 设计。 ( 3 ) 学习单片机w i n d o s 环境下c 语言编程和c 8 0 5 1 f x x x 系列单片机原理，以 及串行通信原理，完成杂交实验仪的软件开发。 ( 4 ) 研究先进控制技术在温度精确控制中的应用，包括预先进p i d 控制技术 和模糊控制技术，以及基于小波滤波和k a l m a n 滤波的控制技术；研究在 m a t l a b 下对象数学模型的获取方法。 ( 5 ) 研究嵌入式实时操作系统的内核实现原理，实现嵌入式操作系统 uc o s i i 在c 8 0 5 i f 0 0 5 芯片上的移植。 ( 6 ) 在w i n d o w s 2 0 0 0 环境下开发p c 机端运行控制软件。 杂交仪的开发是与罗廷坤同学合作完成的，本人主要负责温度精确控制的算法 研究，下位机应用层软件开发和上位机运行控制软件开发；罗廷坤同学主要负责硬 件电路设计，液晶键盘接口开发以及后台嵌入式操作系统平台l ic o s i i 的移植。 1 3 基本设计方案 智能杂交实验仪是一种能实现自动换液的高精度温度控制装置，其基本的机械 结构示图如图卜l 所示，其总体结构框图如图卜2 所示，软件设计框图如图i - 3 所 示。 蠕动泵 电热膜 图i - i 杂交仪机械结构 蠕动泵负责各种实验液体的输送；电磁阀控制排液，某步骤实验结束时废液排 入废液回收缸：电热膜用于加热反应盒，保持实验液体一定范围内的温度；温度传 感器采用a d 5 9 0 进行测温，信号输入到主控制芯片进行a d 转换；温度控制方式采 用脉宽调制方式( p w m ) ，温度控制算法的输出通过p w m 发生器转换成相应的占空比， 即通过控制电热膜的导通时间来控制反应盒的温度。 华北电力大学硕士学位论文 l 茎望墨苎f - 叵五) 兰 主 刊一! 呈竺肆 上位机运行 区巫，一 控 控制软件 制 芯 匡匦) ! 片 匝垂 - 一 图1 2 硬件总体框图 数据采集模块专门负责模拟量、数字量的采集，模拟量主要包括实验液体温度、 体积，数字量主要包括摇床位置、各蠕动泵和电磁阀的状态等。1 0 驱动完成运行控 制模块发出的指令，比如以一定的占空比去驱动电热膜加热实验对象，以一定的速 度去控制蠕动泵等。液晶用于显示当前的运行状态信息和操作界面。键盘用于各种 参数的设定，如步骤参数、当前时间、控制参数等。系统通过r s 2 3 2 通信电缆和p c 机相连接，这是一个可选项，当用户选择了p c 机运行方式后，p c 机对系统有全部 的操作权限。为了保证实验的正常进行，系统预留了两个i o 口专门负责系统的故 障状态诊断，如送液失败，排液失败等。 图1 3 软件模块框图 整个系统的开发采用模块化工程开发思想，各模块间只通过接口函数互相调用 其必须的外部资源，这样有效地减少了各模块间相互干扰，而且各模块执行完后其 局部变量占用的数据存储器( r a m ) 会立即释放掉，交还给内存管理模块，这样能 更高效地利用芯片中本来就很有限的数据存储器。 以下各章节先介绍滤波及对象模型获取方法，其次介绍实验液体的温度控制方 案，然后介绍后台嵌入式操作系统uc o s i i 的原理及移植，再介绍仪器的软硬件 和上位机运行控制软件具体开发过程，并给出运行实例，最后进行总结。 华北电力大学硕士学位论文 第二章数据滤波及对象模型的获取 2 1 实验数据处理2 。6 1 在工业过程测控中，由于工作现场和系统本身设计的原因，数据采集系统往往 会带入许多的噪声，例如：热噪声、散粒噪声、电源电压变化、基准电压变化、过 采样时间抖动引此的相位噪声以及由量化误差引此的噪声。这些噪声有时幅值很 大，会严重影响到测量精度和测量的可靠性，此时必须进行信号滤波。滤波的主要 目的是设法使噪声与有用信号分离，并予以抑制和消除，滤波有模拟滤波和数字滤 波两种方式，共有低通、高通、带通和带阻等四种基本类型。 模拟滤波由硬件模拟电路实现，在采样前先用模拟滤波器进行滤波，可阱改善 信号质量，减少后续数据处理的工作量和困难。模拟滤波器常用的是r c 低通滤波 网络和运算放大器，也有集成的可编程滤波器芯片，如t d a x 2 6 2 ，它通过编程配置可 以实现各种滤波功能。 数字滤波的实质是对采集到的离散数据进行运算，增强或提升所需要的信号， 压低或滤掉干扰成分。数字滤波有线性滤波和非线性滤波，线性滤波适用于有用信 号和噪声呈线性叠加的情况，而非线性滤波则适用于两者为相乘( 如幅值调制) 和 卷积( 如冲击引发的传递响应) 情况。卷积可通过傅立叶变换成乘积关系，而相乘 可通过取对数变成相加关系，所以非线性滤波最终可化成线性滤波处理。 在单片机的数据采集系统中，由于受到芯片内部有限资源和c p o 运算能力的制 约，不能使用很先进的数字滤波算法如小波波滤波器、k a l m a n 滤波器等，只能使用 一些简单数字滤波方法，包括程序判断法、中值判断法、算术平均值法、加权滤波 法、滑动滤波法、低通滤波法和复合滤波法等。 程序判断法又称限幅滤波法，其方法是把两次相邻的采样值相减，求出其增量 ( 以其绝对值表示) ly - y 。i ，然后与允许的最大差值y 进行比较，y 的大小由 被测对象的具体情况而定，若jy 。- y 。一。i y ，则本次采样值k 有效；若| y - y 。j y 则本次采样值无效，并取上次的采样值做为当前时刻的采样值。程序判断法主要用 于处理变化趋势比较缓慢的数据，如温度、物体位置等。 中值滤波法是对某一参数连续采样n 次( 一般n 为奇数) ，然后把n 次采样值 从大到小排列，再取中间值作为本次采样值。它比较适合于去掉由于偶然因素引起 的波动和采样器不稳定而引起的脉动干扰。若被测量的变化趋势比较慢，采用中值 滤波方法效果比较好，但对快速变化的数据，则不宜采用中值滤波法。 算术平均值滤波法是对连续n 次采样值进行算术平均，以平均值作为当前的有 效采样值参加p i d 运算。这种滤波方法只对干扰噪声近似为白噪声时才会有效。它 华北电力大学硕士学位论文 的精度取决于n ，当n 较大时平滑度高，但灵敏度会降低；当n 较小时，平滑度低 但灵敏度高。n 般取2 的整数，以便能用移位寄存器来代替除法。 为了解决算术平均值法中存在的平滑性和灵敏性的矛盾，可以采用加权平均滤 波法，对n 次的连续采样结果分别乘上不同的加权系数后再进行累加，加权系数一 般先小后大，以突出后面若干次采样的效果，加强系统对参数变化趋势的辩识。各 加权系数满足总和为1 的条件，这样累加和即为有效采样值。 以上的几种滤波方法在每取一个有效采样值时必须连续地进行若干次采样，当 采样速度较慢时( 如双积分型a d 转换) 或目标的参数变化比较快时，系统的实时 性将得不到保证，此时可以采用滑动平均滤波法。这种方法每次只采样一次，将这 一次采样值和过去的若干次采样值一起求平均值，其结果即为有效采样值。要实现 这种算法可以采用循环队列，每采集一个新的数据就存到预设的数据缓冲区中，同 时去掉一个最老的数据。 模拟r c 低通滤波网络的参数在系统刚开始设计时一般难以选定，由此引出了 使用软件方法模拟硬件r c 滤波器功能的方法。从r c 低通滤波器的传递函数，我们 可以推出软件低通滤波器的算法方程如下： = 羔爿。+ 去z o 一， 公式( 2 - 1 ) 1 1 - 1 1 - 式中 。一一本次采样值： e 一一一上次滤波器的输出值； d t 一一采样时间； t 一一低通滤波器时间常数； e 一一本次滤波嚣的输出值； 由上式可以看出，本次滤波的输出值主要取决于上次滤波的输出值( 注意不是 上次的采样值，这和加权平均滤波是有本质区别的) ，本次采样值对滤波输出的贡 献是比较小的，但多少有些修正作用。这种算法便模拟了具有较大惯性的低通滤波 功能。 为了进一步提高滤波效果，有时可阻把两种或两种以上不同滤波功能的数字滤 波器组合起来，组成复合数字滤波器，或称多级数字滤波器。在我们的实验温度采 样系统中，就采用了这样的复合数字滤波器。先采用过采样技术滤掉近似于白噪声 的脉冲干扰，再用限幅滤波法滤掉幅值大的噪声干扰( 往往是由于偶然因素因此的 脉冲干扰) ，最后用软件低通滤波算法滤掉采样值中的随机干扰。在没有采用过采 样技术时的温度阶跃响应曲线如图2 - 1 所示。曲线毛刺比较多是因为我们所选用的 传感爨比较便宜，其线性特性并不是十分理想所导致。 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 1 单点采样温度阶跃响应曲线 采用过采样技术的温度阶跃响应曲线比较如图2 2 所示。可以明显地看出，采 用了过采样技术有效地抑制了大幅值的脉冲干扰，但由于过采样技术只对干扰近似 为白噪声时才有效，所以其滤波效果还不是很理想，微分环节依然不能使用。 图2 - 2 过采样没有采用数字滤波的温度响应曲线 采用复合数字滤波算法( 过采样+ 限幅滤波+ 低通滤波) 的温度阶跃响应曲线如 图2 3 所示。可以明显地看出，复合数字滤波器有效的抑制了非随机噪声，曲线比 较平滑，真实的反映了对象的阶跃响应特性。这使得先进控制算法，如专家p i d ， 预补偿p i d ，模糊p i d 等在温度控制中的应用成为可能。由于这种复合滤波算法简 单，容易在单片机上实现，因此在工业上得到广泛的应用。考虑到仪器的成本，我 们所采用的a d 5 9 0 温度传感器是j 档的，比较便宜，但测温精度也偏低，为了能使 温度控制算法不受影响，我们采用了这种复合数字滤波算法来进行温度值滤波。实 验结果表明，此方法效果良好。 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 3 采用多级数字滤波器温度响应曲线 2 2 对象数学模型的建立【7 】【8 】 对象数学模型在控制系统的设计中有着重要的作用，对于控制参数的整定有很 大的帮助，特别是在对对象特性不熟悉的情况下，我们可以建立对象的数学模型在 计算机中进行仿真，获取系统最优的控制参数。现代随机最优控制，模型预测控制， s m i t h 预估控制等先进控制算法和随机信号处理技术中也离不开精确的对象数学模 型。杂交实验中所要控制的对象是实验液体，虽然实验液体的体积比较小，但由于 经过了两层钢板传热，所以系统依然存在着延迟环节，只是时间常数一般比较小， 对象对控制量的变化也很敏感，往往经常导致超调过大。在超调之后，系统只能靠 自然散热来冷却，这样的升温特性和降温特性严重不对称的综合结果使控制器的输 出往往产生跃变。要把实验液体温度精确控制在o 3 0 c 以内，我们必须建立对象 的数学模型，在计算机中进行控制系统的设计，才能获得良好的控制效果。 我们可以采用工程试验法来建立控制对象的数学模型。在给实验对象一个阶跃 输入后，我们所采集得的数据如下图2 4 所示。由图可以知道，我们的实验对象是 一个一阶惯性环节和延时环节串联组成的对象。其典型传递函数如下所示： f 一7 。 w ( s ) = 熹e x 2 0 公式( 2 - 2 ) ，6 + j 采用工程方法，我们可以求出k ，t 1 k ：= y ( o o ) 。- y ( 0 ) “o t 2 这三个参数： 公式( 2 - 3 ) 惯性环节的时间常数t 1 可以用切线法得出延迟环节的时间常数t 2 可以直接 看出来。由于我们的数据是低通滤波后采得的数据，所以在对象模型应该包含有滤 华北电力大学硕士学位论文 波器传递函数。 图2 - 4 实验对象温度阶跃响应曲线 综上所述，我们实验对象数学模型可以确定为： g ( s ) ：z 墼e - 2 0 s 公式( 2 4 ) 、7 ( 1 0 6 5 s + 1 ) ( 1 0 s + 1 ) 实验结果表明，惯性环节的时间常数在实验液体体积发生变化不大时，可以认 为是常数：但增益k 是随着时间和实验液体体积、阶跃幅值大小都变化的，所以我 们的控制对象并不是一个简单的线性对象，而是一个非线性离散的时变二阶对象。 我们可以用分段线性化的方法把对象在某一时刻在某一点附近线性化，来研究其特 性。 9 华北电力大学硕士学位论文 3 1 概述 第三章温度控制算法研究 在杂交实验过程中，反应温度必须严格控制在设定温度的0 , 5 0 c 之间，这样 实验结果的可信度才比较高。从面前的分析我们可以看出，控制对象是一个非线性 离散的时变复杂对象( 分阶段控制) ，这决定了杂交实验的温度控制系统是一个随 动控制系统( 设定值是变化的) 和自动调节系统( 被控量在设定值附近变化) 的综 合，如何在这样的复合控制系统中保证温度的控制精度是我们所必须研究的。在工 业过程控制中，p i d 一般用在自动调节系统上，往往是等被控量进入了某一范围之 后才能投上p i d 控制，而且p i d 的初值的选取也是一个不容易解决的问题。这样就 要求我们研究一些新的控制算法来确定p i d 的初值，及如何让被控量尽快地进入 p i d 的调节范围并防止超调。以下分别对数字p i d 、专家p i d 、预补偿p i d 、模糊 控制算法展开研究，并给出相应的结果，最后给出最优的控制方案。温度控制原理 如图3 。i 所示。 图3 1 温度控制系统原理 温度的控制采用脉宽调制方式( p w m ) 控制，通过不停地调整p w m 的占空比 来改变电热膜的通电时间，达到控温的目的。p w m 发生器采用c 8 0 5 1 f 0 0 5 内部的 t o 做为时基，不占用c p u 的资源。 3 2 基本数字p id 控制算法【9 l 【i o 】 数字p i d 控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，在机电、冶金、化 工、电力等行业得到广泛的应用。它通过将偏差的比例( p ) ，积分( i ) 和微分( d ) 进行线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，所以称为p i d 控制器。其传递函 数形式为： 1 g ( s ) = k p o + 熹+ t d s ) 公式( 3 1 ) f d 式中，k p 一一比例系数；n 一一积分时间常数；掰一一微分时间常数。把上 式离散化，即把一系列的采样时刻点七丁代表连续时间t ，以矩形法数值积分近似代 0 华北电力大学硕士学位论文 替积分，以向后一阶差分近似代替微分，我们得到数字p i d 控制器的离散型表达方 式： u ( 七) = 蜘p ( | i ) + 尉圭g ( j ) r s + 尉堕盟掣 公式( 3 2 ) j = o 1 o 上式中，i ( j = k p t i ；t f d = t f p t d t 为采样时阔常数，启为采样序号，8 倒和p 箔一， 分别为第k 时刻和第k - 1 时刻所得的偏差信号。这种p i d 控制算法采用全量输出， 所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对偏差信号进行累加，控制器的输出 值就是执行器的实际位置，如果位置传感器出现故障，控制量就会产生较大的偏差。 为避免这种情况可以采用增量型p i d 控制算法： a u ( k ) = u ( k ) 一u ( k 1 ) 公式( 3 - 3 ) 由公式( 3 - 2 ) 和公式( 3 - 3 ) 可以得出控制量增量的具体表达式： a u ( k ) = 印0 ( 七) - e ( k 一1 ) ) + k i e ( k ) t + k d ( e ( k ) 一2 + e ( k 1 ) + e ( k 一2 ) ) 公式 ( 3 - 4 ) 从上式可以看出，控制量的增量仅与最近一次k 次的采样有关，所以误动作影 响小而且容易通过加权值处理获得比较好的控制效果。 3 3 专家p ld 控制算法 专家控制的实质是基于被控对象和控制规律的各种知识，并以智能的方式利用 这些知识来设计控制器。利用专家经验来设计p i d 参数便构成了专家p i d 控制器。 一个典型的二阶系统单位阶跃响应误差曲线如图3 2 ，根据其误差的变化趋势 和范围，我们可以把系统在到达误差允许范围带蔚的响应过程分成几个阶段来分 析。 ，补p 。 图3 - 2 二阶系统单位阶跃响应误差曲线 令e 俐表示离散化的当前采样时刻的误差值，p 伍一，、o 伍刮分别表示前一时 刻和前两时刻的误差值，则有： a e ( k ) = p ( k ) 一e ( k 一1 )公式( 3 - 5 ) 根据误差及误差变化，可如下设计专家p i d 控制器： 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) i f i p i m 1t h e n 此时误差已经比较大，不论误差变化趋势如何，都应该考虑控制器的输出按最 大或最小输出，以达到迅速调整误差，使其绝对值以最大速度减小。相当于实施开 环控制。 ( 1 ) i fi p 阳l ( la n da e 俐l 2t h e n k p = k pa n dk i 2 k i 如果温度变化和温度变化率都在允许范围内则p i d 参数不用调整。这是系统达 到了误差允许范围且稳定之后的情况。 ( 2 ) i fe i = 2t h e n k p = k pa n d k i 2 k i + 1 + k i 若误差虽然在允许范围内但是误差变化率太大而且使得温度偏离稳定值方向 则k p 应该保持不变，k i 则应增大以便能尽快抵消掉这种变化趋势，使温度重新回 到平衡位置。这里不必担心k i 太大会使积分出现饱和现象，因为在前面规则调节 后温度基本上在1 5 度以内，只要k i 的初始值设置的合理，a k i 取0 0 0 1 左右一 般不会出现积分饱和作用。这种情况对应于图2 4 的i i 区和i v 区。 ( 3 ) i fe 阳i ot h e n k p = k p + 2 + a k pa n dk i = k i + 1 + a k i 若温度变化在误差允许范围外，且这种偏离温度稳定值的趋势越来越大，这种 情况一般出现在刚超调或回调的前几个波峰或波谷中。此时k p 应该增大，尽量地 放大这种误差，使控制器能很快地减小控制量的输出。停止d n 热，使温度尽快回封 平衡位置；由于当前误差在增大，则k i 应适当地增大，增强对误差地累积，使控 制器输出尽快地减少。采用这种控制策略能有效地减少超调量，改善系统的动态特 性。 ( 5 ) i fm i lp 阳p = 1a n d xe ( n ) o ， 预补偿环节补偿后ie l ( k ) p le ( k ) i ；而当输出y 正在跟踪设定值时，a e ( k ) 0 v o i d掌o s t e b e x t p t r ： 0 ss t k 十0 s t c b s t k b o t t o m ： i n t 3 2 u0 s t c b s t k s i z e ： i n t l 6 u o s t c b o p t ： i n t l 6 u o s t c b i d ： # e n d i f s t r u c to st c bx d a t a * o s t c b n e x t ： 任务堆栈指针 任务控制块扩展指针 任务栈底指针 栈中可容纳指针数目 f 逸蔡硬 任务识别号 任务块功能扩展 华北电力犬学硕士学位论文 s t r u c to s t c bx d a t a * o s t c b p r e v ：任务控制块o s j c b 的双重链接指针 # i f ( ( o s q e n 0 ) ( o s _ m a x _ q s 0 ) ) l ( o s _ m b o x e n 0 ) il ( o s j e 虬e n 0 ) ll ( 0 s _ m u t e x e n 0 ) o s e v e n tx d a t a * o s t c b e v e n t p t r ：指向事件指针 # e n d i f # i f “o s q e n 0 ) ( o s m a x _ q s 0 ) ) il ( o s _ m b o x - e n 0 ) v o i d * o s t c b m s g ：指向传递给任务的消息指针 # e n d i f # i f ( o s v e r s i o n = 2 5 1 ) ( 0 s _ f l a g _ e n 0 ) ( 0 s _ m a x _ f l a g s 0 ) # i fo s t a s k d e l e n 0 0 s f l a g _ n o d e o s t c b f l a g n o d e ：指向时间标志节点的指针 # e n d i f o s f l a g so s t c b f l a g s r d y ：使任务进入就绪状态的事件标志 # e n d i f i n t l 6 u 0 s t c b d l y ： i n t 8 u o s t c b s t a t ： i n t 8 u 0 s t c b p r i o ： i n t 8 u o s t c b x ： i n t 8 u o s t c b y ： i n t 8 u 0 s t c b b i t x ： i n t 8 uo s t c b b i t y ： i fo st a s kd e le n 0 b o o l e a n o s t c b d e l r e q # e n d i f 决定任务延时多长时间的变量 任务状态 任务优先级 在任务就绪表中的坐标 任务是否可以删除 ) o s _ 1 、c b ： 事件控制块( e c b ) 是用于实现信号量管理、互斥型信号量、邮箱管理、消息 队列管理等功能的数据结构。uc o s - i i 通过定义在头文件中定义的o se v e n t 数 据结构，维护一个e c b 的所有信息。每个信号量、互斥型信号量、信息邮箱、信 息队列等都应该分配到一个事件控制快e c b ，它的具体定义见如下程序清单： t y p e d e fs t r u c t i n t 8 u o s e v e n t t y p e ；事件类型 i n t 8 u o s e v e n t g r p ；等待任务所在的组 i n t 8 u o s e v e n t c n t ；，计数器( 当事件是信号量时) i n t 8 u * s e v e n t p t r ；指向信息或消息队列的指针 i n t s u o s e v e n t t b l o se v e n tt b ls i z e ；1 等待任务列表 ) o se v e n t ； 事件控制块e c b 的总数由应用程序所需要的信号量、互斥型信号量、邮箱及 消息队列的总数来决定。该值由o sc f g h 文件中的“# d e f i n eo sm a xe v e n t s ” 语句定义。在系统初始化调用o s i n i t o 时，所有的事件控制块e c b 被连接成一个单 向链表一一空余事件控制块链表。每当建立一个信号量、互斥型信号量、邮箱或消 华北电力大学硕士学位论文 息队列时，就从该链表中取出一个空余事件控制块，并对它进行初始化。对事件控 制块e c b 进行的操作包括：初始化一个事件控制块；使一个任务进入就绪态：使 一个任务进入等待某事件的状态；因超时而使一个任务进入就绪态。通过这些操作 可以实现多任务的切换。 4 3 3 弘o o s l 在0 8 0 5 1 f 0 0 5 上的移植 4 3 3 1 移植条件 所谓移植，就是使一个实时内核能在某个处理器或微控制器上运行。因为c 语 言是跨平台的，各种编译器都支持。所以1 1c o s i i 和其它嵌入式操作系统一样， 和处理器无关的代码主要是用c 语言写的。因为任何操作系统系统都必须和处理器 直接打交道，那么汇编语言文件的使用就不可避免 c 8 0 5 1 f 0 0 5 满足了pc o s - i i 的正常运行的条件： c y g n a li d ev 1 8 5 编译器能产生可重入的代码。 用c 语言就可以打开和关闭中断。 c 8 0 5 l f 0 0 5 支持中断，并且能产生定时中断。 c 8 0 5 1 f 0 0 5 能容纳一定量数据的硬件堆栈。 c 8 0 5 1 f 0 0 5 有将堆栈指针和其它寄存器读出和存储到堆栈或内存的指令。 4 3 3 2 移植的主要工作 首先分析系统的要求，确定任务数，任务使用的堆栈大小，还有使用何种变量 传递方式等等。来相应的修改以下文件： uc o s i i 的头文件“i n c l u d e s h ” o s c p u h o s c p u c c o s c p u a a s m 主要的任务，也是难点在对o s - c p u a a s m 的修改，移植的工作主要集中在此， 因为任务的真正切换发生在这里。 移植工作结束后，需要测试uc o s i i 内核工作是否正常，i jc o s - i i 本身带 有一些测试的功能函数，可以确定程序的执行时间、堆栈空间的使用程度，这样就 精确的知道系统的运行情况。首先，用这些函数来进行测试在没有任务状态下内核 的任务切换能否正常进行，主要包括o s t a s k s t k l n i t0 、o s s t a r h i g h r d y ( ) 、o s c t x s w ( ) 、o s i n t s w 0 、o s t i c k l s r ( ) 等几个核心程序。然后，根据系统的功能要求用c 语言编写主函数，创建任务，进一步测试uc o s i i 操作系统。 华北电力大学硕士学位论文 第五章智能生物杂交实验仪的开发 5 1 产品设计功能 们所要开发的智能杂交实验仪是一个能实现对微流量液体进行精确控制的温 度智能控制装置，它具有两种运行方式：w i t h p c 和n o p c ，即上位机运行控制方式和 下位机运行方式。当用户选择了n o p c 时，系统不使用上位p c 机进行控制，用户可 以使用仪器中的薄膜键盘对运行记录进行修改、保存、运行、停止，打印等功能， 如果有必要，联合领域专家还可以对系统的温度控制参数进行修改，使系统温度控 制参数更适合于当地环境。当用户选择了w i t h p c 时，系统的键盘将被屏蔽掉，除了 实验暂停键外所有的按键系统将不再响应。此时用户所有的操作在上位p c 机来完 成。使用上位机进行控制，使得系统具有更丰富的功能： 在线编辑步骤，包括步骤的增减、修改、刷新、浏览 实时温度趋势曲线显示和历史温度趋势曲线查询显示，可以记录2 4 小时内的温 度曲线和历史温度数据，方便控制参数调整 记录数据库自动维护，当上位机发现本地数据库和单片机上的数据不一样时提 示用户是以本地数据库运行还是以单片机中的历史记录运行，并对数据做出相 应的更新 更新运行参数，包括蠕动泵排气补偿系数、排液补偿系数，蠕动泵流量等 更新温度控制参数，包括p i d 参数调整、模糊控制规则修改、量化因子等 可以管理多达2 5 4 台下位机 浏览、打印运行记录报表 常见故障自诊断与报警 显示运行状态 上位机运行控制方式有效地避免了实验某些步骤中放射性液体对操作者的伤 害，使实验者能远离现场进行操作，用户只需要在远方按一运行按钮就能完成耗时 长达数小时，甚至几十小时的杂交过程或润洗过程，极大地减轻了实验者的负担。 智能杂交实验仪的开发属于交叉学科，跨越了生物、自动化、计算机、应用软件、 机械等众多的专业领域，下面分别就其软件和硬件开发过程进行介绍。 华北电力大学硕士学位论文 5 2 智能杂交实验仪设计方案 5 2 1 原理研究及设备选型 加热方法的选取 常用的加热方法有水浴和油浴；硅加热；空气加热。水和油都是比热大、溶 剂化物体，与反应物能做到无缝接触，是最理想的加热介质，但是难于自动化的实 现。硅加热是使用普遍的一种方法，其优点是易于自动化，速度快，效果不错，但 成本较高，而且使用的介质是金属，导热虽好但与反应管难于做到无缝接触。空气 加热与反应体系无缝接触，但是空气的导热性差、比热小，因此要用离心力来产生 空气的流动，增强导热性，同时使用毛细管，加大接触面积、试剂微量化，但这样 又导致吸附作用增强，试剂的通用性变差。金属电热膜加热是一种新的加热方法。 金属电热膜元件是金属箔制作成各种电阻线路，并将其夹在两层绝缘薄片之间形成 的电热元件。金属箔是一种特殊的合金材料，厚度仅为1 0 1 5 微米。电热膜的形状 可以根据需要随意裁剪，具有响应时间短、热惯性小、高效节能3 0 4 2 等优点。 把金属电热膜贴在加热筒的外侧，几乎能做到无缝接触，使得温度控制易于实现， 而且更为精确。 我们用m o s f e t 芯片作为电热膜的开关，使用p w m 来控制电热膜的加热时间， 达到控制加热对象温度的目的。 控制芯片的选取【2 5 l 【2 6 j c y g n a l 公司最新推出的c 8 0 5 1 f 0 0 0 5 芯片，它是完全集成的混合信号系统级芯 片，具有与8 0 5 l 兼容的微控制器内核，与m c s 5 1 指令集完全兼容。c 8 0 5 1 f 0 0 5 芯片的最大系统时钟频率为2 5 m h z ，峰值速度为2 5 m i p s ( 即每秒钟最多可以执行 2 5 百万条指令) ，具有3 2 k f l a s h 存储器，2 3 0 4 b ( 2 0 4 8 + 2 5 6 ) 字节r a m ；具有 s m b u s ( 系统管理总线标准) 和1 2 c 串行总线，串行外设接口( s p i ，支持在同一总 线上将多个从器件连接到一个主器件上) ，一个能进行异步传输的串行口( u a r t ) ， 4 个1 6 位定时器，可编程计数器阵列( p c a ) ，4 个8 位的i o 端口，8 通道1 2 位 的a d c ，2 通道的d a c ，此外还有电压基准、电压比较器和内置的温度传感器。 由此看出，c 8 0 5 i f 系列单片机集成了常用的模拟部件和其他数字外设，我们几乎 不用进行扩展就可以轻松地搭建起实用的控制系统。 c 8 0 5 1 f 系列单片机最大的改进是引进了交叉开关。这是个很大的数字开关网 络( 如表5 - l 所示) ，允许将内部数字资源分配给p 0 、p l 、p 2 的端口，这样用户能 根据自己的特定应用方便选择通用i o 端口和所需数字资源的组合。 c 8 0 5 1 f 系列单片机的另一个优点是采用了j t a g ( i e e e l l 4 9 1 ) 在线编程，使 华北电力大学硕士学位论文 8 位单片机传统的仿真调试产生彻底的变革。在上位机软件支持下，通过串行的 j t