[发明专利]一种双加热数字探空仪及其加热控制算法

摘要

本发明公开了一种双加热数字探空仪及其加热控制算法，包括：单片机处理器、温度传感器、气压传感器、双加热湿度传感器电路、GPS模块、GPS天线、无线发射机、发射机天线以及电源模块；双加热湿度传感器电路包括：加热电路、湿度传感器A、湿度传感器B、多路开关和振荡电路，双加热数字探空仪加热控制算法包括：包括副回路PID控制器设计和主回路控制器设计。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：提出在高空加热条件下DMC‑PID串级控制加热模型和加热的策略，使系统具有很强的抗干扰能力和良好的跟踪性和鲁棒性。

主权项

1.一种双加热数字探空仪，其特征在于：包括：单片机处理器、温度传感器、气压传感器、双加热湿度传感器电路、GPS模块、GPS天线、无线发射机、发射机天线以及电源模块；单片机处理器分别与温度传感器、电源模块、气压传感器、GPS模块、无线发射机和双加热湿度传感器电路连接，所述GPS导航模块与GPS天线连接，所述无线发射机与发射机天线连接；双加热湿度传感器电路包括：加热电路、湿度传感器A、湿度传感器B、多路开关和振荡电路；加热电路与湿度传感器A和湿度传感器B集成在一个单独电路板上，所述的加热电路分别与湿度传感器A和湿度传感器B相连接，湿度传感器A和湿度传感器B通过加热电路交替加热，加热电路与单片机处理器连接，且单片机处理器通过DMC‑PID串级温度控制模型控制加热电路，所述湿度传感器A与湿度传感器B均与多路开关相连接，所述多路开关与振荡电路连接，振荡电路与单片机处理器连接，单片机处理器与多路开关连接；单片机处理器对加热电路的控制包括副回路和主回路两条控制路径，副回路采用高频率的PID控制器闭环控制，然后将PID控制器和被控对象作为广义对象，在主回路中采用DMC算法对这个广义对象进行控制；所述单片机处理器；用于控制GPS天线输出数字中频信号，完成GPS模块数字中频信号的处理和基带解算，获取位置、速度、时间等导航信息，同时完成对来自温度传感器、气压传感器、湿度传感器A和湿度传感器B的温度、气压和湿度的信号采集处理，获取实时的温度、气压和湿度等信息，并完成卫星导航信息和信息的编码和调制，将调制后的无线信号发送给无线发射机，经过发射机天线发射给地面设备；上述双加热数字探空仪的加热控制算法，包括副回路PID控制器设计和主回路控制器设计；副回路PID控制器设计：w(k)为给定值，P1(k)为反馈量，e1(k)为控制偏差，v(k)是控制器的输出，y(k)为系统的实际输出，PID控制器依据给定的w(k)与系统的反馈量P1(k)构成控制偏差：e1(k)＝w(k)‑p1(k)；    (1)将控制偏差e1(k)与比例调节器P，积分调节器I和微分调节器D通过线性组合构成控制量输出，对被控对象进行控制，其控制规律描述如下式所示：式中：K_P是比例环节，T₀是脚标i＝0时的积分时间常数，e₁(i)是表示控制偏差(i的初值等于0，的和，i的最大值为k)，T_i是积分时间常数，T_d是微分时间常数,k为函数系数；主回路控制器设计：DMC动态矩阵控制利用被控对象的单位阶跃响应采样数据{a1,a2，Λ}作为预测模型，通过辨识得到模型，将系统动态分阵方程描述为：Ym(k+1)＝AΔU(k)+A0(k‑1)    (3)式中，为湿度传感器加热过热的单位阶跃响应经截断后的模型向量；ΔU(k)＝[Δu(k)，Δu(k+1)，Λ，Δu(k+M‑1)]T，式中，k为控制增量函数的系数，Δu为DMC控制增量函数，Δu(k)为控制增量，P为预测时域，N为建模时域，M为控制时域；采用二次型性能优化指标，在预测时域P内求解如下优化问题：式中，minJ(k)预测时域P内的最优解，当系数等于(k+i/k)时的输出预测值，i变量系数，j为变量系数，r(k+i)为k时刻参考输出，a_i、b_j是加权系数，将输出预测等式(3)带入式(4)，求解优化问题可得到控制量为：式中，ΔU_M(k)在M控制时域内的控制增量序列矢量，A为动态矩阵,Q为误差矩阵，λ为变化系数，r_P(k)为k时刻预测时域P内的参考输出，为k时刻系统反馈量的预测矢量；取其中的即时控制作用增量Δu(k)构成实际控量：u(k)＝u(k‑1)+Δu(k)；   (5)施加于系统，在k+1时刻，将优化问题(4)滚动进行下去从而获得最优控制序列。