LON仿人思維控制器設計與實現

,培進

(煙臺大學 計算機與控制工程學院，山東 煙臺 264005)

LON仿人思維控制器設計與實現

王霞,王培進

(煙臺大學計算機與控制工程學院，山東煙臺264005)

新型智能控制儀表的發(fā)展趨勢是基于人工智能，人工智能在控制領域的應用核心是模擬人的控制智慧；LON仿人思維控制器是基于LonWorks總線的智能控制器，模擬了人的控制思維與智慧，體現了仿人思維控制理論與方法研究成果；控制器采用雙CPU設計，將嵌入式技術與LonWorks總線技術有機結合在一起，可以實現模擬信號、開關信號及其脈沖信號的輸入、輸出，可與其它控制儀表實現RS-232、USB、LonWorks總線通訊；LON仿人思維控制器集成了獨有的仿人思維控制算法，既可以單獨使用，也可以構成擬人化分布式智能控制系統；實驗結果表明，LON仿人思維控制器對溫度、壓力、流量、液位等過程工業(yè)物理量有很好的控制效果。

LonWorks總線；智能控制儀表；仿人思維控制；嵌入式系統

0 引言

作者十多年以前開始對仿人思維控制進行研究[1-2]，出版學術專著《仿人思維控制》。仿人思維控制研究內容與理論體系分三大模塊：單輸入-單輸出系統(SISO)仿人思維控制、多輸入-多輸出系統(MIMO)仿人思維控制和擬人化分布式智能控制系統。SISO系統仿人思維控制研究是基礎，是進行MIMO系統仿人思維控制研究和擬人化分布式智能控制系統研究的前提，MIMO系統仿人思維控制方法將借鑒和應用SISO系統仿人思維控制研究成果，擬人化分布式智能控制系統綜合應用單輸入-單輸出系統(SISO)仿人思維控制和多輸入-多輸出系統(MIMO)仿人思維控制研究成果。圖1給出了擬人化分布式智能控制系統結構圖，其中包括智能變送器、仿人思維控制器等。

文獻[3]介紹了圖1所示中LON智能變送器的設計與實現，本文研究的Lon仿人思維控制器是圖1所示中子仿人思維控制器，是針對前期理論研究成果的應用化研究，控制器核心算法是采用仿人思維控制算法。Lon仿人思維控制器既可以單獨使用，做獨立控制器，也可以網絡化使用。Lon仿人思維控制器研制，將為智能化控制提供新型的智能控制器，其最大特點是模擬人的控制思維，集成了仿人思維控制算法，參數設置簡單，能夠解決一些難以建模的復雜系統控制問題，具有重要的研究價值和實際應用價值。

圖1 擬人化分布式智能控制系統結構

1 LonWorks總線與嵌入式WinCE操作系統

圖1所示的擬人化分布式智能控制系統，采用了LonWorks 總線。目前世界范圍內有90多種現場總線，比較流行的有15種，常用的有9種。其中LonWorks總線又以其完全支持七層協議，支持多種通信媒介，可靠性高，可互操作，兼容性和靈活性好等獨特的優(yōu)點而異軍突起，成為了現場總線的主流。LonWorks總線最早應用在樓宇自動化中，現在已經推廣到一些大型、工業(yè)控制網絡，其網絡功能強于現在流行的幾種現場總線。

LonWorks總線最大特點是網絡通信采用“網絡變量”，使網絡通信的設計簡化為參數設置，節(jié)省了大量的設計工作量，使開發(fā)周期大大縮短。通過Lon Maker 網絡管理環(huán)境， LonWorks網絡中各節(jié)點之間很方便的建立起邏輯連接，網絡輸入、輸出變量之間數據傳遞方便，系統中節(jié)點的增加、刪減自由靈活、簡單，節(jié)點之間實現對等通訊，網絡維護快捷、便利。

LonWorks總線采用Neuron 神經元芯片實現雙絞線通訊，可以很好地模擬人體的通訊機理，組網方便。Neuron 神經元芯片有效集成了3個CPU、存儲器、I/O接口等部件，可以實現通信、控制、調度和I/O等功能，內部還集成了LonTalk七層網絡協議。Neuron 神經元芯片使用的編程語言是Neuron C，支持面向對象編程，又繼承了大部分ANSI C的規(guī)范與標準，編程方面。

基于上述原因，我們選擇LonWorks總線作為擬人化分布式智能控制系統控制網絡，Lon仿人思維控制器就是基于LonWorks總線通訊的控制器。

Lon仿人思維控制器核心控制模塊采用嵌入式系統設計，使用ARM9系列CPU S3C2440，集成WinCE操作系統。目前流行的嵌入式操作系統是Linux，它的優(yōu)點是代碼開放，便于裁剪，缺點是設計人機交互界面需要借助于QT等圖形化界面，設計較為復雜。Lon仿人思維控制器設計采用了WinCE操作系統，是跟Windows操作系統類似的操作系統，便于用戶操作。在WinCE操作系統下，人機交互界面采用VS2005中的VB設計，快捷、方便。因為，Lon仿人思維控制器集成了仿人思維控制算法，需要設置一些初始化參數，同時模擬量、開關量、脈沖量的輸入輸出需要通道標定，在線編程，人機交互界面設計十分重要。

基于上述原因，我們選擇了WinCE操作系統。

2 仿人思維控制器硬件設計

考慮到仿人思維控制器的特殊性，硬件設計采用雙CPU設計，ARM 2440完成模擬量和開關量的輸入輸出及其實現仿人思維控制算法；Neuron 3150實現脈沖信號的輸入輸出和LonWorks總線通訊。ARM 2440 與Neuron 3150之間采用串行通信。

整個硬件架構采用底版+核心板設計，圖2給出了底板各個硬件部件分布結構圖。

圖2 控制器底板結構

ARM2440核心模塊含有CPU 2440 + SDRAM+NOR FASH+ NAND FLASH+系統時鐘，其中NAND FLASH為1G，便于存儲控制算法程序。

Neuron3150核心模塊，采用Neuron 3150神經元芯片，支持64個網絡變量，提供LonWorks雙絞線接口，通訊速率為78kbps，可在線編程。

上述兩個核心模塊可以直接插在底板上，拔插方便?？刂破鞑捎糜|摸、液晶顯示屏。

為了處理多種控制過程需要的信號，設計了8路模擬量輸入、8路模擬量輸出、8路開關量輸入、8路開關量輸出及其兩路脈沖信號輸入與兩路脈沖信號輸出，滿足不同控制系統需要。圖3給出了硬件連接原理圖。

圖3 控制器硬件連接原理

采用ARM 2440串口0 與Neuron 3150之間進行串行通信，采用ARM 2440串口1設計標準的串行接口-RS232接口，采用ARM 2440主USB接口設計標準的USB接口。RS232接口和USB(主)接口，便于連接外部具有相同接口的數據采集設備或控制驅動設備。利用ARM 2440核心模塊提供的系統總線接口，采用AD7606 16位模數轉換器，實現8路模擬量(0～5 V或者4～20 mA電流)數據采集；利用DA0832設計8路0～5 V電壓或者4～20 mA電流模擬量輸出。由于ARM 2440核心模塊提供的外圍GPIO接口不多，8路開關量的輸入、輸出設計采用了串行接口芯片74HC165和MAX349。

Neuron 3150核心模塊除提供LonWorks總線接口外，提供了11個引腳(I/O0～I/O10)，這些引腳可以以各種方式(通過編程，設置34種)配置并提供具有最小外擴電路的靈活的I/O功能。

引腳I/O4—I/O7具有可編程的上拉電阻，引腳I/O0～I/O3具有大電流(20mA)輸出能力。利用Neuron 3150神經元芯片提供的兩個16位定時/計數器，設計了兩路外部脈沖信號輸入、輸出接口，便于具有脈沖信號輸出的傳感器數據采集和外部需要脈沖信號驅動的設備(如蜂鳴器)。外部脈沖信號要通過光電隔離器PC817C和施密特觸發(fā)器SN7414整形后送入Neuron芯片。利用I/O7～I/O10設計與ARM2440串口0進行具有握手信號的串行通信。

控制器8路模擬量輸入、8路模擬量輸出、8路開關量輸入、8路開關量輸出及其兩路脈沖信號輸入與兩路脈沖信號輸出通過40線槽引出。

3 仿人思維控制器軟件設計

仿人思維控制器軟件設計包括嵌入式操作系統WinCE設計、外圍接口驅動程序設計、應用程序設計和通訊程序設計4個部分。

3.1 嵌入式操作系統WinCE設計

Windows CE具有模塊化、結構化和基于Win32應用程序接口以及與處理器無關等特點。基于Windows CE嵌入式操作系統的開發(fā)，主要是板級支持包BSP的開發(fā)。BSP全稱Board Support Package，板級支持包，主要包含各種驅動支持庫。BSP主要由Boot loader、OEM適配層(OEMAdaptation Layer, OAL)、設備驅動程序和運行時鏡像的配置文件4個部分組成。

Boot loader是引導程序，運行在操作系統內核之前的一小段程序，是系統運行的首要程序。Boot loader的主要作用就是對硬件設備進行初始化、建立內存空間映射圖，配置啟動環(huán)境。我們采用了ARM2440核心板開發(fā)商提供的專門為ARM9設計的Supervivi Boot loader引導程序。

OEM適配層即OEM Adaptation Layer，簡稱OAL，即原始設備制造商適配層，是BSP的一個重要組成部分。OAL是與硬件交互的接口，完成系統內核和硬件設備的通信、數據交換任務。當Boot loader執(zhí)行完，Win CE操作系統啟動后，OAL便發(fā)揮作用。我們使用ARM2440核心板開發(fā)商提供的OAL。

設備驅動程序是BSP中很重要的核心部分，包括ARM2440處理器自帶的設備驅動程序、支持OAL的驅動程序、通用外圍設備驅動程序和自己開發(fā)的外圍接口驅動程序。

運行時鏡像的配置文件，有.bib，.db，.reg，和.dat等4種類型。Windows CE最終鏡像依據這些文件配置而得到。此外，還有Sources和DIRS配置文件，負責編譯相關代碼。

Visual Studio2005集成了Win CE 6.0操作系統的開發(fā)設計環(huán)境Platform Builder，Win CE操作系統的設計可以在Visual Studio2005環(huán)境下完成的。

3.2 外圍接口驅動程序設計

基于ARM CPU設計的控制儀表，對于像USB、RS-232等通用接口驅動程序不需要設計，在操作系統中已經具備，直接調用即可。對于新增加的外圍接口，必須設計驅動程序方能應用。不同類型的操作系統，要求的驅動接口形式也不一樣。在Win CE 操作系統下，需要采用流驅動接口設計方法。

流驅動提供給操作系統標準流接口函數，主要有XXX_init()、XXX_Open()、XXX_Read()、XXX_Write()、XXX_IOControl()、XXX_Close()等函數。流驅動由Device Manger (設備管理器)管理的，Device Manger調用ActivateDeviceEx()函數來加載流驅動；而ActivateDeviceEx()函數的參數是流驅動在注冊表中的相應值(包括Index、Prefix和D11等)。當流驅動加載成功后，應用程序通過調用 CreatFile()、ReadFile()、WriteFile()、DeviceIOControl()等接口函數來訪問流驅動所對應的設備。

RS-232串行通信、USB、觸摸顯示屏驅動程序采用核心板開發(fā)商提供的，我們自己設計了ARM串口0通訊、AD、DA、開關量輸入、開關量輸出、脈沖信號輸入、脈沖信號輸出等流式驅動程序。

3.3 應用程序設計

仿人思維控制器應用軟件設計又包含人機交互界面設計、數據采集與輸入、輸出程序設計、控制算法程序設計等。

人機交互界面設計，主要包括是仿人思維控制算法初始化參數設置、模擬量與開關量輸入輸出通道定義、控制回路定義等?？刂苹芈分饕幸话汩]環(huán)反饋、前饋-反饋、串級、前饋-反饋-串級及其比值控制等，需要通過初始化，確定誰是被控量，誰是干擾量，誰和誰構成什么樣的控制回路。這種初始化方法，增加了仿人思維控制器應用的靈活性。

數據采集與輸入、輸出程序設計，主要包括ARM部分的AD、DA、開關量輸入、開關量輸出程序設計及其Neuron 3150脈沖信號處理程序設計。由于ARM部分采用了流驅動程序設計，應用程序設計較為方便。

3.4 通訊程序設計

通訊程序設計包含ARM2440 與Neuron 3150之間的數據通訊、RS-232通訊、USB通訊及其Neuron 3150與外部設備通過LonWorks總線進行的通信。Neuron 3150與外部設備通過LonWorks總線進行的通信按照LonTalk協議進行。數據傳輸采用定時傳輸和應答式傳輸相結合，來自傳感器的數據采用定時傳輸，其它數據采用應答式傳輸，需要就傳，不需要就不傳。

ARM2440 與Neuron 3150之間的串行通訊，是異步全雙工握手式通訊，主要傳遞AD轉換的數據和Neuron 3150采集的脈沖信號數據。通訊格式自己定義，第一個字符為數據種類，隨后為有效數據(兩個字節(jié))，最后為結束字符。

RS-232通訊、USB通訊，主要是與外設的通訊，可以利用WinCE環(huán)境下提供的串口控件，在Visual Studio2005環(huán)境中開發(fā)完成。

4 仿人思維控制器控制算法設計

按照仿人思維控制理論，將人的控制思維分為抽象邏輯推理控制思維和形象直覺推理控制思維。在控制的初始階段，抽象邏輯推理控制思維發(fā)揮主導作用；隨著控制經驗的積累，形象直覺推理控制思維越來越發(fā)揮主導作用。我們研究了3種算法來描述人的抽象邏輯推理控制思維，分別應用于不同的對象。借助控制思維概念，同時給出了形象直覺推理控制思維過程。對于一些復雜的系統控制，可以采用仿人思維復合控制策略，即控制的初始階段采用先進的控制方法，同時積累控制經驗，在相對穩(wěn)定階段，采用仿人思維控制，以實現控制系統“穩(wěn)、快、準”的有機統一。因此在仿人思維控制器中，設置了一般PID控制算法、3種仿人抽象邏輯推理控制算法、一種仿人形象直覺推理控制算法和3種仿人思維復合控制算法(與PID控制、模糊控制、預測控制等結合的復合控制)，共計8種控制算法，以供用戶選擇，運用于不同對象。

為了方便使用各種控制算法，基于面向對象分析和設計，在VC環(huán)境下將各種控制算法生成動態(tài)鏈接庫HTSC.DLL。在WinCE環(huán)境下利用VB.net 編程時，可以聲明庫中的函數，直接調用。算法調用流程見圖4所示。

圖4 控制算法調用流程

5 實驗結果

本文研究的仿人思維控制器作為獨立的控制器使用，應用于實驗室三水箱液位實驗系統，對下水箱水位進行液位控制實驗。控制器通過RS-232接口與PC機連接，構成計算機監(jiān)督控制系統。

圖5是仿人思維控制中抽象邏輯推理控制算法之一“三階段控制法”的實驗曲線。圖中有兩個很明顯凸起出來的“波”，第一個“波”是由于在中水箱添加了“二次擾動”的原因，第二個“波”則是由于在下水箱添加了“一次擾動”的原因。從運行的結果中可以看出，控制系統抗干擾的能力是很強的，不管是中水箱的“二次擾動”還是下水箱的“一次擾動”，系統都能在很短的時間內把擾動的影響給消除掉。通過曲線的上升時間、系統穩(wěn)定的調節(jié)時間以及穩(wěn)定之后的魯棒性等特性可以看出，達到很好地控制效果。

圖5 仿人思維控制實驗曲線

圖6是仿人思維復合控制，結合PID控制，下水箱液位的上升速度很快，而且上升曲線很平滑，峰值時的超調量也不大，系統到穩(wěn)定時調節(jié)時間也比較短。在穩(wěn)定運行之后，雖然曲線上出現了較多的上下間隔的“凸起”，但是“凸起”的數值很小且維持時間也非常小，說明系統的穩(wěn)定性還是比較好的，控制系統滿足了“穩(wěn)”、“快”、“準”的要求。

圖6 仿人思維復合控制實驗曲線

圖7是基于仿人思維控制的前饋-反饋控制實驗曲線，下水箱液位為被控量，流量為干擾量。采用智能前饋-反饋控制算法，當流量有變化，產生擾動時，水箱液位很快穩(wěn)定，控制效果優(yōu)良。

圖7 基于仿人思維控制智能前饋-反饋實驗曲

6 總結

仿人思維控制理論與方法的研究已經有十幾年的歷史，在液位控制、孵化機控制、智能小車控制等方面得到了應用。文中研制的基于LonWorks總線的仿人思維控制器，是前期理論研究成果的應用化和產品化。Lon仿人思維控制器既可以獨立使用，應用于一些較為簡單的對象或系統控制；也可以構成擬人化分布式智能控制系統，應用于大型的復雜的流程工業(yè)控制。具有人控制智慧的、嵌入式智能控制儀表，將是未來智能控制儀表發(fā)展的重要方向。

[1] 王培進. 仿人思維控制[M]. 東營：石油大學出版社，2011.

[2] Wang Peijin. Concept Space Mining of Human-Thinking Simulated Control[J]. Int. J. of ICIC Express Letters, 2013, 7 (2): 485-491.

[3] 劉 云，王培進. Lon 智能變送器設計與實現. 計算機測量與控制[J].2016，24(12):234-236.

[4] Wang Peijin. Human body simulated control system[J]. Int. J. of Modeling, Identification and Control, 2015, 24 (1): 10-18.

DesignandImplementationofLonHuman-thinkingSimulatedController

Wang Xia，Wang Peijin

(School of Computer and Control Engineering, Yantai University, Yantai 264005,China)

Development trend of the new intelligent control instruments is based on artificial intelligence, and the key application of artificial intelligence in the field of control is to simulate human control intelligence. Lon Human-thinking Simulated Controller is based on LonWorks bus and simulates human control thinking and intelligence, and it shows the methods and theoretical research results of human-thinking simulated control. The controller is composed of double CPU, and it integrates embedded technology and LonWorks bus technology together. Lon Human-thinking Simulated Controller can cope with the input and output of analog signal, on-off signal and pulses signal, and it can communicate with other devices by RS-232, USB and LonWorks bus. Based on the special control algorithms of human-thinking simulated control, the controller can be used lonely as well as be used in the human simulated intelligent distributed control system. The test results show that Lon Human-thinking Simulated Controller can be used well for the process control such as temperature, pressure, flow, level, etc.

LonWorks bus; intelligent instrument; human-thinking simulated control; ARM

2017-04-14；

2017-05-15。

煙臺市科技項目(2015ZH057)。

王 霞(1990-)，女，山東煙臺人，碩士研究生，主要從事計算機應用方向的研究。

王培進(1964-)，男，山東煙臺人，教授，碩士研究生導師，主要從事智能控制方向的研究。

1671-4598(2017)11-0058-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.015

TP3

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