基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和DSP的錫爐溫度控制系統的研究

　　現代電子元件裝配要求錫爐焊接溫度更加穩定，對錫爐高溫控制的難度也就增強。隨著(zhù)預測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的應用研究不斷深入，由于其運算數據量大、收斂比較慢的特點(diǎn)，使其應用受到了硬件上的限制，實(shí)際應用并不多。但DSP高速數字信號處理速度越來(lái)越快，在線(xiàn)實(shí)時(shí)控制能力越來(lái)越強，在結合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的應用方面效果顯著(zhù)。本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的預測能力對溫度參數進(jìn)行學(xué)習和調整，同時(shí)結合數字信號處理（DSP）模塊進(jìn)行控制和運算，實(shí)現高速運算處理控制，最終實(shí)現了錫爐溫度控制系統在線(xiàn)實(shí)時(shí)補償加熱控制。

　　1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制結構

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )對事件預測是一種很好的數據處理技術(shù)，在學(xué)習過(guò)程中發(fā)現規則，通過(guò)預測和DSP運算處理控制相結合來(lái)學(xué)習及調節控制函數的參數?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò )和DSP的控制系統結構如圖1所示?？刂葡到y由預測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和DSP數字信號處理運算控制兩部分構成，這兩部分有共同的輸入信號，即網(wǎng)絡(luò )溫度誤差e。預測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )對采樣溫度樣本和預先設置樣本進(jìn)行預測和*估，預測值經(jīng)過(guò)外部環(huán)境控制的影響因子進(jìn)行適當校正后，進(jìn)行預測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的權重和控制函數的參數調節。DSP運算處理控制中心根據控制溫度誤差和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )預測值，通過(guò)高速數據運算處理，接收和發(fā)布各種控制命令并加以執行，包括實(shí)時(shí)溫度顯示、溫度控制輸出、溫度超越限值報警等輸入和輸出參數。執行機構是控制模塊的對象，溫度控制系統的最終對象為加熱器。因此，錫爐溫度控制系統以溫度的變化作為整個(gè)控制核心，它由溫度傳感器來(lái)轉化，經(jīng)過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的預測和數字信號處理（DSP）進(jìn)行有效的控制。

　　該控制系統的預測采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，其特點(diǎn)是只有前后相鄰兩層之間的神經(jīng)元相互連接，輸出神經(jīng)元輸出預測值，預測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )結構如圖2所示。網(wǎng)絡(luò )結構分為3層，即為輸入層、隱層和輸出層。輸入層負責接收數據，不進(jìn)行運算。其中x0激活函數的初始值，位于[-1，1]之間的隨機數，而x1是網(wǎng)絡(luò )控制系統的溫度誤差e，x2和x3分別為加熱器的電壓電流檢測值。

　　實(shí)際應用中wij為各層連接權值，針對激活函數f(net)的控制參數net進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )系統收斂范圍的控制，從而有利于保證整個(gè)系統的穩定性。

　　因此，通過(guò)算法的實(shí)驗，利用自適應因子(1-β)對權修改量按需進(jìn)行彈性的變化，實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )收斂速度的學(xué)習。

　　2 DSP系統實(shí)現

　　錫爐加熱溫度控制系統對加熱控制關(guān)鍵件可實(shí)行PID控制，從而準確實(shí)現錫爐溫度變化的溫度加熱補償控制，增加熱效率的有效應用，并有利于提高電能的利用率，實(shí)現節能，同時(shí)提高了電路板焊接的合格率。系統構成包括DSP處理、溫度傳感檢測、電壓電流檢測、溫度顯示、溫度鍵盤(pán)參數設置、溫度報警、控制輸出等功能。系統操作簡(jiǎn)單、顯示直觀(guān)、控制方便?？刂葡到y的核心設計是DSP數字信號運算處理控制器。由DSP芯片TMS320FL2407做為控制中心，輔助外圍電路來(lái)實(shí)現系統控制。

　　2.1 系統硬件電路

　　控制系統主要采用DS1002型系統板及其多路I/O板，系統主要由數字信號處理芯片TMS320FL2407中心及相應接口外圍電路組成, 包括加熱器件可控驅動(dòng)電路、溫度采集A /D 電路、溫度設定鍵盤(pán)輸入、溫度顯示電路和報警電路等。實(shí)時(shí)控制系統硬件電路原理如圖3所示。

　　(1)DSP數字處理電路。對接收溫度傳感檢測而轉化成數字信號進(jìn)行運算處理，同時(shí)完成上位機預測狀態(tài)的處理，輸出執行控制信號；

　　(2)加熱器件可控驅動(dòng)電路?？刂萍訜崞鞯膱绦袡C構可以采用傳統的繼電器類(lèi)和可控硅類(lèi)型，但其控制簡(jiǎn)單、性能差。本加熱溫度控制系統采用PID方式，模擬量自動(dòng)調節電壓相角，可以進(jìn)行溫度的連續控制，解決溫度控制的精度和穩定度要求，實(shí)現控制溫度精度達到±2 ℃。根據溫度傳感器提供感應回饋的采樣數據，DSP輸出的PWM控制信號，控制加熱器的執行元件，達到在線(xiàn)實(shí)時(shí)控制錫爐溫度的目的；

　　(3)溫度、電壓和電流采集A/D電路。系統在初始化工作時(shí)，不斷地通過(guò)傳感器采集當前的錫爐實(shí)時(shí)溫度。系統板通過(guò)I/O板將溫度傳感器采集的模擬數據和溫度誤差完成A/D轉換后，由高速通路送入DSP控制中心，同時(shí)結合電壓電流數據，將采集數據與比較寄存器內的設定值進(jìn)行比較運算，經(jīng)DSP高速運算處理后進(jìn)行D/A轉換，進(jìn)入控制執行機構；

　　(4)溫度設定鍵盤(pán)輸入。系統的溫度控制參數的輸入由8個(gè)輸入輕觸按鍵通過(guò)串口與DSP系統板之間的通信實(shí)現；

　　(5)顯示電路和報警電路。顯示電路組成單元由液晶模塊板、指示發(fā)光二極管和相應的驅動(dòng)電路構成。液晶模塊板顯示系統的運行參數，主要由大字體顯示錫爐實(shí)時(shí)溫度，同時(shí)以小字體顯示當前加熱器的電壓和電流。正常工作時(shí)，電源指示二極管發(fā)紅光，工作指示二極管發(fā)綠光；當工作指示二極管發(fā)黃光時(shí)，預示系統電路出現故障，錫爐溫度有可能出現異常，需要斷開(kāi)控制系統維修或重新啟動(dòng)系統及復位。同時(shí)給出報警提示聲音，DSP控制輸出端送出斷開(kāi)可硅電路的控制電壓，停止加熱器繼續工作。報警電路有喇叭及其驅動(dòng)放大電路組成，報警聲音由軟件編程來(lái)實(shí)現。

　　2.2 系統軟件

　　在系統芯片中選用TMS320LF2407，通過(guò)上位機把C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的算法經(jīng)編譯連接后，轉換為DSP能接收的目標文件格式（COFF），加載到DSP進(jìn)行執行控制。圖4為控制系統軟件流程圖。采集溫度傳感器的模擬參數經(jīng)過(guò)A/D轉化為數字信號，用C語(yǔ)言編寫(xiě)的控制算法通過(guò)CL30開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行編譯，傳到DSP系統板加以運算控制，獲得控制驅動(dòng)信號。在DSP控制中心，對基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )預測算法的過(guò)程中，上位PC機通過(guò)RAM進(jìn)行狀態(tài)信息的捕捉，實(shí)時(shí)監測控制系統的參數性能，為溫度控制系統的控制算法提供有力分析依據，完成系統的調試。

　　控制系統經(jīng)過(guò)系統初始化后開(kāi)中斷，并進(jìn)行各種功能檢測。溫度參數采樣進(jìn)行A/D轉換成數字信號，送入DSP運算中心進(jìn)行數字處理，輸出控制信號經(jīng)D/A轉換用以驅動(dòng)執行機構。定時(shí)器T0作為采樣設定周期，每個(gè)采樣周期完成一次采樣和運算分析處理，直到預測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )學(xué)習完成，退出中斷而停止。

　　3 系統應用結果

　　在電路中安裝溫度、電壓和電流檢測裝置，經(jīng)過(guò)電路實(shí)驗，在DSP中植入預測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法的結果，從而實(shí)現溫度PID控制，其溫度控制曲線(xiàn)如圖5所示。

　　將預測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和DSP高速運算處理相結合的方法應用到錫爐的溫度PID控制系統中，大大提高了控制系統溫度的穩定性和精度，為電子元件在裝配過(guò)程中提供了可靠的焊接溫度，降低了因裝接高溫而損壞元件和電路板的可能性。