基于熱電偶的模糊加權(quán)解耦控制在多路溫控器中應(yīng)用研究

張?chǎng)?史超 張壹勝 胡鵬 段可新

摘 要：通過對(duì)模具溫控裝置的現(xiàn)狀分析，設(shè)計(jì)了基于熱電偶的模糊加權(quán)解耦控制的32路的溫度控制系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、抗干擾設(shè)計(jì)、控制算法，并對(duì)控制精度進(jìn)行了探討。通過熱電偶加權(quán)解耦來獲得冷端補(bǔ)償電位值，然后，將微機(jī)內(nèi)和熱電偶的實(shí)際的輸出電位代數(shù)相加，通過熱電偶加權(quán)解耦，可以換算該代數(shù)和實(shí)測(cè)溫度。通過計(jì)算得到高精度的潛在溫度值，然后根據(jù)潛在的溫度值得到相應(yīng)的溫度值。因此，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際線性，降低了放大器的溫度漂移和非線性漂移的影響。研究結(jié)果顯示，本文實(shí)際的系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：熱電偶;溫度控制;多路溫控器;模糊加權(quán)解藕控制

1引言

近幾年來，溫度控制系統(tǒng)被人們廣泛采用。以取代傳統(tǒng)的模擬控制方法，以改進(jìn)控制系統(tǒng)的績(jī)效指標(biāo)，并改進(jìn)控制功能。由于需要確保溫度的均勻性和測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量，過去使用了多個(gè)微機(jī)控制系統(tǒng)，這反過來又導(dǎo)致了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性、功能不便以及多個(gè)系統(tǒng)的分散控制問題[1]。溫度常常是結(jié)構(gòu)和參數(shù)的不確定性、重大延誤和變量、難以獲得準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型、在最需要的環(huán)境中使用傳統(tǒng)方法往往無法達(dá)到預(yù)期的控制效果[2]。在大量熱裝置中，傳感器被廣泛用作溫度傳感器。但是，自動(dòng)調(diào)溫器與溫度之間的非線性特征對(duì)應(yīng)用產(chǎn)生了許多不利影響。雖然某些線性方法，例如繪制界線，但測(cè)量誤差仍可視為熱負(fù)荷的線性要素[4]。因而，發(fā)展多通道、正確的用戶界面、溫度的精準(zhǔn)控制對(duì)于簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)并提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性非常重要。微機(jī)電路用于監(jiān)測(cè)生產(chǎn)，故障自診斷，同時(shí)控制多個(gè)溫度控制區(qū)域。提出了一種算法簡(jiǎn)單、解耦效果好、適應(yīng)參數(shù)變化的多變量模糊控制方法，應(yīng)用于現(xiàn)代生產(chǎn)線，效果好。

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作過程

硬件系統(tǒng)的塊圖如圖1所示。從下圖中可以看出，該系統(tǒng)由單芯片微型計(jì)算機(jī)、傳感器、放大濾波器、鍵盤、液晶、溫度補(bǔ)償單元組成。該參數(shù)可以用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，可以用標(biāo)準(zhǔn)偏差的倍數(shù)或置信區(qū)間的半值寬度表示，所有的測(cè)定結(jié)果都有不確定度。系統(tǒng)中，溫度傳感器采用k分度號(hào)的熱電偶，在0℃時(shí)輸出電壓為0，溫度系數(shù)約為22μV/℃，通道選擇由4片4051組成，擴(kuò)展控制口、輸出緩沖采用8255、7407，系統(tǒng)的執(zhí)行單元采用固態(tài)繼電器。但是，由于被控對(duì)象存在熱慣性，將會(huì)導(dǎo)致被控對(duì)象的實(shí)際溫度值在溫度給定值附近出現(xiàn)上、下振蕩現(xiàn)象。

系統(tǒng)硬件工作原理是對(duì)溫度傳感器控制的工作臺(tái)溫度進(jìn)行測(cè)量，所產(chǎn)生的微弱電壓信號(hào)，經(jīng)過冷端補(bǔ)償前置放大、濾波，輸出反饋信號(hào)。相反，試驗(yàn)中的熱電偶為K，補(bǔ)償電纜在直流直接電流后連接，直接測(cè)量熱能量的動(dòng)態(tài)，并使用熱空氣溫度計(jì)算進(jìn)行環(huán)境溫度修正。表1說明了邏輯控制和數(shù)據(jù)收集過程。在表1的3個(gè)步驟之后，單芯片微型計(jì)算機(jī)計(jì)算并查看表的頂部，計(jì)算溫度的精確值，輸出串行端口數(shù)據(jù)，并按數(shù)字管顯示，然后在下一個(gè)工作周期之間進(jìn)行查看。溫控裝置的冷端暴露于工作環(huán)境中，因此，冷端溫度可被認(rèn)為符合操作環(huán)境的溫度。驅(qū)動(dòng)加熱/冷卻單元，使被控工作臺(tái)穩(wěn)定在用戶從鍵盤輸人的目標(biāo)溫度上，加熱/冷卻單元和被控工作臺(tái)組成系統(tǒng)的被控對(duì)象，溫度傳感器、通道選擇與前置放大組成反饋環(huán)節(jié)。

3軟件抗干擾設(shè)計(jì)和控制算法

3.1 軟件抗干擾設(shè)計(jì)

熱電偶的溫度系數(shù)比較小，信號(hào)弱，易受到各種干擾，經(jīng)過過濾器后，干涉程度減少了一定程度，但仍然受到工頻干擾、隨機(jī)噪聲的影響，軟件設(shè)計(jì)必須進(jìn)一步抑制干擾。一般情況下，兩相流速測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定是比較困難的，必要時(shí)可采用激光多普勒技術(shù)或高速攝影技術(shù)來標(biāo)定，但它們對(duì)管道流動(dòng)系統(tǒng)有些特殊要求[5]。通過改變變壓器的輸出電壓來調(diào)節(jié)管爐內(nèi)的溫度。差壓計(jì)的精度為0.2，分辨率為0.03 mV。如果實(shí)驗(yàn)溫度場(chǎng)在40至13攝氏度之間允許誤差為±1.5°C或+0.70%，則信任度為96%。單片機(jī)內(nèi)利用T1進(jìn)行特殊觸發(fā)，對(duì)偶然因素引起的隨機(jī)干擾進(jìn)行中值濾波，隨機(jī)使用五次確定的中值過濾器來獲得插值。

3.2 控制算法

對(duì)于32種實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量，由于需要PID控制良好的人機(jī)對(duì)話界面，所以必然需要合理的控制算法。該控制算法的主流圖表如圖2所示。對(duì)于多路控制區(qū)，每段加熱分別由區(qū)本身的輸人量對(duì)其輸出量起主要作用，其它變量可看作干擾量。要提高加熱率，只需在一定的調(diào)整溫度范圍內(nèi)調(diào)整服務(wù)周期即可。0狀態(tài)表示恒定加熱，2個(gè)狀態(tài)表示恒定冷卻，這兩個(gè)狀態(tài)的命令操作都直接在主中斷程序中執(zhí)行。因?yàn)閿?shù)據(jù)的采集周期極短， 在一個(gè)數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)可以認(rèn)為環(huán)境溫度是恒定的， 即 AD590M 的輸出電流 I 是恒定的。在1狀態(tài)的T周期中，該周期為1狀態(tài)，而不是下一個(gè)周期，其控制操作相對(duì)獨(dú)立，與其他路徑不干擾，控制誤差也在1周期T以內(nèi)，因此保證了路徑控制操作的實(shí)時(shí)性。

在實(shí)際的溫度控制中，為了減小振蕩振幅，可以在溫度規(guī)定值附近設(shè)置上限、下限。在坎限上為停止加熱區(qū)，在坎限下為加熱區(qū)，在坎限內(nèi)則可利用計(jì)算機(jī)的邏輯判斷功能判斷是否應(yīng)加熱。在實(shí)際的測(cè)試中，在溫度的溫度為8°C時(shí)，溫度測(cè)量裝置低于2°C，溫度變化非常低，在測(cè)量溫度計(jì)量裝置的溫度時(shí)，對(duì)其影響非常小。

4 控制精度探討

將測(cè)量的數(shù)組溫度檢測(cè)到熱塑性時(shí)，會(huì)將前通道轉(zhuǎn)換為一個(gè)電壓信號(hào)，該信號(hào)對(duì)應(yīng)于單芯片微型計(jì)算機(jī)的基準(zhǔn)點(diǎn)電壓（SV）的值?？紤]到對(duì)單芯片微型計(jì)算機(jī)的采樣需要，對(duì)熱電偶而言，應(yīng)線性放大。此處，電勢(shì)輸出范圍為0-3000V，滿足了采樣和測(cè)量的要求。由于模具溫度控制范圍一般是O℃到4000℃之間，選用自帶10位AD轉(zhuǎn)換的單片機(jī)，則相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換最大誤差足夠滿足精度要求。而出現(xiàn)禍合現(xiàn)象后，通過對(duì)各通道調(diào)節(jié)量、被調(diào)量的仔細(xì)分析，采取適當(dāng)?shù)拇胧上満蠋淼牟焕绊慬6]。從控制測(cè)量角度來看，比較簡(jiǎn)單，而實(shí)際測(cè)量溫度與溫度值進(jìn)行比較，低于實(shí)際溫度，可以控制硅加熱，以增加測(cè)量溫度

在溫度測(cè)定試驗(yàn)中，通常在常溫常壓環(huán)境下進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)為0。因此，在實(shí)測(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)取得測(cè)定數(shù)據(jù)后，通過計(jì)算、分析、處理測(cè)定的數(shù)據(jù)，以提高測(cè)定精度。首先選取適當(dāng)?shù)碾`屬度函數(shù)，基本論域、模糊集論域，再經(jīng)過離散化后得到其賦值表。根據(jù)比較、邏輯判斷結(jié)果設(shè)置加熱或不加熱標(biāo)志，在同步信號(hào)產(chǎn)生后，計(jì)算機(jī)進(jìn)入中斷程序[7]。值越大，系統(tǒng)的不確定性就越大。之后，為了降低溫度測(cè)量系統(tǒng)的不確定性，我們必須精確地選擇熱電偶，相反，即使選擇了極高的熱電偶，系統(tǒng)的不確定度未必是小的。如果在恒定溫度過程中出現(xiàn)干擾，例如環(huán)境的突然變化，則恒定溫度步驟的平衡將被打破。屆時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)整工作周期并恢復(fù)平衡[8]。

T周期太大，或過小，將影響熱慣性、熱平衡與冷卻之間的平衡，而通路的整個(gè)生命周期都是30×25毫秒，而通路的測(cè)量周期為100毫秒。每個(gè)指令首先運(yùn)行，然后在語(yǔ)句代碼中執(zhí)行。在每次操作之前，必須對(duì)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行判斷，直到命令允許接收該命令時(shí)為止。然后查詢各路是否有加熱標(biāo)志，如有加熱標(biāo)志則對(duì)應(yīng)的輸出口置，并清加熱標(biāo)志，四路查完后，中斷返回。在TO，T1和ADC中斷中，T1的定時(shí)準(zhǔn)確與否關(guān)系到測(cè)量精度，所以設(shè)其為中斷優(yōu)先級(jí)，TO和ADC中斷為同級(jí)中斷。多路溫度控制器的輸出為開關(guān)量輸出，該開關(guān)根據(jù)模糊控制算法監(jiān)控控制箱。形成兩個(gè)直流34V控制交流330V通斷的回路，進(jìn)而接通或斷開加熱裝置，實(shí)現(xiàn)了多路溫度控制。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的32通道溫度控制器在使用中操作簡(jiǎn)單，溫度控制系統(tǒng)方便、安全、可靠。結(jié)果表明，該系統(tǒng)的不確定性不僅與熱電偶本身的容許誤差有關(guān)，而且與構(gòu)成系統(tǒng)的測(cè)量元件的重復(fù)性有關(guān)。該溫控器開發(fā)以來，在模具溫控上得到了很好的運(yùn)用，提高模具生產(chǎn)的成品率，解決了溫度不均勻的問題，使控制精度達(dá)到了±1度。由于對(duì)控制系統(tǒng)引入專家模糊 PID 控制，在曲線的兩個(gè)拐點(diǎn)進(jìn)行了“預(yù)前控制”，有效的克服了溫度滯后帶來的影響。其綜合性能比以往的控制方法更完備，完全符合日常工作的要求。

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