劉俊偉

摘要：在恒溫槽進行熱物性測試中，需要高精度的溫度控制。針對上述問題，給出了一種一維模糊控制+增量式PID控制策略恒溫槽溫度控制方法。通過實測溫度與設(shè)定溫度偏差選擇增量式PID控制或模糊控制，完成溫度高精確控制。以C8051F060單片機為主控制器，設(shè)計了一種恒溫槽溫度控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)具有在線溫度控制、溫度歷史數(shù)據(jù)存儲以及與PC機實時數(shù)據(jù)通訊等功能。實際測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)溫度響應(yīng)時間短、溫度波動度小，滿足實際使用要求。

關(guān)鍵詞：高精度恒溫槽；模糊控制；增量式PID；C8051F060；溫度

中圖分類號：TP183文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2012)22-5482-03

A High-precision Thermostat Bath Temperature Control System

LIU Jun-wei

(Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723003, China)

Abstract: It requires high precise to control temperature during the thermostat bath thermo physical properties measurement. Aimed to above problem, a control method based on one-dimensional fuzzy and increment PID control is given. This control method chooses fuzzy control or increment PID control by deviation value between the measured temperature and the setting temperature so as to finish high-precision temperature control. The designed control system uses the C8051F060 as main controller, and has on-line temperature control、historical temperature data storage、real-time data communication with the PC etc. The results of practice test show that the system temperature response is fast, temperature degree of fluctuation is small, a practical need for use can be satisfied fully.

Key words: high precision thermostat bath; fuzzy control; increment PID; C8051F060; temperature

在流體熱物性測試中，流體熱物性與測試環(huán)境溫度有著密切的關(guān)系[1]。如要獲得精確的測量流體熱物性數(shù)據(jù)，測試環(huán)境必須為一恒定溫度。恒溫環(huán)境的實現(xiàn)有兩種方式，一種為深入地表以下，另一種為通過人工方式將某一區(qū)域進行恒溫控制。目前流體物性測試中基本使用后一種方式，常見的為恒溫槽[2]。恒溫槽是測量流體熱物理性質(zhì)時必不可少的實驗設(shè)備，特別在高精度的流體熱物性測量中恒溫槽性能的好壞直接影響了測量數(shù)據(jù)的可信度。國內(nèi)生產(chǎn)的恒溫槽控制精度低下，且結(jié)構(gòu)設(shè)計不適合流體熱物性的實驗測量；國外生產(chǎn)恒溫槽可以很好的用于某些熱物性的測量，但是價格昂貴，且對于一些特殊的熱物性測量也不合適，如臨界參數(shù)的測量[3]。

基于以上情況，該文給出了一種恒溫槽溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了恒溫槽溫度高精度控制，其控溫范圍為-30～120℃、控制精度可保證在±5mK以內(nèi)，為熱物性測量提供了一定技術(shù)保障。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括MCU、RS232接口、USB接口、鍵盤和LCD顯示等部分，其中MCU選用C8051F060單片機。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

利用Pt100溫度計和調(diào)理電路將恒溫槽內(nèi)實際溫度轉(zhuǎn)換為C8051F060能夠處理的電壓信號。C8051F060將采集的溫度值和設(shè)定的溫度進行比較與處理，控制功率驅(qū)動電路驅(qū)動執(zhí)行器，增加或降低恒溫槽內(nèi)溫度，使得恒溫槽內(nèi)溫度恒定在設(shè)定值。RS232接口可實現(xiàn)溫控系統(tǒng)與PC機通訊，實現(xiàn)PC機在線處理溫度信息的功能；通過USB接口可將系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)存儲于U盤中，可大大提高數(shù)據(jù)存儲容量和歷史數(shù)據(jù)采集時間。

1.1溫度測量電路

對于采用Pt100鉑電阻進行溫度測量的系統(tǒng)，導(dǎo)線自身電阻對測量精度具有較大的影響。采用四線制測量電路，導(dǎo)線雖有電阻但無電流，避免了導(dǎo)線自身電阻產(chǎn)生的誤差，提高了測量精度[4]。因此，該文選用四線制測量電路，原理圖如圖2所示。

圖2溫度測量電路

圖2中，OP27(1)與OP27(2)組成一個恒流源，為Pt100提供1mA的恒定電流。隨著恒溫槽內(nèi)溫度的變化，Pt100的阻值相應(yīng)改變。由于電流恒定，則Pt100的端電壓間接反映了恒溫槽內(nèi)溫度的變化。OP27(3)組成放大增益為10的差模放大電路，可將Pt100端電壓調(diào)整為適合于C8051F060的ADC0檢測信號。在實際應(yīng)用中，圖2中的電阻須選用千分之一的精密電阻，否則將出現(xiàn)恒流源電流失穩(wěn)，影響系統(tǒng)溫度測量的精度。

1.2系統(tǒng)電源

如要保證溫度的測量精度，首先必須有一個可靠、穩(wěn)定的系統(tǒng)電源。系統(tǒng)中所用的電源主要有+12V、-12V、+3.3V以及+5V。其中，+12V和-12V為溫度測量電路提供電源，必須具有很小的紋波電壓。+12V電源原理圖如圖3所示，-12V與+12V原理圖類似。圖3中，LM317為1.2V～37V范圍的調(diào)壓器，輸入與輸出電壓差最大40V，輸出端接1mH的電感L，可減小LM317輸出電壓的紋波。

圖3 +12V電源電路

1.3串口通訊與USB接口

串口通訊選用Maxim公司的MAX3232，完成C8051F060與PC機的電平轉(zhuǎn)換，通訊方式為方式1。選用符合USB1.1協(xié)議規(guī)范的USB總線芯片CH375作為C8051F060與U盤存儲設(shè)備的接口，實現(xiàn)恒溫槽溫度實時數(shù)據(jù)存儲[5]。

2溫度控制算法

溫度控制系統(tǒng)是變參數(shù)、大慣性、大延時和隨機干擾很強的動態(tài)系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中，恒溫槽溫度控制過程具有非線性、時變不確定性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型[6]。應(yīng)用常規(guī)的PID控制不能達到理想的控制效果，存在超調(diào)量大、穩(wěn)定周期長、控制參數(shù)難于整定等問題[7]，不利于實現(xiàn)高精度控制。基于上述情況，該文選用模糊控制與標準PID控制算法結(jié)合在一起的模糊PID復(fù)合控制算法，實現(xiàn)系統(tǒng)的溫度高精度控制。從系統(tǒng)控制算法復(fù)雜性方面考慮，如用二維或三維模糊控制算法，則大大增加了系統(tǒng)控制的復(fù)雜性。通過實際多次測試表明，模糊控制采用一維控制，可完全達到所需的控制精度、響應(yīng)速度等，控制原理圖如圖4所示。其中，t為設(shè)定溫度值，e為設(shè)定溫度值與實測溫度值y的偏差。

當設(shè)定值與實測溫度值e大于設(shè)定閾值時，采用PID控制；當設(shè)定值與實測溫度值小于設(shè)定閾值時，采用模糊控制，模糊控制器的輸入為溫度偏差e，通過偏差e控制模糊控制器。模糊控制規(guī)則為如表1所示。

圖4控制算法原理圖

表1恒溫槽模糊控制規(guī)則

3軟件設(shè)計

恒溫槽溫度控制系統(tǒng)軟件采用C語言，主要包括主程序、中斷程序、模糊控制程序以及PID控制程序等。主程序主要完成設(shè)定溫度讀取、判斷溫度偏差大小、模糊控制和PID控制算法選擇、調(diào)用模糊控制或PID控制子程序等，主程序流程圖如圖5所示。其中，ε為系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)下的最小溫度誤差；γ為判斷采用模糊控制和增量式PID控制溫度閾值,實際取值為5℃。

圖5主程序流程圖

4試驗結(jié)果與分析

本系統(tǒng)試驗過程中，恒溫槽介質(zhì)為甲基硅油，溫控范圍為-30℃～150℃，測試點選用310K～380K，溫度采集間隔為0.5s，采集時間為100s。部分測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 320K和330K實測溫度

經(jīng)過大量溫度控制效果測試，依據(jù)恒溫槽溫度波動度的定義[8]，計算出該恒溫槽各點溫度波動度均小于±7mK。

5結(jié)論

針對熱物性測試所用恒溫槽要求，設(shè)計了一種一維模糊控制與增量式PID混合溫度控制策略，其主要利用實測溫度與設(shè)定溫度偏差的絕對值判斷采用模糊控制或增量式PID控制。該控制方法大大提高了恒溫槽溫度響應(yīng)速度，減少了單片機實現(xiàn)算法的難度。以C8051F060單片機作為主控制器，設(shè)計了實際控制系統(tǒng)。測試結(jié)果表明，該文給出的控制方法是有效的，溫度控制精度符合實際使用要求。

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