CN101769800A - 基于arm的高精度温度校验方法及仪器 - Google Patents
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Abstract
本发明基于ARM的高精度温度校验方法及仪器涉及温度计量检测技术领域，本发明采用了比例-模糊自整定PID控制方式从而解决目前工业电加热炉温度控制中精度和稳定度低，抗干扰能力不佳等问题。本发明主要包括设定温度并检测实际温度获得温度偏差，基于温度偏差进行比例-模糊自整定PID控制外部加热，本发明的比例-模糊自整定PID控制部分由移植了Linux2.6操作系统并开发了系统软件的基于ARM9的硬件平台完成。本发明特别适用于对滞后及无超调系统，且要求高精度、高稳定性的工业温度控制系统。
Description
技术领域
本发明属于温度计量检测技术领域，尤其涉及一种基于ARM的高精度温度校验方法及仪器。
背景技术
各类温度计都需要定期由计量检定机构进行校准，而以往温度计都要被送到计量机构进行校验，这一过程费时、费事，而且费用比较高。而目前对于用于现场控制需要在线校验的温度控制设备也不尽理想，由于工业上电加热炉是一个大惯性、大延时、大时变的非线性受控对象，采用常规的控制方法的用于工业现场的温度校验设备，目前还难以达到理想的控制目的。如中国实用新型专利ZL200620093696.8公开了一种在线温度校准仪，该温度校准仪采用温度传感器、温度仪表和补偿导线连成一体进行温度校准，在一定程度上克服了分立元件在温度校验设备使用中存在的问题。但是该温度校准采用的控制方法对于温度控制精度和稳定度高，尤其需要快速动态调节和要求较高的抗干扰能力的温度校验来说仍达不到要求。另外，在控制领域也常使用比例积分微分(PID)控制，但是传统的PID控制由于存在不适应参数变化、超调大、抗干扰性能差等原因，在工业电加热炉的实际温度控制中仍存在问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明基于ARM的高精度温度校验方法及仪器既保留了传统PID控制的优点，同时又结合了模糊控制的健壮性强、干扰和参数变化对控制效果的影响弱的优点，通过采用先设定温度输入，再通过Pt100热电阻实时检测实际温度，通过比例-模糊自整定PID控制器实现温度的实时调节控制达到与设定温度一致，且能达到高的精度和稳定性。
本发明基于ARM的高精度温度校验方法及仪器采用的技术方案：
一种基于ARM的高精度温度校验方法，包括：
步骤一，输入设定的温度并检测实际温度操作；
步骤二，设定温度与实际温度进行比较，得到温度偏差信号并进行预处理操作；
步骤三，基于温度偏差信号进行控制运算操作，获得控制信号；
步骤四，由获得的控制信号对可控硅的导通角进行控制，可控硅的输出进一步控制外部加热器，
所述的控制运算操作为比例-模糊自整定比例积分微分控制。
所述的控制运算操作由移植了Linux2.6操作系统并开发了系统软件的基于ARM9的硬件平台完成的。
所述的控制运算操作包括比例控制运算和模糊自整定比例积分微分控制运算。
所述的模糊自整定比例积分微分控制运算进一步包括控制变量模糊量化处理、建立模糊控制规则、选择查询模糊控制规则和解模糊化处理操作。
一种基于ARM的高精度温度校验仪器主要包括温度输入设备、温度显示设备、检测实际温度的传感器、信号调理电路、模/数(A/D)转换器、可控硅模块和外部加热器，还包括比例-模糊自整定比例积分微分控制器，其中温度输入设备和温度显示设备分别连接到比例-模糊自整定比例积分微分控制器，检测实际温度的传感器依次通过信号调理电路和模/数转换器连接到比例-模糊自整定比例积分微分控制器，比例-模糊自整定比例积分微分控制器的输出控制信号连接到可控硅模块，可控硅模块的输出与外部加热器连接。
所述的比例-模糊自整定比例积分微分控制器由移植了Linux2.6操作系统的ARM920T内核构成，包括比例控制器和模糊自整定比例积分微分控制器两部分。
所述的检测实际温度的传感器为Pt100热电阻传感器，且为三线制的。
所述的信号调理电路包括差分电压放大器和低通滤波器。
所述的模/数转换器的采样时钟频率为2.4576MHz。
所述的比例-模糊自整定比例积分微分控制器输出信号为脉冲宽度调制(PWM)信号。
本发明基于ARM的高精度温度校验方法及仪器的有益效果：本发明将比例-模糊自整定PID控制器用于电加热炉的温度控制，不仅具有很高的精度和稳定性，而且具有较高的抗干扰能力，尤其适合于无超调的温度控制系统；本发明的控制部分使用移植了Linux2.6操作系统并开发了系统软件的基于ARM9的硬件平台来完成，从而使得本发明实用性更强。
附图说明
图1为本发明中基于ARM的高精度温度校验仪器的模块结构图；
图2为本发明中基于ARM的高精度温度校验方法的温控过程的流程图；
图3为本发明基于ARM的高精度温度校验方法及仪器的实施例结构图。
具体实施方式
如图1的本发明的模块结构图中，由温度输入设备输入设定温度后，检测实际温度的传感器检测的温度信号由信号调理电路和模/数转换器处理成为数字信号送到比例-模糊自整定PID控制器，由该控制器输出PWM信号控制可控硅的导通时间，从而控制外部加热器的加热情况。输入的温度及控制过程中检测的实际温度可以实时地由温度显示设备显示出来。
如图2的本发明的温控过程的流程图中，实施操作过程为，首先输入设定温度并检测实际温度；其次对获得的温度偏差信号进行预处理；再次，当获得的温度绝对偏差|e|＜E时，采用模糊自整定PID控制，过程为先对控制变量模糊量化处理，再根据建立的模糊控制规则进行查询并解模糊化处理和PID调节控制，当温度绝对偏差|e|≥E时，采用比例控制；最后由两部分控制输出信号控制可控硅的导通情况，从而控制外部加热器加热温度监测对象。
在实际中，控制对象多用在高温场合，为加快加热速度，可以采用比例控制算法，即当|e|＞E时，采用比例控制算法，有利于加快调节速度，系统响应快；当0≤|e|＜E时，采用选择模糊自整定PID控制，有利于消除系统静态误差和抑制干扰，根据实验结果本发明中选用E＝50℃。
本发明中使用不依赖对象模型的模糊控制推理的PID参数自整定方法，包括如下操作：
1.控制变量的模糊量化处理
根据仪器用途特点，取定e和ec的范围，并对其进行模糊量化处理，得出e和ec论域为e，ec＝{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}，其模糊子集e，ec＝{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，其子集各语言值分别为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。
2.建立模糊控制规则
从系统的稳定性、超调量和响应速度等方面考虑，在不同的e和ec值下，PID控制器的比例参数Kp、积分参数Ki和微分参数Kd的自整定规则可归纳为：
(1)当|e|较大时，为了加快系统的升温速度，应取较大的Kp、较小的Kd，同时为了防止积分饱和以及避免系统响应出现较大的超调量，应限制积分的作用，一般Ki的值取为0；
(2)当|e|和|ec|的值为中等大小时，Kp的值取小一些，同时为减少系统相应的超调量，Ki的值也应取小一些。因Kd值与系统响应速度成正比，为保证系统的响应速度，Ki的值要适中；
(3)当|e|较小时，为使系统具有较好的稳态性能，同时为抑制偏差向任何方向变化，避免系统在设定值附近出现振荡，并结合|ec|的值选取Kd值，Kp与Ki的值取大一些。
通过以上对系统输入、输出参数之间的相互影响，并结合模糊PID控制算法中Kp、Ki、Kd这三个控制参数对控制系统的影响，设计出系统的模糊控制规则表，以偏差e和偏差变化率ec作为输入，分别以Kp、Ki、Kd作为输出变量建立三个模糊规则表，具体如下表1、表2和表3：
表1kp的模糊规则表
表2Ki的模糊控制规则表
表3Kd的模糊控制规则表
3.查询模糊控制规则表并解模糊调整处理和PID控制
在参数的模糊控制规则表建立后，根据实际情况选择查询获得Kp、Ki、Kd，再运用模糊合成推理设计出PID参数模糊调整矩阵，最后将其存入程序存储器中供查询。在实际应用中，由误差e和误差变化ec，并对其进行模糊化处理，并根据模糊控制规则表，依次得出Kp、Ki、Kd的语言值，再进行解模糊化后即可实现P ID参数的在线模糊自整定功能。
如图3为本发明的实施例结构图，图3中的电桥及Pt100热电阻、仪表放大器INA114、低通滤波器和A/D转换器共同构成本实施方式中的温度信号采集、调理及转换部分。S3C2410A控制器完成比例-模糊自整定PID控制器的功能，输出PWM控制信号对加热执行单元进行控制，从而完成温度的动态调节，图3中的加热执行单元可由三极管运放电路、可控硅模块和外部加热器等构成。
如图3的实施例，工作时，由操作人员通过键盘设定温度，并通过LCD显示设定的温度值，由Pt100热电阻检测控制对象实际温度值，通过仪表放大器INA114、低通滤波器及A/D转换器将温度信号由S3C2410A的串行外围设备接口(SPI)送入控制器中，并实时显示实际温度值。控制器求出输入的当前温度值与设定值的偏差，按照比例-模糊自整定PID控制算法进行运算，确定下一时间输出PWM信号占空比，以控制可控硅的导通时间，从而控制外部加热器的平均输出功率，实现温度控制。图3中的A/D转换器的外接晶振的频率可设置为2.4576MHz和1.024MHz两种，使用时可进行频率选择，本实施例中采用频率2.4576MHz，有利于提高信号的转换精度。Pt100热电阻传感器采用铂电阻为A级薄膜工业铂电阻Pt100，并选用三线制的，采用三线制可以大大减小导线电阻带来的附加误差。仪表放大器INA114采用差动式双端输入，单端输出方式，以利于获得很低的失调电压与很小的温度漂移，高的共模抑制比及极高的输入阻抗。S3C2410A控制器采用ARM920T内核，并移植了Linux2.6操作系统，ARM920T内核具有32位地址总线，ARM920T内核外接两个并接的16位数据宽度的SDRAM存储器，利用SDRAM作为系统运行中的交换数据单元，外接的NandFlash具有极高的单元密度和很快的写入擦出速度，作为执行代码启动、程序以及数据存储空间，外接的JTAG主要用于对芯片内部进行测试，另外实施例中还接有RS232接口，连接PC机，可以大大加强对校验数据的存储、分析处理和显示功能。
Claims (10)
1.一种基于ARM的高精度温度校验方法，包括：
步骤一，输入设定的温度并检测实际温度操作；
步骤二，设定温度与实际温度进行比较，得到温度偏差信号并进行预处理操作；
步骤三，基于温度偏差信号进行控制运算操作，获得控制信号；
步骤四，由获得的控制信号对可控硅的导通角进行控制，可控硅的输出进一步控制外部加热器，
其特征在于，所述的控制运算操作为比例-模糊自整定比例积分微分控制。
2.根据权利要求1所述的基于ARM的高精度温度校验方法，其特征在于，所述的控制运算操作由移植了Linux2.6操作系统并开发了系统软件的基于ARM9的硬件平台完成的。
3.根据权利要求1或2之一所述的基于ARM的高精度温度校验方法，其特征在于，所述的控制运算操作包括比例控制运算和模糊自整定比例积分微分控制运算。
4.根据权利要求3所述的基于ARM的高精度温度校验方法，其特征在于，所述的模糊自整定比例积分微分控制运算进一步包括控制变量模糊量化处理、建立模糊控制规则、选择查询模糊控制规则和解模糊化处理操作。
5.一种基于ARM的高精度温度校验仪器主要包括温度输入设备、温度显示设备、检测实际温度的传感器、信号调理电路、模/数转换器、可控硅模块和外部加热器，其特征在于，还包括比例-模糊自整定比例积分微分控制器，其中温度输入设备和温度显示设备分别连接到比例-模糊自整定比例积分微分控制器，检测实际温度的传感器依次通过信号调理电路和模/数转换器连接到比例-模糊自整定比例积分微分控制器，比例-模糊自整定比例积分微分控制器的输出控制信号连接到可控硅模块，可控硅模块的输出与外部加热器连接。
6.根据权利要求5所述的基于ARM的高精度温度校验仪器，其特征在于，所述的比例-模糊自整定比例积分微分控制器由移植了Linux2.6操作系统的ARM920T内核构成，包括比例控制器和模糊自整定比例积分微分控制器两部分。
7.根据权利要求5所述的基于ARM的高精度温度校验仪器，其特征在于，所述的检测实际温度的传感器为Pt100热电阻传感器，且为三线制的。
8.根据权利要求5所述的基于ARM的高精度温度校验仪器，其特征在于，所述的信号调理电路包括差分电压放大器和低通滤波器。
9.根据权利要求5所述的基于ARM的高精度温度校验仪器，其特征在于，所述的模/数转换器的采样时钟频率为2.4576MHz。
10.根据权利要求5所述的基于ARM的高精度温度校验仪器，其特征在于，所述的比例-模糊自整定比例积分微分控制器输出信号为脉冲宽度调制信号。
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