CN105528000B - 一种用于飞行器的智能温控表 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于飞行器的智能温控表包括：误差校正模块、信号采集模块、信号放大模块、主控模块、数据存储模块、显示模块和状态指示模块；误差校正模块，利用飞行器模拟实验时输出的实际温度电压信号进行拟合得到误差校正函数；信号采集模块，实时采集飞行器传感器输出的温度模拟电压信号；信号放大模块，将接收到的温度电压信号进行放大；主控模块，读取并利用存储模块中的误差校正函数对信号放大模块发送的温度电压信号进行校正，得到温度值，并对该温度值进行判决；状态指示模块，将主控模块发送的高温报警信号、停止加温控制信号、持续加温控制信号和间隔加温控制信号进行显示；显示模块，将主控模块发送的温度值进行显示。

Description

一种用于飞行器的智能温控表

技术领域

本发明涉及一种用于飞行器的智能温控表，属于飞行器自动控制技术领域。

背景技术

目前，我国应用于军事领域飞行器的温度控制的方法较常见的有开环控制、PID控制等，此类控制较为广泛的应用于不同的系统的温度的控制、调节上，其中开环控制适用于较为简单的系统，系统中需要人机交互，通过人为或借助机器的监测需求的当前温度值并对温度控制器进行操作，能够实现对温度的简单控制。开环控制缺点明显，不适用于目前自动化控制的需求。

PID控制较多的适用于自控系统的温度控制，PID控制器共包括三个环节：比例环节、积分环节和微分环节。各个环节对控制性能的影响是不一样的，按照比例产生了控制系统的偏差信号e(t)，系统一旦产生偏差，控制器的比例环节马上产生作用来减少偏差。若比例作用大则可加快调节速度，减少误差，但若比例作用过大时，则会使系统的稳定性降低。单一的纯比例P 控制系统具有结构简单、响应快等优点，但是却对有自平衡能力的系统会产生静态误差，同时对时滞系统也会产生振荡，动态特性效果不理想，所以对于复杂的控制环境，单一的纯比例P控制系统不能满足控制性能要求的。积分环节主要是用来消除系统的稳态误差(也称静差)。当系统出现误差时，控制器的积分调节作用就开始实施，直至系统的误差消失，积分调节作用才会停止，同时积分调节环节输出一个常数值。积分调节作用的强弱与积分时间有关，积分时间越大，积分调节作用越小，积分时间越小，积分调节作用则增强，加入积分调节作用后系统的稳定性会下降，同时影响系统的动态响应特性，使系统的动态响应变慢。微分调节作用是对系统将要产生的变化作以预测，具有预见性，它能够预测到系统偏差的变化趋势，并及时做出相应调节，在偏差信号变大之前引入有效的修正信号，产生超前的控制效果，加快了系统的响应时间，改善了系统的动态特性。但是，微分调节作用对干扰有放大的作用，所以当微分调节作用过强时，就会降低系统的抗干扰能力。所以目前的PID控制系统虽然能够实现负反馈，但是不具备自主判断能力，而且系统复杂，对于需要小型化的飞行器系统是非常不合适的。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于飞行器的智能温控表，本发明通过对温度信号进行分析判断，并根据判断结果输出加热、停止加热信号以及报警信号，本发明通过对传感器输入的电压信号分析，能够将加热温度和飞行器温度稳定控制在目标温度的2度范围内，并能够使其在长时间内保持稳定。

本发明的技术解决方案是：

一种用于飞行器的智能温控表，其特征在于包括：误差校正模块、信号采集模块、信号放大模块、主控模块、数据存储模块、显示模块和状态指示模块；

误差校正模块，利用飞行器模拟实验时输出的实际温度电压信号进行拟合得到误差校正函数，并将其发送至存储模块进行存储；误差校正函数拟合的具体方法如下：

依次利用零次、一次以及高次多项进行温度和输出电压信号的拟合，并计算各次多项式下实际温度电压信号与该实际温度下拟合曲线输出的电压信号之间误差的平方和不随拟合次数变化超过一定阈值，则认为拟合曲线满足要求；

信号采集模块，实时采集飞行器传感器输出的温度模拟电压信号，并发送至信号放大模块；

信号放大模块，将接收到的温度电压信号进行放大后发送至主控模块；

主控模块，读取并利用存储模块中的误差校正函数对信号放大模块发送的温度电压信号进行校正，得到温度值，并对该温度值进行判决，同时将该温度值发送至显示模块；对该温度值进行判决的原则如下：

当温度超过高温阈值A时，主控模块发出高温报警信号，同时将该高温报警信号发送至状态指示模块；

当温度超过目标温度阈值B时，主控模块发出停止加温控制信号，同时将该加温控制信号发送至状态指示模块；

当温度低于目标阈值一定数值C时，主控模块发出持续加温控制信号，同时将该持续加温控制信号发送至状态指示模块；

当温度位于阈值B和C之间时，主控模块发出间隔加温控制信号，同时将该间隔加温控制信号发送至状态指示模块；

计算飞行器温度平衡所需要的每个周期的加热时间同温度的变化量的关系函数：

t(加热时间)＝T(周期)-{a/[T(目标温度)-T(当前温度)]}

其中，t表示间隔加温控制信号的间隔时间；T表示飞行器温度平衡周期时间，根据不同飞行器发动机的热容比，T的值等于飞行器耗散1℃的热量值所需的单位时间；a表示不同发动机耗散热量的耗散热能的系数，由发动机决定；t₁表示目标温度；t₀表示当前飞行器温度。

数据存储模块，存储误差校正函数、高温阈值A、目标温度阈值B和阈值C；.

状态指示模块，将主控模块发送的高温报警信号、停止加温控制信号、持续加温控制信号和间隔加温控制信号进行显示；

显示模块，将主控模块发送的温度值进行显示。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明可以实现温度的控制和稳态，实际使用过程中，本发明能够通过不同的需求设置温度，实现温控，并在进行加热控制的同时，本发明能够实现高温、低温报警信号，使得温控更加精准。

(2)本发明通过误差校正模块的分析，有效地降低了温度传感器产生的误差，相比经典控制法，本发明的误差控制在实验过程中采集了大量关于飞行器的相关数据，经过拟合分析，得到温度和电压的拟合曲线，提高了后期的温控准确度，而且本发明有针对性的真对飞行器温度传感器的自身特点实现了温度的误差的校正。另外本发明通过信号采集模块的隔离设计，能够有效防止模拟电流信号在信号传输中的传输误差，从硬件上大大降低了误差的产生。

(3)本发明通过基于加热时间函数和温度阈值的判断，实现了通过对加热时间的调整对温度的控制，由于此加温控制只需要控制加热时间的长短即可实现温度控制，对于温度控制的功率电路的设计和成本的降低提供了相当大的帮助，同时算法自身的特性也使得生产成本降低，本发明采用的计算方式属于首创，效果明显。

(4)本发明加热函数使用了关于飞行器自身参数作为比例系数的控制策略，较有针对性的适用于飞行器系统，并且在敞开式野外环境下也能够适用。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；

图2为本发明信号采集模块和信号放大模块电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

如图1所示，一种用于飞行器的智能温控表包括：误差校正模块、信号采集模块、信号放大模块、主控模块、数据存储模块、显示模块和状态指示模块；

误差校正模块，利用飞行器模拟实验时输出的实际温度电压信号进行拟合得到误差校正函数，并将其发送至存储模块进行存储；误差校正函数拟合的具体方法如下：

依次利用零次、一次以及高次多项进行温度和输出电压信号的拟合，并计算各次多项式下实际温度电压信号与该实际温度下拟合曲线输出的电压信号之间误差的平方和不随拟合次数变化超过一定阈值，则认为拟合曲线满足要求；

例如：根据采集的一组实验数据(x、y)：(1，1.2)(2，7.8)(2， 27.2)(4，63.6)(5，126)对此五个点进行拟合求误差平方和SSE，一次拟合：1199，二次拟合：0.9983，三次拟合：0.3291，四次拟合1.429X10^-26, 第三次拟合已满足使用需求，四次后拟合值计算量加大且意义不大，因此采用三次拟合多项式，x表示电压、y表示温度。

信号采集模块，实时采集飞行器传感器输出的温度模拟电压信号，并发送至信号放大模块；

信号放大模块，将接收到的温度电压信号进行放大后发送至主控模块；

主控模块，读取并利用存储模块中的误差校正函数对信号放大模块发送的温度电压信号进行校正，得到温度值，并对该温度值进行判决，同时将该温度值发送至显示模块；对该温度值进行判决的原则如下：

当温度超过高温阈值A时，主控模块发出高温报警信号，同时将该高温报警信号发送至状态指示模块；

当温度超过目标温度阈值B时，主控模块发出停止加温控制信号，同时将该加温控制信号发送至状态指示模块；

当温度低于目标阈值一定数值C时，主控模块发出持续加温控制信号，同时将该持续加温控制信号发送至状态指示模块；

当温度位于阈值B和C之间时，主控模块发出间隔加温控制信号，同时将该间隔加温控制信号发送至状态指示模块；

间隔时间计算方式如下：

通过实验数据得出在一定温度下，目标温度同当前环境温度及环境条件均可以对加热过程产生影响，其影响是一个类指数函数。在加热周期不变的情况下，通过计算所需加热时间，调整加热控制输出的间歇时间的长度占空比比，实现温度在目标温度的平衡。

计算飞行器温度平衡所需要的每个周期的加热时间同温度的变化量的关系函数：

t(加热时间)＝T(周期)-{a/[T(目标温度)-T(当前温度)]}

其中，t表示间隔加温控制信号的间隔时间；T表示飞行器温度平衡周期时间，根据不同飞行器发动机的热容比，T的值等于飞行器耗散1℃的热量值所需的单位时间；a表示不同发动机耗散热量的耗散热能的系数，由发动机决定；t₁表示目标温度；t₀表示当前飞行器温度。

以目标温度为25℃，当前温度从10℃加热到目标温度为例，加热周期为1min，系数a＝100可以计算出加热时间持续长度从约53s间歇7s，逐渐变化为加热10s间歇50s。当目标温度同当前温度相同时停止加温、当加热时间出现负值时，持续加热。

数据存储模块，存储误差校正函数、高温阈值A、目标温度阈值B和阈值C；.

状态指示模块，将主控模块发送的高温报警信号、停止加温控制信号、持续加温控制信号和间隔加温控制信号进行显示；

显示模块，将主控模块发送的温度值进行显示。

主控模块采用英飞凌2287芯片，CPU接收到温度传感器的信息后，对传感器信号进行分析，并通过显示模块进行显示、再通过控制模块进行加温控制，CPU外围电路带有复位电路、8M晶振电路。

数据存储模块采用RAMTRON的FM25040型号进行存储，存储容量 4K2287，通过SPI总线端口与误差校正模块和主控模块进行存储通讯。

如图2所示，信号采集模块包括信号隔离器和采样电阻R3；信号放大模块包括电容C1、C2，电阻R1、R2和运算放大器；

温度模拟电压信号通过信号隔离器内的感应线圈引入到信号隔离器，信号隔离器输出端通过采样电阻R3Z转换成0.8～4V电压信号；该电压信号通过电阻R1和电容C1进入运算放大器的正极，经过运算处理，经运算放大器输出到主控模块；运算放大器通过电容C2连接电源；运算放大器的负极通过电阻R2连接输出端。

信号采集模块采用ISO4～20mA无源信号隔离器，将4～20mA传感器模拟量温度电压信号通过信号隔离器内的感应线圈引入到电路中，能够实现信号的传递，同时信号隔离器是无源的对系统影响小、信号损耗小，经过低温 -40℃，2小时低温实测，本发明的信号采集模块实测损耗在0.005A以内，且性能稳定。

本发明采用的ISO4～20mA无源信号隔离器是经过大量实验和论证选定的，效果不同于其他信号隔离器，具体实验过程如下：

本发明采用的高速ISO4～20mA无源信号隔离器，可以弥补目前传统光电隔离器件在带宽上无法满足高速数据传输要求，而且由于目前传统光电耦合器中存在影响转换效率的光电转换环节，因此本发明采用的耦合器在体积和功耗都具有明显优势。而且本发明的输入信号经过ISO4～20mA无源信号隔离器隔离后信号的周期和幅度保持不变，输入端上升沿与输出端上升沿之间的传输延迟时间仅为13ns，输入端下降沿与输出端下降沿之间的传输延迟时间仅为15.2ns。本发明的信号隔离器与采样电阻配合，能够保证最后的采样精度和隔离精度，进而保证后期的温控精度。

显示模块通过共阴极八段数码管实现，可以显示-40～+60℃的温度，显示当前温控表的状态，主控模块通过MAX7221实现对数码管的点亮控制。

状态指示模块通过二极管灯实现，分别代表执行相应高温报警信号、停止加温控制信号、持续加温控制信号和间隔加温控制信号。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种用于飞行器的智能温控表，其特征在于包括：误差校正模块、信号采集模块、信号放大模块、主控模块、数据存储模块、显示模块和状态指示模块；

误差校正模块，利用飞行器模拟实验时输出的实际温度电压信号进行拟合得到误差校正函数，并将其发送至存储模块进行存储；

信号采集模块，实时采集飞行器传感器输出的温度模拟电压信号，并发送至信号放大模块；

信号放大模块，将接收到的温度电压信号进行放大后发送至主控模块；

主控模块，读取并利用存储模块中的误差校正函数对信号放大模块发送的温度电压信号进行校正，得到温度值，并对该温度值进行判决，同时将该温度值发送至显示模块；对该温度值进行判决的原则如下：

当温度超过高温阈值A时，主控模块发出高温报警信号，同时将该高温报警信号发送至状态指示模块；

当温度超过目标温度阈值B时，主控模块发出停止加温控制信号，同时将该加温控制信号发送至状态指示模块；

当温度低于目标阈值一定数值C时，主控模块发出持续加温控制信号，同时将该持续加温控制信号发送至状态指示模块；

当温度位于阈值B和C之间时，主控模块发出间隔加温控制信号，同时将该间隔加温控制信号发送至状态指示模块；所述主控模块发出间隔加温控制信号的间隔时间计算方式如下：

通过实验数据得出在一定温度下，目标温度同当前环境温度及环境条件均可以对加热过程产生影响，其影响是一个类指数函数，在加热周期不变的情况下，通过计算所需加热时间，调整加热控制输出的间歇时间的长度占空比，实现温度在目标温度的平衡；

计算飞行器温度平衡所需要的每个周期的加热时间同温度的变化量的关系函数：

t(加热时间)＝T(周期)-{a/[T(目标温度)-T(当前温度)]}

其中，t表示间隔加温控制信号的间隔时间；T表示飞行器温度平衡周期时间，根据不同飞行器发动机的热容比，T的值等于飞行器耗散1℃的热量值所需的单位时间；a表示不同发动机耗散热量的耗散热能的系数，由发动机决定；t₁表示目标温度；t₀表示当前飞行器温度；

数据存储模块，存储误差校正函数、高温阈值A、目标温度阈值B和阈值C；.

状态指示模块，将主控模块发送的高温报警信号、停止加温控制信号、持续加温控制信号和间隔加温控制信号进行显示；

显示模块，将主控模块发送的温度值进行显示。

2.根据权利要求1所述的一种用于飞行器的智能温控表，其特征在于：所述误差校正函数拟合的具体方法如下：

依次利用零次、一次以及高次多项进行温度和输出电压信号的拟合，并计算各次多项式下实际温度电压信号与该实际温度下拟合曲线输出的电压信号之间误差的平方和不随拟合次数变化超过一定阈值，则认为拟合曲线满足要求。

3.根据权利要求1所述的一种用于飞行器的智能温控表，其特征在于：所述信号采集模块包括信号隔离器和 采样电阻R3；信号放大模块包括电容C1、C2，电阻R1、R2和运算放大器；

温度模拟电压信号通过信号隔离器内的感应线圈引入到信号隔离器，信号隔离器输出端通过采样电阻R3转换成0.8～4V电压信号；该电压信号通过电阻R1和电容C1进入运算放大器的正极，经过运算处理，经运算放大器输出到主控模块；运算放大器通过电容C2连接电源；运算放大器的负极通过电阻R2连接输出端。

4.根据权利要求3所述的一种用于飞行器的智能温控表，其特征在于：所述信号隔离器采用ISO4-20mA无源信号隔离器。