CN113867438A

CN113867438A - 一种润滑油蒸发损失测定仪电热炉温度的测控方法及系统

Info

Publication number: CN113867438A
Application number: CN202111134627.2A
Authority: CN
Inventors: 肖克; 吴双双; 柏文琦; 叶源
Original assignee: Hunan Institute of Metrology and Test
Current assignee: Hunan Institute of Metrology and Test
Priority date: 2021-09-27
Filing date: 2021-09-27
Publication date: 2021-12-31

Abstract

本发明公开了一种润滑油蒸发损失测定仪电热炉温度的测控方法及系统，属于控制技术领域，所述方法包括系统的初始化处理，对润滑油蒸发损失测定仪电热炉温度进行数字采样及校准处理，根据校准后的温度，对电热炉系统做基于进行温度控制，通过数据通信程序将校准后的温度传输给外部设备。本发明借助恒流源、插值以及滑窗滤波等方法对PT100的非线性进行校准，能够更加准确地采集润滑油蒸发损失测定仪电热炉的内部温度，同时本发明采用基于Bang‑Bang控制、模糊控制以及PID控制的复合控制方法对电热炉温度进行控制，具有较好的动态性能和静态性能，具有优良的调控及抗干扰能力，能够实现对润滑油蒸发损失测定仪电热炉温度的精准控制。

Description

一种润滑油蒸发损失测定仪电热炉温度的测控方法及系统

技术领域

本发明涉及控制技术领域，尤其涉及一种润滑油蒸发损失测定仪电热炉温度的测控方法及系统。

背景技术

润滑油的蒸发损失是指润滑油在一定使用条件下，因挥发而损失的质量占总质量的比值，它表征了润滑油产品耐高温性能的强弱，是衡量产品质量优劣的关键指标。在润滑油蒸发损失的测定环节中，相关测量仪器的电热炉实验温度控制精度及稳定性直接影响测量结果的准确度。现有润滑油蒸发损失测定仪电热炉温度控制技术普遍存在调节时间长，控制精度低等问题，因此，需要设计一种调节时间段，控制精度高的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种润滑油蒸发损失测定仪电热炉温度的测控方法及系统，解决现有润滑油蒸发损失测定仪电热炉温度控制技术普遍存在调节时间长，控制精度低的技术问题。本发明设计的复合温度控制方法及系统具有优良的调控及抗干扰能力，能够实现对润滑油蒸发损失测定仪电热炉温度的精准控制。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种润滑油蒸发损失测定仪电热炉温度的测控方法，所述

方法包括如下步骤，

步骤1：系统的初始化处理；

步骤2：对润滑油蒸发损失测定仪电热炉温度进行数字采样及校准处理；

步骤3：根据校准后的温度，对电热炉系统做基于进行温度控制；

步骤4：通过数据通信程序将校准后的温度传输给外部设备。

进一步地，步骤1的具体过程为，

步骤1.1：利用主控制芯片对外部执行芯片做对应的GPIO口映射，同时设置好各端口的时钟频率；

步骤1.2：利用驱动程序对外部执行芯片内部的寄存器进行配置，设置好工作模式；

步骤1.3：每隔1℃，将采集的温度从0℃到100℃的阻值分别存入数组R[401]中，其中数组标号表示温度值，数组内的元素值表示温度传感器在对应温度下的阻值；

步骤1.4：设置控制策略的参数，参数包括采样周期T_s、模式选择的温度阈值M₁,M₂、模糊控制的模糊因子和模糊控制输出表、PID控制的比例度K_P、积分时间Ti和微分时间T_d。

进一步地，步骤2的具体过程为，

步骤2.1：对温度传感器的电阻两端电压值Vin进行采样，

温度传感器两端的电压Vin由数模转换器的模拟输入端采集，电压采集时，数模转换器将对应的模拟电压值转换成十六进制的数字编码值Code，数字编码值Code与电压Vin之间的转换关系式为：

Code＝2^N-1×[(Vin×GAIN/V_REF+1)]

式中，GAIN为增益倍数，设置为1，V_REF表示ADC的参考电压，设定为2.5V；

步骤2.2：对温度传感器的电阻值R进行计算，电压采集完成后，主控制芯片根据数模转换器输入到温度传感器中的电流计算电阻值，计算公式如下式所示：

式中，I_out为数模转换器内部恒流源输出的电流值，设置为1mA；

步骤2.3：把温度传感器的阻值与温度转换成并非线性校准；

步骤2.4：结合计算出的温度传感器的阻值R，以及存入主控制芯片内存的温度传感器的阻值与温度分度表R[401],利用二分法找到阻值R所在的插值区间，即待求阻值与温度点的前后两个插值点坐标，(R(i),T(i)),(R(i+1),T(i+1))；

步骤2.5：利用非线性校准公式对温度传感器的非线性度进行校准，计算出采样点的温度值T_x，具体公式如下：

式中，T_x表示非线性校准后的采样温度值；

步骤2.6：对采集校准后的温度做窗长为5的滑窗滤波处理，滤除外部环境对温度测量产生的干扰。

进一步地，步骤3的具体过程为，

步骤3.1：根据采集处理后的温度以及目标控制，计算n时刻的温度偏差e(n)和偏差变化率e_c(n)，其中，e(n)＝T_d-T(n)，T(n)为当前n时刻采样的温度值，T_d为目标温度值，

其中e(n-1)是采样时刻n前一时刻的偏差值，T_S为系统采样时间；

步骤3.2：根据计算的温度偏差的绝对值|e|以及偏差阈值M₁,M₂，选择合适的控制策略进行控制。

进一步地，步骤3.2的具体过程为，

步骤3.2.1：当|e(n)|>M₁，即当前温度远离目标温度时，为使当前电热炉温度快速接近目标值，控制策略采用Bang-Bang控制，其输出表达式如下：

式中，u(n)为n时刻控制策略的输出值，Max为控制输出的最大值；

步骤3.2.2：当M₂<|e(n)|≤M₁，即当前温度稍微接近目标温度时，为使当前电热炉温度在快速接近目标值的同时保证控制精度，减小控制超调量，控制策略采用模糊控制，模糊控制的输出由系统查询模糊输出表得出；

步骤3.2.3：当|e(n)|≤M₂，采用增量式PID控制，即当前温度稍微非常接近目标温度时，控制策略选用PID控制，其控制输出表达式为：

式中，u(n)为当前时刻n的输出，u(n-1)为n-1时刻的输出，e(n)为当前时刻n的输出，e(n-1)为前一时刻输出，e(n-2)为上上时刻输出，K_P为PID控制器的比例度盘，T_i为积分时间，T_d为微分时间。

进一步地，步骤4的具体过程为，

步骤4.1：通过串口和RS485传输协议，将电热炉的温度值传递给外部设备；

步骤4.2：通过驱动程序，将电热炉的温度值实时更新在OLED显示屏上。

一种润滑油蒸发损失测定仪电热炉温度测控系统，测控系统包括温度信号输入程序单元和控制运算程序单元，温度信号输入程序单元与控制运算程序单元连接，温度信号输入程序单元用于获取经过滤波后的被测温度的数字信号，控制运算程序单元用于对采样后的电压信号进行求偏差和运算得到暂降起止时刻和持续时间，温度信号输入程序单元对润滑油蒸发损失测定仪电热炉温度进行数字采样，控制运算程序单元对温度校准处理，根据校准后的温度，对电热炉系统做基于进行温度控制，通过数据通信程序将校准后的温度传输给外部设备。

进一步地，上述系统还包括电源模块，温度信号输入程序单元包括温度传感设备，控制运算程序单元包括模数转换器、数字信号处理器和固态继电器，电源模块的输出端分别与数模转换器、数字信号处理器相连接；所述模数转换器)的输入端与温度传感器相连，输出端和数字信号处理器相连；所述固态继电器输入端与数字信号处理器相连接，输出端与电热炉的加热丝相连接。

本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：

本发明借助恒流源、插值以及滑窗滤波等方法对PT100的非线性进行校准，能够更加准确地采集润滑油蒸发损失测定仪电热炉的内部温度，同时本发明采用基于Bang-Bang控制、模糊控制以及PID控制的复合控制方法对电热炉温度进行控制，具有较好的动态性能和静态性能，具有优良的调控及抗干扰能力，能够实现对润滑油蒸发损失测定仪电热炉温度的精准控制。

附图说明

图1是本发明方法流程图；

图2是本发明控制方法和传统控制效果对比图；

图3是本发明系统的框架结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

如图1-2所示，一种润滑油蒸发损失测定仪电热炉温度的测控方法，包括如下步骤：

1)测控系统的初始化，详细步骤包括：

1.1)利用主控制芯片STM32F103C8T6提供的库函数，对各芯片，包括SSD1306(显示驱动IC芯片)，AD7793(模数转换芯片)等做对应的GPIO口映射，同时设置好各端口的时钟频率。

1.2)利用相关驱动程序，对上述芯片内部的各关键寄存器进行配置，设置好各自的工作模式。

1.3)根据温度传感器PT100厂家所提供的分度表，每隔1℃，将PT100从0℃到100℃的阻值分别存入数组R[401]中，其中数组标号表示温度值，数组内的元素值表示PT100在对应温度下的阻值。

1.4)设置好各控制策略的关键参数，包括：采样周期T_s，模式选择的温度阈值M₁,M₂；模糊控制的模糊因子、模糊控制输出表等；PID控制的比例度K_P,积分时间T_i，微分时间T_d。

2)对润滑油蒸发损失测定仪电热炉温度进行数字采样及处理。详细步骤包括：

2.1)温度传感器PT100电阻两端电压值Vin的采样

PT100两端的电压Vin由数模转换器AD7793的模拟输入端采集。电压采集时，AD7793会将对应的模拟电压值转换成十六进制的数字编码值Code，Code与Vin之间的转换关系式为：

Code＝2^N-1×[(Vin×GAIN/V_REF+1)]

式中，GAIN为增益倍数，设置为1，VREF表示ADC的参考电压，设定为2.5V。

2.2)温度传感器PT100电阻值R的计算

电压采集完成后，MCU可根据AD7793输入到PT100中的电流计算电阻值，计算公式如下式所示：

式中，Iout为AD7793内部恒流源输出的电流值，这里设置为1mA。

2.3)PT100的阻值-温度转换及非线性校准

2.3.1)结合计算出的PT100阻值R，以及存入MCU内存的PT100阻值-温度分度表R[401],利用二分法找到阻值R所在的插值区间，待求阻值-温度点的前后两个插值点坐标，(R(i),T(i)),(R(i+1),T(i+1))。

2.3.2)利用非线性校准公式对PT100的非线性度进行校准，计算出采样点的温度值Tx，具体公式如下：

式中，Tx表示非线性校准后的采样温度值。

2.3.3)对采集校准后的温度做窗长为5的滑窗滤波处理，进一步滤除外部环境对温度测量产生的干扰。

3)根据校准后的温度，对电热炉系统做基于Bang-Bang控制、模糊控制和PID控制的智能温度控制。的详细步骤包括：

3.1)根据采集处理后的温度以及系统目标控制，计算n时刻的温度偏差e(n)和偏差变化率e_c(n)。其中，e(n)＝T_d-T(n)，T(n)为当前n时刻采样的温度值，T_d为目标温度值；

其中e(n-1)是采样时刻n前一时刻的偏差值，T_S为系统采样时间。

3.2)根据计算的温度偏差的绝对值|e(n)|以及偏差阈值M₁,M₂，选择合适的控制策略，具体策略为：

3.2.1)当|e(n)|>M₁，即当前温度远离目标温度时，为使当前电热炉温度快速接近目标值，控制策略采用Bang-Bang控制，其输出表达式如下：

式中，u(n)为n时刻控制策略的输出值，Max为控制输出的最大值。

3.2.2)当M₂<|e(n)|≤M₁，即当前温度稍微接近目标温度时，为使当前电热炉温度在快速接近目标值的同时保证一定的控制精度，减小控制超调量，控制策略采用模糊控制。模糊控制的输出由系统查询模糊输出表得出。

3.2.3)当|e(n)|≤M₂，采用增量式PID控制，即当前温度稍微非常接近目标温度时，控制策略选用PID控制，其控制输出表达式为：

4)通过数据通信程序将校准后的温度传输给其他外设。的详细步骤包括：

4.1)系统通过串口和RS485传输协议，将电热炉的温度值传递给外设。

4.2)系统通过SSD136驱动程序，将电热炉的温度值实时更新在OLED显示屏上。

下文将设计的系统实例连接至润滑油蒸发损失测定仪，利用文中基于Bang-Bang控制、模糊控制和PID控制的复合温度控方法，对电热炉做温度控制实验，并与传统的模糊控制和PID控制做控制效果对比，验证本文设计的复合控制方法控制性能的优越性。本实例的关键控制参数设置如下：T_d＝245℃，M₁＝60℃，M₂＝3℃，

k_ec＝15，K_P＝4.6，T_i＝420s，T_d＝52s，T_S＝0.3s，Max＝3000。

参照图2，对比三种控制方法，在传统的模糊控制中，电热炉温度的峰值在244.70℃，稳定时间大致在1727s，稳态值为244.21℃，超调量为1.3％；在传统的PID控制中，电热炉温度的初次峰值在251.97℃，稳定时间大致在2818s，稳态值为245.28℃，超调量为2.7％；在本发明的复合温度控制方法中，温度的峰值在245.42℃，稳定时间大致在1933s，稳态值为245.11℃，超调量为0.13％。实验表明，实验结果表明，和传统控制方法相比，本文设计的复合温度控制方法能在具有较快的动态调节间和更小的稳态误差，控制性能最佳。

一种润滑油蒸发损失测定仪电热炉加热温度的测控系统，包括数字信号处理设备，其特征在于，该数字信号处理设备的存储器上存储有被编程或配置以执行所述润滑油蒸发损失测定仪电热炉温度检测及控制方法的嵌入式程序。

如图3所示，本实例提供的一种润滑油蒸发损失测定仪电热炉加热温度的测控方法及系统，包括：电源模块、温度传感设备、模数转换器(AD7793)、数字信号处理器(STM32F103C8T6)、固态继电器。所述电源模块的输出端分别与数模转换器、数字信号处理器相连接；所述模数转换器的输入端与温度传感器相连，输出端和数字信号处理器相连；所述固态继电器输入端与数字信号处理器相连接，输出端与电热炉的加热丝相连接；所述数字信号处理器被编程或配置以执行所述润滑油蒸发损失测定仪电热炉温度测控系统测控方法的步骤。本实例中，模数转换器选用ADI公司的AD7793，数字信号处理器采用ST公司的STM32F103C8T6。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种润滑油蒸发损失测定仪电热炉温度的测控方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤，

步骤1：系统的初始化处理；

步骤4：通过数据通信程序将校准后的温度传输给外部设备。

2.根据权利要求1所述的一种润滑油蒸发损失测定仪电热炉温度的测控方法，其特征在于：步骤1的具体过程为，

3.根据权利要求1所述的一种润滑油蒸发损失测定仪电热炉温度的测控方法，其特征在于：步骤2的具体过程为，

步骤2.1：对温度传感器的电阻两端电压值Vin进行采样，

Code＝2^N-1×[(Vin×GAIN/V_REF+1)]

步骤2.3：把温度传感器的阻值与温度转换成并非线性校准；

式中，T_x表示非线性校准后的采样温度值；

4.根据权利要求1所述的一种润滑油蒸发损失测定仪电热炉温度的测控方法，其特征在于：步骤3的具体过程为，

5.根据权利要求4所述的一种润滑油蒸发损失测定仪电热炉温度的测控方法，其特征在于：步骤3.2的具体过程为，

6.根据权利要求1所述的一种润滑油蒸发损失测定仪电热炉温度的测控方法，其特征在于：步骤4的具体过程为，

7.一种润滑油蒸发损失测定仪电热炉温度测控系统，其特征在于，测控系统包括温度信号输入程序单元和控制运算程序单元，温度信号输入程序单元与控制运算程序单元连接，温度信号输入程序单元用于获取经过滤波后的被测温度的数字信号，控制运算程序单元用于对采样后的电压信号进行求偏差和运算得到暂降起止时刻和持续时间，温度信号输入程序单元对润滑油蒸发损失测定仪电热炉温度进行数字采样，控制运算程序单元对温度校准处理，根据校准后的温度，对电热炉系统做基于进行温度控制，通过数据通信程序将校准后的温度传输给外部设备。

8.根据权利要求7所述的一种润滑油蒸发损失测定仪电热炉温度测控系统，其特征在于，还包括电源模块，温度信号输入程序单元包括温度传感设备，控制运算程序单元包括模数转换器、数字信号处理器和固态继电器，电源模块的输出端分别与数模转换器、数字信号处理器相连接；所述模数转换器)的输入端与温度传感器相连，输出端和数字信号处理器相连；所述固态继电器输入端与数字信号处理器相连接，输出端与电热炉的加热丝相连接。