2013年第1期信息技術(shù)文章編號(hào):1009-2552(2013)01-0143-04中圖分類號(hào):TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A熱重分析儀溫度測(cè)控方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)王春來,王磊(同濟(jì)大學(xué)中德工程學(xué)院,上海200092)摘要:熱重分析儀對(duì)溫度的測(cè)量精度和控制精度的要求都很高,文中對(duì)溫度的測(cè)量方案、溫度控制器的設(shè)計(jì)等一系列過程進(jìn)行了分析研究,設(shè)計(jì)了一套適合于熱重分析儀的溫度測(cè)控系統(tǒng)。其中,溫度信號(hào)的采集釆用以模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD714為核心的解決方案,溫度控制器則采用模糊PID控制,通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度的恒溫、變溫等控制。實(shí)驗(yàn)證明,該系統(tǒng)對(duì)于復(fù)雜條件下的高級(jí)溫度測(cè)控表現(xiàn)出了優(yōu)良的性能。關(guān)鍵詞:熱重分析儀;溫度控制;AD7714;模糊PID控制Design and implementation of temperature measurement andcontrol for a thermo gravimetric analyzerWANG Chun-lai. WANG LeChinese-German School for Postgraduate Studies, Tongji University, Shanghai 200092, China)Abstract: Thermo gravimetric analyzer(TGA) has high requirements of temperature measure accuracyand control accuracy. In this paper, a temperature control system of a TGa designed, including thetemperature measure program and the temperature controller. Among this system, a signsolution based on the A/d converter AD7714 is taken as the key solution of temperature measurement.The temperature controller is based on fuzzy PID control. With the functions of MCU, the system canimplement the temperature thermostat, variable temperature control and so on. The experiments show thatthe system demonstrates excellent performance under complex conditions of advanced temperatureKey words: thermo gravimetric analyzer; temperature control; AD7714; fuzzy PID control0引言示。從圖中可以看出,主要由RC濾波器、溫度控制熱重分析儀是一種精密儀器,主要由天平爐器室溫轉(zhuǎn)換器、M/D轉(zhuǎn)換器、微處理器及通信連接子、溫度測(cè)控系統(tǒng)等幾個(gè)部分構(gòu)成。它可以在程序等部分組成。溫度控制下測(cè)量物質(zhì)溫度變化與質(zhì)量變化之間的關(guān)十RC濾器AD轉(zhuǎn)換(含放大系。其中,溫度測(cè)控系統(tǒng)是熱重分析儀的核心部分。器、數(shù)字濾波器)一通信連接器傳感器{溫度控制器人近年來,隨著熱分析技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛,對(duì)熱分上位機(jī)析儀器精度和靈敏度的要求也越來越高。因此使室溫傳感些微處理器用適合于熱重分析儀的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器,設(shè)計(jì)高〖室溫轉(zhuǎn)換器性能的溫度控制器,并配置高效的MCU,是實(shí)現(xiàn)熱重分析儀溫度精確測(cè)控的關(guān)鍵中國(guó)煤化工溫度測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)H收稿日期CNMHG該熱重分析儀的測(cè)溫通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所作者簡(jiǎn)介:王春來(1988-),男,碩士研究生,研究方向?yàn)榍度耸较到y(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)143本系統(tǒng)微處理器為51系類的單片機(jī)為狀態(tài)信號(hào)線,當(dāng)DRDY為低電平時(shí)表明輸出寄STC89C58BD+,它是宏晶科技(ST℃)推出的新一代存器中有新的數(shù)據(jù)字可供輸出,當(dāng)DRDY為高電平高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)。前端采用美國(guó)時(shí),表明輸出寄存器中新數(shù)據(jù)已被讀出或正在更新;AD公司的高精度MD轉(zhuǎn)換芯片AD774采集溫度CS為片選信號(hào),當(dāng)CS輸入端連接到低電平時(shí),信號(hào),通過單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行可編程控制采集溫度數(shù)AD774的串行接口可工作于3線模式。據(jù)并進(jìn)行處理。對(duì)爐溫的調(diào)節(jié)和運(yùn)算采用了模糊通過向MCU燒入編寫好的程序,各模塊上電后PD控制器進(jìn)行決策模糊控制。最后通過通信連接即可實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)控過程。其中,系統(tǒng)在上位機(jī)和器(RS232串行總線)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的下位機(jī)都存放一張熱電偶兩端之間的電壓值與溫度通信值的表示,表中溫度從-60℃到1360℃。查表的算該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)如下的主要功能對(duì)爐溫進(jìn)行測(cè)法是折半查找和插值法相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)輸出的量;對(duì)室溫進(jìn)行測(cè)量;對(duì)爐溫進(jìn)行控制;通過與上位電壓值和查表算法,可得熱電偶的熱端與冷端的溫機(jī)通信完成故障檢測(cè)和報(bào)告度差,從而計(jì)算出所需測(cè)量的溫度值2溫度信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)AD7714-5的工作流程如圖3所示。本系統(tǒng)中溫度測(cè)量的關(guān)鍵器件是溫度傳感器和開始A/D轉(zhuǎn)換器。根據(jù)需要選用鎳鉻-鎳硅熱電偶作為測(cè)溫傳感器。它的測(cè)溫范圍為-50℃~1300℃,匚上電復(fù)位且可復(fù)制性好,線性度高,價(jià)格便宜。模數(shù)轉(zhuǎn)換器選設(shè)置和初始化微處理器串口擇AD774,它是美國(guó)AD公司出產(chǎn)的一種采用向通用寄存器寫入24(HEX),選擇AIN/AIN2,Σ-△技術(shù)實(shí)現(xiàn)高達(dá)24位精度的MD轉(zhuǎn)換器,具設(shè)置下一步操作向?yàn)V波高位寄存器寫入數(shù)據(jù)有分辨率高線性好、功耗低等特點(diǎn),最多可達(dá)5通道可編程前端,內(nèi)置可編程增益調(diào)節(jié)PGA,G=1向?yàn)V波高位寄存器寫入E7(HEX可直接從傳感器接收輸入信號(hào),無需大量信向通用寄存器寫入34HEX,選擇AIN/AIN2,設(shè)號(hào)調(diào)理;具有可編程濾波器截止頻率的低通濾波器置下一步操作向向?yàn)V波低位寄存器寫入數(shù)據(jù)它可以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為16位或24位的數(shù)字信向?yàn)V波低位寄存器寫入80(HEX號(hào),并以串行的方式輸出;同時(shí),它有雙極和非雙性的轉(zhuǎn)換方式可供選擇。向通用寄存器寫入4GHEX,選擇AIN/AIN2ADm14的串行接口包含5個(gè)信號(hào):CS、 SCLK、設(shè)置下一步操作向模式寄存器寫入數(shù)據(jù)DIN DOUT和DRDY,與單片機(jī)接口設(shè)計(jì)如圖2所示。向模式寄存器寫入34(HEX查詢/DRDY引腳/SYNCO-/RESETDRDY為低嗎>STC89C58RDAD7749P1.0P1.1向通用寄存器寫入5c(HX),選擇AIN/AIN2通道,設(shè)置下一步操作從數(shù)據(jù)寄存器讀數(shù)據(jù)/DRDYP1.3/CS從數(shù)據(jù)寄存器讀數(shù)據(jù)圖3Am14-5工作流程圖2AD774與單片機(jī)接口電路3溫度的控制方案設(shè)計(jì)DN用于把數(shù)據(jù)傳送到片內(nèi)輸入移位寄存器31系統(tǒng)江中國(guó)煤化工中;DOUT用于片內(nèi)輸出移位寄存器中的數(shù)據(jù)輸本系統(tǒng)CNMH還特點(diǎn):一次實(shí)出;SCLK是芯片的串行時(shí)鐘輸人,在DIN和DoUr驗(yàn)過程可能需要多段控溫區(qū)域如圖4所示為11溫上的數(shù)據(jù)傳送都是在SCLK信號(hào)下實(shí)現(xiàn)的,DRDY度段;一次實(shí)驗(yàn)過程可能需要多種溫控方式如勻速144升溫、恒溫、勻速降溫和中斷-恒溫方式,如圖5所述函數(shù)來描述示中斷-恒溫方式;程序升溫重復(fù)性、程序升溫速度u(n)=k,k,fi(E, EH)e(n)+h,kf2(E,EH)偏差和周期升降溫重復(fù)性等指標(biāo)要達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)A△e(n)級(jí),同時(shí),恒溫精度要求也較高(0.5℃),溫控范圍其中,k1、k2為量化因子,k3為決策因子,E為輸入較寬(從室溫到1400℃)偏差,EH為輸入偏差變化率,為控制量輸出。f溫度T(E,EH)=f2(E,EH)=f(E,EH)可根據(jù)實(shí)際輸入的偏差E和偏差變化量EH的大小由查表確定。通過PD參數(shù)整定方法確定當(dāng)前系統(tǒng)偏差較小時(shí)的最佳PD參數(shù),并首先制定模糊規(guī)則表的小部分,使得對(duì)應(yīng)于不同的溫度段,該控制器的輸出和PID的輸出成某種比例關(guān)系。然后對(duì)模糊控制表細(xì)分,并且根t、55,5的間器的積分作用。同時(shí),通過細(xì)分論域空間,選擇適當(dāng)圖4一次實(shí)驗(yàn)中爐溫可能的溫度曲線的量化因子K1、K2,提高性能PID模糊控制器的原理如圖6所示。其中的開關(guān)在設(shè)計(jì)階段合上,模糊規(guī)則表確定以后,斷開開關(guān)EEH-PID控制器開關(guān)次中斷恒溫的控溫曲線d1-k規(guī)則時(shí)間模糊控制器5中斷-恒溫方式在算法實(shí)現(xiàn)過程中,需對(duì)該溫度控制器量化因由上述特點(diǎn)可以看出,該系統(tǒng)的溫控是一個(gè)復(fù)子進(jìn)行整定把輸入的采樣溫度值和用戶設(shè)定的溫雜的溫度處理系統(tǒng)。因此,系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)都必度程序相應(yīng)時(shí)刻的溫度設(shè)定值相比較得到偏差e和須采用不同于簡(jiǎn)單溫度控制的方案。硬件上,使用偏差的變化率,并對(duì)他們進(jìn)行模糊化處理得到E過零固態(tài)繼電器,通過脈寬調(diào)節(jié)的方式來進(jìn)行控制和EH。選擇簡(jiǎn)單的量化因子,設(shè)e和的邊界為軟件上,充分利用模糊控制、PD等理論設(shè)計(jì)模糊a,b],通過下式將其轉(zhuǎn)換到[-n,n]:PID溫控器。3.2模糊PID控制器原理及設(shè)計(jì)EH2n目前應(yīng)用較多的PID控制是一種離散的線性控制器,其控制規(guī)律表示為對(duì)于E和EH,選取圖7所示的三角形隸屬函u(k)=kle(k)+e()+le(k)數(shù),取{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6|作為輸入量的模糊子集。e(k-1)]}或u(k)=Ke(k)+K,∑e()+Ke(k)其中,k表示采樣序號(hào),a(k)為第k次采樣時(shí)刻的輸中國(guó)煤化工出控制,e(k)為第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值,Kp、CNMHGK、KD分別為比例系數(shù),積分系數(shù),微分系數(shù)。而典型的二維模糊控制器可以用下面的PID描對(duì)于模糊規(guī)則的制定,用已有的PID整定方法確定最佳參數(shù),建立適用于該系統(tǒng)的PD控制器。后確定模糊控制規(guī)則的一個(gè)很小的子集,使得當(dāng)系由于被控對(duì)象的溫度變化跨度大,為提高精度,釆取統(tǒng)偏差以及偏差的變化率也較小時(shí),模糊控制器的分段設(shè)計(jì)的方法。即分別根據(jù)被控兌現(xiàn)的溫度在不輸出u等于或者接近于以上傳統(tǒng)PID控制器的輸出同區(qū)間[0,200],[200,400],[400,6001,[600,upid/K。最后,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)建立起模糊控制規(guī)則,使800],[800,1000,100,1200],[1200,1400]時(shí)得模糊控制器的輸出接近于經(jīng)驗(yàn)控制信號(hào)u/種的特性,分別確定相應(yīng)的最佳參數(shù)K、K、KD然最終建立的模糊控制表如表1所示。表1模糊控制表輸出u46776766666676666555767642676476444200000-00113112412345633600000000467667674如前所述,把系統(tǒng)控溫方式分為四種,即升溫、降溫、恒溫及中斷-恒溫。對(duì)于每種控溫方式都設(shè)計(jì)為一個(gè)獨(dú)立的控制器,這四個(gè)方程式的組合,就可以達(dá)到控溫要求。4溫控測(cè)試結(jié)果測(cè)試以徽量熱天平作為基礎(chǔ)溫度傳感器鎳鉻鎳硅熱電偶與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7714的模擬端直接相連,AD774的串行線與單片機(jī)STc89C8RD+的P1各口相連模糊控制器在STc89c58RD+單片機(jī)圖8程序升溫線內(nèi)實(shí)現(xiàn),再通過串口和上位機(jī)相連,上位機(jī)操作系統(tǒng)為 Microsoft Windows32000運(yùn)行于上位機(jī)的軟件負(fù)責(zé)把采樣數(shù)據(jù)以曲線的形式顯示出來,并顯示實(shí)時(shí)145.8數(shù)據(jù)窗口。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,對(duì)于用戶任意設(shè)定的升溫程序,該模糊PD控制器效果都非常好。圖8-9分別為程序升溫曲線和放大后的升溫線。在恒溫控制部分,微量熱天平的該項(xiàng)指標(biāo)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為+2℃,而該控制器的效果做到了上下偏差圖9升溫控制效不超過0.5℃,因?yàn)楸豢貙?duì)象功率較大,能達(dá)到這樣圖10中國(guó)煤化工析儀分析結(jié)果的效果非常不易。圖9中用黑線表示出了預(yù)先設(shè)顯示窗口HaCNMHG等信息。定的理想升溫曲線,由圖可見,對(duì)于程序升溫該控(下轉(zhuǎn)第151頁)制器的效果也很好。4結(jié)束語IEEE Trans on CAS, 1979, 26(7): 475-483從圖4和圖6可知,經(jīng)過粒子群算法優(yōu)化后的31 oehwad w,Bastan D.A DC Approach for Analog Fault Di神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有效地解決了網(wǎng)絡(luò)容易陷入局部最小值的情況,保證了網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的可靠性,節(jié)約了訓(xùn)練時(shí)間。[4]鄒銳.模擬電路故障診斷原理和方法[MJ.武漢:華中理工大學(xué)從圖4和圖6中的訓(xùn)練誤差曲線可以看出,遺傳神出版社,1989經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練速度上有了明顯的提高,減少了訓(xùn)練[5]歐陽宏志,廖湘柏,劉華.模擬電路故障診斷方法綜述[J].電的次數(shù)。最后,本文將單純BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練得到子科技,2008,21(12):75-80[6]歐陽宏志,陳洪云模擬電路故障診斷的現(xiàn)狀與發(fā)展[C].第二權(quán)值和閾值,以及粒子群優(yōu)化后得到的權(quán)值和閾值十屆電工理論學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,2008:2-27先后作為權(quán)值和閾值代入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),用剩下的未經(jīng)[7]陳圣儉,洪炳熔,王月芳,等可診斷容差模擬電路的軟故障的新過訓(xùn)練的樣本測(cè)試泛化能力,仿真結(jié)果如表3所示故障字典法[].電子學(xué)報(bào),2000,28(2):127-129表3L-M算法和PSO-BP算法下訓(xùn)練次數(shù)以及診斷率比較[8]Hochwald W, Bastian J D A DC Approach for Analog Fault Dictio訓(xùn)練方法PSO-BPnary Determination[ J. IEEE Trans. onCAS, 1979, 26(7): 524訓(xùn)練次數(shù)2000[9] Free man S. Optimum Fault Isolation by Statistical Inference[J]診斷率(%)60.2881.73IEEE Trans On CAS, 1979, 26(7): 505-512[10]L通過上表可以看出,經(jīng)過粒子群算法優(yōu)化神經(jīng)ure Diagnosis Expert System[ C].ICTD'95, 199: 27-30網(wǎng)絡(luò)之后,電路的診斷率得以提高,并且有效地防止11]. hao Z Y. Introduction to fuzzy theory and神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)陷入局部的最優(yōu)值,節(jié)省了訓(xùn)練時(shí)間。說their application[ M]. Tsinghua University Press, 1996: 165-169明粒子群算法結(jié)合BP網(wǎng)絡(luò)能夠更有效地對(duì)故障進(jìn)[12] Damian Grzechca, Jerzy Rutkowski. Use of Neural Networks andFuzzy Logic to Time Domain Analog Testing[C]. ICONIP'02行診斷,可以放心地用于雷達(dá)模擬電路故障診斷中。2002,5:2601-2604參考文獻(xiàn)[13]周凱.無約束的粒子群優(yōu)化算法[J].教育技術(shù)導(dǎo)刊,2008[1]Feng Li, Peng-Yung Woo. Fault detection for linear analog IC-the(12):45-46.method of shortcircuit admittance parameters[[J]. IEEE Transactions[14]李丙春耿國(guó)華基于粒子群優(yōu)化的圖像自適應(yīng)增強(qiáng)方法[J]on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2007(20):49592002:49(1):105-108[15]楊海龍基于智能技術(shù)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣路故障診斷[Z].2008[2] Johnson A Jr. Eficient fault analysis in linear analog circuits[J]責(zé)任編輯:肖濱xOKO+OH(上接第146頁)參考文獻(xiàn):[1]張秀瀅,劉強(qiáng)熱水鍋爐溫度控制的模糊PID參數(shù)自整定方溫度:903.18℃法[J].中小企業(yè)管理與科技,2010(27):324-325熱:4.794uV[2]邱銀安,王加陽熱重分析儀溫度控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J.計(jì)熱重:-24.45mg算機(jī)測(cè)量與控制,2005,13(6):584-586已用時(shí):0時(shí)42分53秒[3]王承君自定義串口數(shù)據(jù)通信協(xié)議的分析與設(shè)計(jì)[J.計(jì)算機(jī)工還剩余:O時(shí)00分42秒程,2004,30(24):192-194.[4]陶永華新型PD控制及其應(yīng)用[M]北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002圖10實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)窗口[5]代林,等.基于模糊控制系統(tǒng)的自整定PD參數(shù)控制器的設(shè)計(jì)[].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2005,24(5):26-295結(jié)束語[6]高海燕等基于PD參數(shù)整定的模糊控制器[J.自動(dòng)化與儀本文根據(jù)熱重分析儀復(fù)雜、特殊環(huán)境下溫度控器儀表,2001,95(3):22-26制的需求設(shè)計(jì)了一套溫度信號(hào)采集及溫度控制方7湯兵勇等模糊控制理論與應(yīng)用技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出案。實(shí)際應(yīng)用表明,選用AD774高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換版社,2001.器,STC8952CRD+單片機(jī)作為溫控制器,通過模糊[8]付光杰等鍋爐水位的參數(shù)自調(diào)整Fuy-P控制[J.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)PID控制的方法,可實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制,且該溫度中國(guó)煤化工責(zé)任編輯:肖濱測(cè)控系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力和控制精度,適用CNMHG于熱重分析儀中溫度的采集和控制。