摘要高精度溫度控制對于現(xiàn)代精密測量系統(tǒng)來說具有基礎性的重要地位，為此研究一種有效的高精度溫度控制系統(tǒng)就具有重大意義?，F(xiàn)在一般是使用恒溫箱或恒溫室為精密儀器提供恒溫環(huán)境，但是由于其所采用的控制算法不能滿足精度要求，所以必須在深入學習現(xiàn)有控制算法的基礎上，研究出新的有效的控制策略。本文中主要以PID算法為主要研究對象，為克服PID算法適應能力弱的缺點，結合模糊理論研究了一種基于模糊推理的自適應PID控制算法。文中利用Matlab對不同的控制算法進行了仿真實驗，發(fā)現(xiàn)基本PID控制最大的缺點就是控制器參數(shù)不能隨被控對象的改變而改變，因此不能滿足在高精度控制領域中時變系統(tǒng)的控制精度要求;而模糊控制以其魯棒性強，對參數(shù)變化不敏感等優(yōu)點已經在多個領域有著廣泛的應用。為此將模糊推理引入到PID控制策略中，仿真試驗證明基于模糊推理的自適應PID控制算法提高了傳統(tǒng)PID算法的適應能力及控制精度。另外結合項目要求進行了恒溫箱的機械結構部分和測量控制部分軟硬件的設計。經過機械結構設計使恒溫箱內的空氣流動變?yōu)榛钊綒饬?，保證了恒溫箱工作區(qū)域內溫度場的均勻性。同時結合Labview和Matlab軟件，編寫出恒溫箱溫度測量控制軟件。編程中使用了Labview的ActiveX技術調用Matlab的腳本節(jié)點，利用Matlab強大的數(shù)據處理和控制系統(tǒng)工具箱實現(xiàn)了在Labview中劉-恒溫箱進行高級算法控制的目的。最后針對己建立恒溫箱系統(tǒng)利用不同的控制策略進行了實驗研究。通過對實驗數(shù)據的研究和分析表明恒溫箱內溫度的控制穩(wěn)定性小于0.05℃，證明本文中所使用的模糊自適應PID控制算法和恒溫箱系統(tǒng)設計的合理性和有效性。關鍵詞:恒溫控制PID模糊自適應PID模糊控制labviewMatlabTitle:TheresearchoftheHighprecisioncontroltheoryandthesystemdesignofconstanttemperatureboxThehighprecisiontemperaturecontrolisveryimportantinthemodernprecisionmeasurementsystem;therefore,theresearchofhighprecisiontemperaturecontrolmakeslotsofsense.Butthenormalcontroltacticscannotsufficethedemand,sothenewtacticsmustbestudiedontheexitingones.ThePLDcontrolarithmeticisthemainresearchobjectinthisthesis.TogetoverthePID’Sshortcoming,thestudyoffuzzyself-adaptingcontrolarithmeticisdone.BytheMatlabsimulation,themaindisadvantageofthePIDarithmeticisfound,whichistheparameterofPIDcontrolcannotadaptthevarietyofobject.Sothecontrolprecisionislimitedwhentheobjectistime-variational.Thefuzzycontroltheoryisappliedinmanyfieldsbecauseofitsrobustnessandinsensitivity.Thereforethetwoarithmeticarecombinedtobeafuzzyself-adaptingcontrolarithmetic,whichisprovedbytheemulatorthatcanimprovethenormalPID’Sadaptabilityandprecision.Themechanicalstructureoftheboxisdesignedandtheprogramofthetemperatureandcontroliscompiledaccordingtothedemandoftheproject.Bythemechanicaldesign,theairintheboxturntobeapistondistribution,whichmakesthetemperature’sequalityisimproved..TheprogramiscombinedthestrongpointofMatlabandLabview,whichusestheMatlabscriptintheLabviewtoimprovetheabilityofdataoperationintheprogram.SotheadvancedcontrolarithmeticcanbeappliedintheLabviewGprogram.Thedifferenttacticsareappliedintheconstanttemperatureboxcontrolsystem.Theexperimentdatashowsthatthestabilityislessthan0.05℃,whichprovestherationalityandthefuzzyself-adaptingcontrolarithmeticandconstanttemperaturecontrolsystemdesign.Keywords:constanttemperaturecontrol;PID;fuzzyself-adaptingcontrolarithmetic;fuzzycontrol;Matlab;Labview第一章緒論1.1課題來源及研究意義本課題來源于國家自然科學基金、國際合作與交流項目資助測量關鍵技術與系統(tǒng)研究。隨著現(xiàn)代納米科學的發(fā)展，測量系統(tǒng)的精度也必須達到納米級。而納米三維測量系統(tǒng)中的基礎技術就是環(huán)境控制。測量環(huán)境的控制是達到納米級測量精度的基礎。這是因為所有的物體都存在熱脹冷縮現(xiàn)象，如果被測物體和測量儀器在一個溫度波動范圍很大的環(huán)境中工作，其測量誤差會非常的大。如普通鋼材的熱膨脹系數(shù)為20x10一“/℃。對于0.01m的鋼材在溫度變化1℃的時候其變形量可以達到20Onm。即使是錮鋼合金(INVAR認R，InvariableAlloy，膨脹系數(shù)僅為1.2只10一6/℃)在相同的條件下變形量也達到12nm。因此環(huán)境控制，特別是溫度控制是納米級精密測試系統(tǒng)的基礎，進行高精度的溫度控制機理的研究就具有基礎性的研究意義。目前，一般采用的溫度控制措施是將高精密納米測量儀器放置在恒溫室或者恒溫箱內。這種恒溫裝置一般是用壓縮機組作為溫控元件來控制溫度的。這種方式不僅造價昂貴而且其控制精度和穩(wěn)定性都不理想。這是由于壓縮機的工作不能達到零點啟動，造成恒溫室內溫度的波動.比較大;而且壓縮機的啟動和停止會帶來很大的振動，這種振動會給納米級測量帶來更大的測量誤差。同時普通的恒溫裝置中所使用的控制算法一般為開關控制和PID(ProportionalIntegralDerivative比例積分微分)控制。這種控制算法也不能滿足納米級測量系統(tǒng)對溫度控制的精度要求。如果將這個恒溫室小型化為一個恒溫箱，并采用沒有機械振動的半導體制冷片作為制冷元件，這樣不僅能減少溫度的控制誤差也可以消除振動的干擾，同時可以降低高精度測量環(huán)境的建設成本。‘綜上所述研究小型的超高精密的恒溫納米測量箱具有重要的科研意義。1.2國內外研究現(xiàn)狀微觀尺度的測量系統(tǒng)早期是采用光學顯微鏡，爾后出現(xiàn)了掃描電子顯微鏡。1982年G.Binnig、H.R0hrer等人發(fā)明了掃描隧道顯微，將納米尺度的二維測量與一維位移的測量相結合，首次實現(xiàn)了納米尺度的三維測量。根據掃描隧道顯微鏡的基木原理，現(xiàn)在已發(fā)展了一系列具有納米級精度的掃描探針顯微鏡，如原子力顯微鏡、激光力顯微鏡、磁力顯微鏡、靜電力顯微鏡、導彈電子發(fā)射顯微鏡、掃描離子導電顯微鏡、掃描近場光學顯微鏡、光子掃描隧道顯微鏡、掃描熱顯微鏡等。這些新型的顯微鏡技術都利用探針與樣品的不同的相互作用來探測表面在納米尺度上表現(xiàn)出來的物理和化學性質，而這些物理化學性質可以在眾多的學科中帶來深層次的影響。所以進行精確的納米，尺度的測量和計量是世界各個國家重點研究的方向，其中一些國家已經取得了一些成果。1.2.1美國NIST的MMM美國國家標準技術研究院(NIST)于1987年在Teague博士的領導下開始進行研究分子測量機(MolecularMeasuringMachine，MMM)的計劃，主要是希望建立國家級線柵尺的校正標準。希望達到分辨率小于1nm及總體精度10nm的指標。其內核測試環(huán)境溫度控制達到20℃士0.005℃?？刂葡到y(tǒng)采用了基于VME總線的以DSP為核心的高精度多通道測控系統(tǒng)，以保證高精密的納米測量環(huán)境。圖l一2分子測量機(MMM)結構圖圖1一2為其實物照片及結構圖，可以看出測量內核是在重重環(huán)境保護罩內工作的。在這些保護罩下可以得到隔振、隔音、真空、恒溫、恒濕等功能。MMM在設計上采用球形結構，其優(yōu)點是剛性好和易于控溫。其測量核心.部分的材料是直徑為35。m空心高導無氧銅球結構。選擇這種材料和結構的原因為:(1)平衡穩(wěn)定熱梯度的能力由其熱傳導性與其熱膨脹系數(shù)之比所確定;(2)平衡瞬間熱效應，由其擴散性，即熱傳導率與其密度與熱乘積之比所確定。(3)剛性材料彈性模量與其密度之比確定。要求對于靜態(tài)和動態(tài)載荷的響應最小。(4)對于瞬間激勵由其阻尼能力確定其響應。(5)在點或小局部區(qū)載荷下的材料變形，由材料的彈性模量確定。圖1一3分子測量機(MMM)如圖1一3所示其環(huán)境隔離系統(tǒng)。系統(tǒng)包括溫度控制殼和核心機構中的振動聲隔離殼。其中溫度隔離殼是保證核心機構能夠工作在恒溫區(qū)域的重要部分。整個儀器的外部工作溫度是24’C，對于放置核心機構和樣品的工作空間(真空1Om℃的溫度穩(wěn)定性。核心機械和控制殼都是由空心高導無氧銅制成，并且電鍍金，以改進熱輻射偶合的表面的長期抗腐蝕。為保護整個儀器，并為樣品提供干凈的測量環(huán)境，儀器建于10級超凈區(qū)內。區(qū)內包括計算機控制間、超凈測量間、樣品準備間、樣品準備安裝室、超凈隔離間等128m2的工作面積。超凈區(qū)位于地下實驗室的封閉空間的水泥塊防震地基上。工作時要關掉所有通風扇，以避免機械振動所帶來的測量環(huán)境干擾。這樣提供了安靜的、振動最小的恒溫測量環(huán)境。1.2.2東京大學的Nano一CMM141日本東京大學的.KTkaamasu教授等學者在研究納米三坐標測量機Nnao一CMM系統(tǒng)時也充分考慮到了環(huán)境對測量儀器及測量過程的影響。他們的實驗數(shù)據表明:Nnao一CMM放置在恒溫箱內時，如果其測量環(huán)境的溫度變化在0.11℃的情況下，儀器水平位置變化30nm;而如果Nna。一CMM不在恒溫箱中時，當溫度變化了.056℃，工作臺會產生180nm的變形。由此可見納米測量環(huán)境的建立是對高精密測量具有重要的作用。1.2.3韓國BupE的超高精度eMMI’l韓國BUpE(BillionthuneertaintyPreeisionEngineering)在實施UpCMM(UlrtaPrecisoinCMM)研究計劃時也提出了設計制造小型的恒溫恒濕抗振潔結構，即絕熱層、隔音層、真空層和測試層，控溫目標要達到20”C士0.001℃。其研究表明:當溫度變化1℃的時候，由于系統(tǒng)的機械熱變形所引起的相對不確定度的誤差就可以達到10一sm。此外，溫度的不穩(wěn)定會導致空氣折射率的變化，從而使外差式雙頻激光干涉儀的額外誤差達到10一6m/。很大的影響圖1一4雙頻激光干涉儀溫度漂移為此其溫度控制上采用的方案為多層小型箱式溫度控制系統(tǒng)。如圖1一5。圖1一5BUPE恒溫箱結構圖可以看出其第一層箱體可以提供給整個儀器一個相對低波動性的溫度環(huán)境。其波動范圍為0.1℃。第二層是作為控制環(huán)節(jié)的中間層。使用一個可以產生熱量的馬達，并在激光光源上固定熱管，以傳遞所產生的熱量。這一層的溫度波動范圍為0.01℃。最后一層是工作核心層，在這一層內實現(xiàn)高精度的定位測量。其內部為真空環(huán)境。所有的熱量都從這個層內移走，最終達到0.001℃的溫度波動性。整個的三層溫度控制是一個系統(tǒng)化的控制過程，從而達到最終的控制目標。另外，每一個隔離層上都鍍膜并抽成真空狀態(tài)，這樣不僅可以隔熱，同時也可以達到隔聲和隔振的功能。1.3課題研究目標及主要研究內容1.3.1高精密溫度控制機理研究課題所要求的研究目標為恒溫箱內溫度的控制穩(wěn)定性小于0.05℃。為實現(xiàn)對環(huán)境溫度的高精密控制就必須研究高精密溫度控制的理論及方法。因此首先要著重研究高準確度的溫度控制理論以及對溫度實施高準確度的閉壞控制技術，以利用先進可靠的控制算法來實現(xiàn)對溫度的高精密控制。1.3.2測控系統(tǒng)的設計由于整個溫度控制系統(tǒng)必須有很多的儀器組成，如制冷器、溫度傳感器以及控制器組成，其中有很多的數(shù)據采集、處理以及輸出通訊功能，所以必須設計一個先進的智能人性化的測控系統(tǒng)來協(xié)調各個部分，包括各種器件的選擇以及信號調理電路的設計等。1.3.3實驗研究最后以一個恒溫箱為實驗對象，利用Lbaview和Matalb軟件對幾種控制算法進行評定，通過分析實驗數(shù)據判_斷各個控制算法的效果。第二章PID控制及模糊控制概述2.1PID控制概述PID(比例Pproportional、積分1Integral和微分DDerivative)控制方法是經典控制算法中的典型代表。在實際的過程控制和運動控制中，PID家族占有相當?shù)牡匚?。據統(tǒng)計，工業(yè)控制的控制器中PID類占有90%以上。PID控制策略是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，所以適用面很廣，使用也很方便簡單。尤其適用于可建立精確數(shù)學模型的確定性控制系統(tǒng)。然而實際被控過程往往具有非線性、時變不確定性，難以建立精確的數(shù)學模型，應用常規(guī)的PID控制算法不能達到理想的控制效果。隨著計算機技術和智能控制理論的發(fā)展為復雜動態(tài)不確定系統(tǒng)的控制提供了新的途徑。2.1.1模擬PID控制原理模擬PID控制系統(tǒng)的原理框圖如圖2一1所示，系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成.理想的PID控制器根據給定值(rt)與實際輸出值c()t構成的控制偏差：將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。其控制規(guī)律為：或寫成傳遞函數(shù)的形式:G(s)=U(s)E(s)_K(l+上十T，、、F、尸r~“1一含(2一3)式中:Kp是比例系數(shù)，Ti是積分時間常數(shù)，Td是微分時間常數(shù)。簡單說其比例、積分和微分環(huán)節(jié)的作用為:比例環(huán)節(jié):即時成比例的反應控制系統(tǒng)的偏差信號(e)t，偏差一旦產生，制器立即動作以減小誤差。積分環(huán)節(jié):主要作用是消除靜差，提高系統(tǒng)的控制精度，積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)Ti,T1越大，積分作用越弱，反之越強。微分環(huán)節(jié):能反應偏差信號的變化趨勢(變化速率)并能在偏差信號值變得太大之前引入一個修正信號，從而減小系統(tǒng)的超調，加快系統(tǒng)的過渡過程，從而減小調節(jié)時間。2.1.2數(shù)字PID控制原理模擬PID控制器的輸入輸出量均為模擬量，如電壓、電流。而當使用計算機實現(xiàn)控制算法時其輸出必須為數(shù)字離散量。所有首先必須將上述的PID控制規(guī)律的連續(xù)形式變成離散形式,然后才能編程實現(xiàn)。PID控制器算法的離散形式為:或者;式中：T采樣周期K采樣序號2.2PID控制器的參數(shù)整定方法由于PID控制器的輸出為系統(tǒng)偏差的比例、微分和積分作用后的線性組合，所以調整各個部分的線性系數(shù)就是PID控制器控制性能好壞的關鍵。必須針對具體被控對象對PID控制器參數(shù)進行整定18一”l。2.也叫經驗法，是根據調節(jié)器參數(shù)Kp、Ki和Kd對系統(tǒng)響應的作用后反復湊試，直到達到滿意的輸出響應。湊試法的步驟就是先調試比例系數(shù)Kp，再調積分系數(shù)K:，最后調微分系數(shù)Kd。將調節(jié)器的各個參數(shù)進行逐個湊試，各個參數(shù)的調整均按由小向大的順序進行。2.2.2擴充臨界比例度法:本法是由Zigeelr和Nihcosl提出的一種PID參數(shù)整定方法。這是一種基于系統(tǒng)的臨界振蕩參數(shù)的閉環(huán)整定方法。實質上是模擬調節(jié)器中采用的穩(wěn)定邊界法的推廣。在閉環(huán)控制系統(tǒng)里，將調節(jié)器置于純比例作用下，從小向大逐漸改變調節(jié)器的比例值，得到等幅振蕩的過渡過程。此時的比例值稱為臨界比例值Ku，相鄰的兩個波峰間的時間間隔稱為臨界振蕩周期TL.，如圖所示，求得Ku和T。后，根據臨界振蕩整定計算公式就可以確定PID參數(shù)。2.2.3過渡過程響應法本法是由Cohell和Coon提出的，所以又稱為C一C法。該算法是將被控對象近似為帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。通過開環(huán)實驗，測得系統(tǒng)單位響應階躍曲線，可確定純滯后時間T和時間常數(shù)T，進而根據公式確定PID參數(shù)。其各種控制方法參數(shù)確定公式如下:對于比例控制:對于比例積分控制:對于比例積分微分控制:利用響應曲線的調節(jié)器參數(shù)整定方法對于不確切知道廣義過程動態(tài)特性的階數(shù)或參數(shù)值的情況下特別有用，因為其響應曲線揭示了全部動態(tài)環(huán)節(jié)(被控過程，測量環(huán)節(jié)和執(zhí)行環(huán)節(jié)等)，并能提供廣義過程的實驗近似模型。2.3大純滯后過程的控制由于介質溫度的變化實質上是能量傳遞的結果，其溫度參數(shù)不可能發(fā)生很快的變化。所以一般情況下，溫度對象都是含有純滯后環(huán)節(jié)的。對于此類的系統(tǒng)，采用普通PID控制器很難達到所希望的控制效果。只有采用特殊的控制算法才能達到預期的動態(tài)響應。過程的純滯后對控制系統(tǒng)品質的影響不是取決于;的絕對值的大小，而是與過程慣性時一間常數(shù)T之比(:T/)的大小有關。通常當:T/>0.5時一，就可以當做是大純滯后過程來加以控制了。2.3.1施密斯(smtih)預估補償控制施密斯S(mtih)預估補償控制的思路就是引入合適的反饋補償環(huán)節(jié)，使系閉環(huán)傳遞函數(shù)的分母項中不含有純滯后環(huán)節(jié)沙。2.4模糊理論概述從1965年美國著名控制理論學者L.A.zadeh發(fā)表開創(chuàng)性的論文《FuzzySets》(《模糊集》)，首次提出了一種完全不同于傳統(tǒng)數(shù)學與控制理論的模糊集合理論，到1986年世界上第一塊基于模糊邏輯的人工智能芯片在著名的Bel實驗室研制成功，其間只經歷了短短的20年。這一事實足以說明模糊控制理論這門新興的學科具有強勁的生命力和令人鼓舞的應用前景。模糊控制理論之所以能在信息時代獲得如此迅速的發(fā)展，是由于它提供了一種新的數(shù)學工具和手段，主要表現(xiàn)在以下三個優(yōu)點:其一，模糊理論給出了一套表現(xiàn)自然語義的理論于方法，使自然語一言能夠轉化成機器可以“理解”和接受的東西，提高了機器的靈活性。其二，模糊理論給出了模糊邏輯和近似推理的理論和方法，用簡潔的軟、硬件就可以使機器變“聰明”，智能程度提高。已經實現(xiàn)的家電模糊控制產品和工業(yè)的模糊控制系統(tǒng)都證實了這一點。其三，模糊理論比一般的數(shù)學理論應用更廣，除自然科學和工程技術領域外，它將為社會、經濟、哲學、心理、教育、管理等人文學科提供數(shù)學描述的語言和工具，將有理的促進這些學科的發(fā)展。模糊控制就是以模塊數(shù)學為基礎，將精確量模糊化成“自然語一言”的模糊量，然后利用模糊推理規(guī)則將這些模糊量按照人類的思維方式進行運算，并輸出一個模糊的運算結果。最后將這個模糊輸出進行去模糊化，得到一個可是在控制系統(tǒng)中使用的精確量。這反映人們在對被控過程進行控制時，不斷將觀察到的過程輸出精確量轉化為模糊量，經過人腦的思維與邏輯推理取得模糊判決后，再將判決得到的模糊量轉化為精確量，去實現(xiàn)手動控制的整個過程?？梢?，模糊控制器體現(xiàn)了模糊集合理論、語言變量及模糊推理在不具有數(shù)學模型，而且控制策略是以語言形式定性描述的復雜被控過程中的有效應用。;2.5基本模糊控制器的設計步驟要設計一個模糊控制器，通常有以下五個步驟:(1)確定模糊控制系統(tǒng)結構:該步驟所完成的工作就是確定模糊控制器的輸入量和輸出量。(2)精確量的模糊化:即實現(xiàn)輸入量的精確量的模糊化，通過量化因子將精確量變化的范圍(基本論域)模糊化成在模糊集論域范圍內。(3)模糊控制算法的設計:通過一組模糊條件語句構成模糊控制規(guī)則，并計算模糊控制規(guī)則決定的模糊關系。(4)輸出信息的模糊判決:完成從模糊量到精確量的轉化。(5)查詢表的建立。第三章恒溫箱數(shù)學模型的確定及PID控制仿真對系統(tǒng)進行仿真研究是在設計控制系統(tǒng)時較重要的一步。系統(tǒng)仿真是根據被研究對象的數(shù)學模型研究其系統(tǒng)性能的一門學科，利用仿真可以發(fā)現(xiàn)控制算法能否達到控制要求以及控制中所出現(xiàn)的問題，從而改進控制算法。這樣可以大大降低系統(tǒng)開發(fā)成本，提高設計效率。Matlab是現(xiàn)在功能非常強大的一款數(shù)學分析軟件，利用它以及其中的眾多工具箱可以非常方便的進行數(shù)學分析及系統(tǒng)仿真。所以本章中就重點討論恒溫箱數(shù)學模型的確定及其利用Mailba進行仿真的結果。3.1恒溫箱機械結構設計恒溫箱溫度控制系統(tǒng)不僅要求能夠將恒溫箱內部的溫度保持恒定，還要求整個空間中保持一定的溫度均勻性，同時在恒溫箱內不可以出現(xiàn)大的空氣流動和溫度死角，所以必須對恒溫箱的機械結構進行特殊設計。這里我們采用立方體結構多工作腔的機械結構，即在立方體的箱體結構中劃分出恒溫腔、恒壓腔和制冷腔三個工作腔。如圖3一1、3一2。整個箱體內部是通過空氣的流動來達到溫度恒定的?？諝馔ㄟ^回風口從恒溫腔中流入半導體制冷片的制冷端，經過冷卻后，在制冷腔中經過一次混合使空氣的溫度比較均勻。這些空氣再從制冷腔中由交流風扇吹入恒壓腔。通過氣流的流動，使制冷片上產生的冷量傳遞到恒溫腔內，保證恒溫腔內空氣溫度的穩(wěn)定并使空間內的溫度場均勻。溫度的穩(wěn)定性主要由控制半導體制冷片的工作電流達到。而溫度場的均勻性是由機械結構設計來保證的。其中包括恒壓腔、導風口和孔板這三個部件。恒壓腔的主要功能就是將從制冷腔中流入的空氣再次混合，使其溫度進一步均勻，同時使吹向恒溫腔中的空氣的氣流組織更均勻，以使恒溫腔中溫度場達到系統(tǒng)要求的均勻度。恒壓腔中由導風口和孔板使氣流組織更均勻。導風口是一個漏斗型的器件，氣流經過導風口后可以均勻分布在一定的區(qū)域內?？装迨且粔K50x50cm的樹脂板，在上面均勻的打上小洞(如圖3一4)。這樣由于恒壓腔內的壓力要高于恒溫腔內的壓力，在孔板兩側有一定的壓差，從而使從恒壓腔流向恒溫腔的氣流成為活塞式氣流。這樣的氣流在恒溫腔內可以均勻的分布，而且不會有造成很大的風，最終使整個恒溫腔內溫度場可以均勻。整個箱體外面有80mm的超細保溫棉填充層，以降低箱體內部與環(huán)境的熱交換。制冷腔與其余兩腔用一鋼板隔離，鋼板內也塞入保溫棉，以保證恒壓腔和恒溫腔是一個獨立工作區(qū)域，不與后面的制冷腔發(fā)生熱交換。3.2恒溫箱數(shù)學模型的確定溫度是表征物體內部分子熱運動活躍程度的一個物理量。這就說明溫度的變化過程實際上是能量的獲得和損失過程。所以溫度不會有過大的跳躍性變化。從眾多的文獻資料中發(fā)現(xiàn)，恒溫箱的溫度控制過程是一個一階純滯后的控制過程。所以在進行Matlab仿真的時候選擇的被控對象數(shù)學模型為:通過實驗可以獲得恒溫箱的階躍響應溫度變化曲線。3.3PID控制的Matlab仿真這里利用Matlabsimulnik工具進行了幾種PID控制方法的仿真實驗其Simulink仿真框圖為(3一9):3.雖然比例控制中，只要存在余差，控制器就立即動作，但是Kp的大小卻對控制效果有很大的影響。當KP=1時，其階躍脈沖響應為:可以看出，因為比例系數(shù)太小使得系統(tǒng)響應不能達到設定值。這樣的KP是不合適的，應該將比例系數(shù)增大。當KP=13時，其響應曲線為:當KP=13的時候，系統(tǒng)的階躍響應就發(fā)生了發(fā)散振蕩，導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定?？梢钥闯觯^大的KP有會引起振蕩。經過多次仿真，得到當KP=5.3時，系統(tǒng)響應比較理想，如圖3一12:可以看出，純比例控制不能消除余差，而且過渡過程很長，超調也非常大。所以在精密控制中使用純比例控制不能達到控制精度要求。33.2比例積分控制為了彌補純比例控制的缺點，引入了積分環(huán)節(jié)。當Kp=4，Ki=0.002的時候，其階躍響應曲線為:引入積分作用后，控制器的穩(wěn)態(tài)增益增大，接近oc。從而可以消除余差但是積分作用導致控制器的頻率特性的相位滯后，導致閉環(huán)系統(tǒng)振蕩傾向增強，穩(wěn)定裕度下降。同時使閉環(huán)響應動態(tài)特性的階數(shù)增加，使響應變慢。當Ki增大到0.005時，·系統(tǒng)的階躍響應出現(xiàn)了超調，且過渡時間也相應的增加，控制效果反而降低。所以過大的Ki不利于減小超調，不能減小振蕩，會使系統(tǒng)不穩(wěn)定。3.3.3比例積分微分控制為能反應偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調節(jié)時間，就要引入微分環(huán)節(jié)。其中KP=3，KI=0.002，KD=50時的階躍響應為:可以看出，引入微分環(huán)節(jié)后系統(tǒng)階躍響應的過渡過程縮短了。系統(tǒng)響應有很大改善。比例積分微分控制在一定程度上是可以滿足控制精度要求的。但是如果其各項系數(shù)如果調試得不合適，會使控制性能大為下降。3.5PID控制算法的不足在控制過程中，被控對象隨著負荷的變換或者干擾因素的影響，其對象參數(shù)或結構常常發(fā)生變化。這種變化對于工業(yè)過程是可以忽略的，但是對于精密控制而言是不可忽略的。特別是溫度對象。由于任何物質都存在分子熱運動，溫度所受到的干擾也是非常復雜的，很難得到一個物體的精確溫度數(shù)學模型。而且即使得到了對象在某一個狀態(tài)點下的數(shù)學模型，當環(huán)境變化了其模型參數(shù)也會發(fā)生變化。而PID控制算法的最大缺點就是其中的各個參數(shù)只是針對特定的對象才能使控制器達到最好的控制效果。如果被控對象的參數(shù)發(fā)生變化時，控制精度就會降低，甚至發(fā)生振蕩發(fā)散。而Smiht預估PID控制算法更是要求精確的得到被控對象數(shù)學模型，否則其預估補償效果就大大降低。這里將式(3一2)的各個參數(shù)進行改動后重新進行了仿真以驗證PID算法的適應性。當被控對象為:PID控制器的控制參數(shù)仍然為KP=3，KI=0.002，KD=50時得到的階躍響應曲線為：同樣應用smith預估控制算法來控制式(3一3)的對象得到的階躍響應曲線為：第四章恒溫箱測控系統(tǒng)的硬件設計5.1恒溫箱控制系統(tǒng)的硬件設計由于恒溫箱內需要布置若干個溫度傳感器以保證箱體內的溫度場信號可以實時的反應出來，同時制冷執(zhí)行器件也需要根據恒溫箱內的溫度信號而調整其制冷量，所以必須建立一個溫度測量與半導體制冷片驅動控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)圖如5一l。由圖5一1可以看出，這個測控系統(tǒng)是基于PC機的，通過PCI總線將PCI一9114據采集卡上采集到的溫度信號傳入PC。通過基于PC的軟件計算出相應的控指令，這些指令通過串口傳入程控電源上，由程控電源調節(jié)輸出相應的直流流以驅動半導體制冷片工作。整個系統(tǒng)的測量要求為:恒溫腔內測量精度0.01℃，測量分辨率0.001℃。制精度為0.05℃，溫度波動度為0.05℃4.2溫度傳感器的選擇及信號調理電路設計溫度傳感器的選擇是能否達到理想的控溫精度的關鍵。溫度檢測方法根據敏感元件和被測介質接觸與否，可以分為接觸式和非接式兩大類。接觸式檢測方法主要包括基于物體受熱體積膨脹性質的膨脹式溫檢測儀表;基于導體和半導體電阻值隨溫度變化的熱電阻溫度檢測儀表;基熱電效應的熱電偶檢測儀表。而非接觸式的主要是利用物體的熱輻射特性與度之間的對應關系對溫度進行檢測。由于這里被測物體為空氣，所以沒用必使用非接觸式的傳感器。常用的接觸式溫度傳感器有，鉑電阻、熱電偶和半導體熱敏電阻。比較其點為:熱電偶具有測溫范圍廣C200一1800℃)、測量精度高、便于遠距離、多點、中檢測和自動控制等優(yōu)點。但是其自由端需要溫度補償，而且在低溫常溫段測量精度較低等缺點。半導體熱電阻其靈敏度高、_巨體積小、結構簡單等優(yōu)點。但是其互換性較測量范圍有一定的限制。鉑電阻的測量精度高，t一般都是以鉑電阻作為標準溫度測量元件。標準鉑阻可以用一種嚴密、合理的方程來描述其電阻值與溫度的關系。但是其龐大體積和使用環(huán)境的要求限制了其的應用。綜合上述各個傳感器的優(yōu)缺點，這里溫度傳感器的選擇如下:AD590集成溫度傳感器用來測量半導體制冷片制冷端的溫度，用以觀測制片的工作狀態(tài)。所以其測量精度和分辨率為05口C。Pt100精密鉑電阻溫度傳感器用來測量恒溫腔內的溫度并作為測量信號傳控制器。利用專門開發(fā)的精密測量儀表將鉑電阻上的溫度信號通過RS一232入PC機里以進行控制計算。其測量精度為0.01℃，測量分辨率為0.001℃。2.1AD590集成溫度傳感器AD590是一種2端集成電路式電流輸出半導體溫度傳感器130一3’]。它是以高抗恒流源形式輸出，傳輸線上的壓降不影響其輸出電流值，可以進行遠距離輸。輸出電流與它所感受的溫度成線性關系，其輸出電流與溫度的公式為:而且實驗表明當溫度一定，電源電源波動時，其輸出電流的變化很小。但果電源電源小于4V時，其非線性就比較明顯。所以對AD590的供電必須大于4V。由于每個半導體溫度傳感器的特性不一致，而且其輸出電流與理論值總是有一定的誤差，如圖5一3?？梢钥闯銎湔`差值實際__h是恒定的，可以通過標定來減小這個誤差。同時電流信號一般不能被直接采集需要變換成電壓信號后可以數(shù)字化，所以必須對它們進行標定并進行信號變換。其電路為圖5一4。5.2.2鉑精密溫度測量儀表11由于系統(tǒng)所要求的控溫精度達到0.05℃，所以測量恒溫腔內溫度的信號精度必須高于這個指標。為此特開發(fā)了一個高精度鉑電阻溫度測量儀表。這個儀表是以MSC121O單片機為基礎，以標準鉑電阻為測溫元件構成的高精度溫度測量儀表。系統(tǒng)中使用了四線制鉑電阻和恒流源測溫電路，消除了引線電阻等誤差因素對測量精度的影響。同時提出了利用脈沖電流供電的方法減弱了鉑電阻的自熱效應，保證了測量精度。利用MSC1210單片機中集成的一個高精度、專門用于低頻/低幅值信號采集系統(tǒng)的△一藝型模數(shù)轉換器，對鉑電阻上的溫度信號進行采集。由于其高度的集成化以及采用了高頻過采樣技術，所以降低了對傳感器信號進行濾波的需求，實際上也就取消了信號調理電路，減少了外部干擾對系統(tǒng)的影響，測量精度。該儀表測量系統(tǒng)可以進行溫度的實時顯示和打印，也可以與上位PC進行通訊，將測量數(shù)據實時的傳遞給PC機，利用PC機進行數(shù)據處理。這個儀表的各個參數(shù)為:溫度測量范圍:18℃一22℃，分辨率:.0001℃，準確度:.001℃;5.3制冷元件的選擇5.3.1半導體制冷原理現(xiàn)在比較常見的制冷元件一般是壓縮機和半導體制冷片。而半導體制冷與傳統(tǒng)的壓縮機制冷技術相比有以下特點:首先其結構簡單，整個制冷器由熱電堆和導線連成，工作環(huán)境要求低;半導體制冷片無制冷工質，無任何機械運動部件，無噪聲，無磨損，可靠性高，有可逆性，既可以制冷，又可以通過改變電流方向而制熱。所以使用半導體制冷片為恒溫箱的制冷元件是非常理想的。半導體制冷主要是利用帕爾貼效應P(etlie:EeffcO實現(xiàn)能量的搬移的，即當直流電通過兩種不同導電材料構成的回時，結點卜將產生吸熱或放熱現(xiàn)象。如圖5一6所示。而且實驗證明，結點上的換熱量與電流成正比。半導體結點上除了帕爾貼效應Qp外，還有焦耳效應QJ和富里葉效應綜合各個效應，在一個熱電偶上的產冷量:5.3.2恒溫箱制冷量的計算根據平面熱交換公式[43]:系統(tǒng)中使用了4只MAA050T一12制冷片。這樣整個制冷功率達到60W。以保證在恒溫箱內有其它熱源的情況下也可以達到控溫精度。MAA050T一12制冷片在其熱端和冷端均已裝配好散熱片，以利提高制冷效率。而且為了保持其散熱效果，在散熱片上還固定了兩個直流風扇。這樣使得MAA050-T12外觀尺寸圖MAA05OT一12是穿透式安裝的制冷片，其安裝方式以及在密閉空間內形成的氣流。這種安裝方式使箱子內部與環(huán)境相互隔絕，沒有氣體的交換。這樣可以保證控制效果而且可以保持箱子內部的環(huán)境比較恒定。但是這樣的氣流組織會造成死角，使死角內的溫度不均勻。所以這種安裝形式必須改進為活塞式氣流組織。半導體制冷片是使用直流電工作的，對于電壓的脈動范圍有要求。過大的紋波會使制冷片的制冷效率降低。所以其供電電源也必須加以選擇。MAA05O不12穿