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1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理
系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括MCU、RS232接口、USB接口、鍵盤和LCD顯示等部分，其中MCU選用C8051F060單片機。
利用Pt100溫度計和調(diào)理電路將恒溫槽內(nèi)實際溫度轉(zhuǎn)換為C8051F060能夠處理的電壓信號。C8051F060將采集的溫度值和設(shè)定的溫度進行比較與處理，控制功率驅(qū)動電路驅(qū)動執(zhí)行器，增加或降低恒溫槽內(nèi)溫度，使得恒溫槽內(nèi)溫度恒定在設(shè)定值。RS232接口可實現(xiàn)溫控系統(tǒng)與PC機通訊，實現(xiàn)PC機在線處理溫度信息的功能；通過USB接口可將系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)存儲于U盤中，可大大提高數(shù)據(jù)存儲容量和歷史數(shù)據(jù)采集時間。
1.1溫度測量電路
對于采用Pt100鉑電阻進行溫度測量的系統(tǒng)，導(dǎo)線自身電阻對測量精度具有較大的影響。采用四線制測量電路，導(dǎo)線雖有電阻但無電流，避免了導(dǎo)線自身電阻產(chǎn)生的誤差，提高了測量精度。因此，該文選用四線制測量電路。 OP27(1)與OP27(2)組成一個恒流源，為Pt100提供1mA的恒定電流。隨著恒溫槽內(nèi)溫度的變化，Pt100的阻值相應(yīng)改變。由于電流恒定，則Pt100的端電壓間接反映了恒溫槽內(nèi)溫度的變化。OP27(3)組成放大增益為10的差模放大電路，可將Pt100端電壓調(diào)整為適合于C8051F060的ADC0檢測信號。在實際應(yīng)用中，圖2中的電阻須選用千分之一的精密電阻，否則將出現(xiàn)恒流源電流失穩(wěn)，影響系統(tǒng)溫度測量的精度。
1.2系統(tǒng)電源
如要保證溫度的測量精度，首先必須有一個可靠、穩(wěn)定的系統(tǒng)電源。系統(tǒng)中所用的電源主要有+12V、-12V、+3.3V以及+5V。其中，+12V和-12V為溫度測量電路提供電源，必須具有很小的紋波電壓。+12V電源原理圖如圖3所示，-12V與+12V原理圖類似。圖3中，LM317為1.2V～37V范圍的調(diào)壓器，輸入與輸出電壓差zui大40V，輸出端接1mH的電感L，可減小LM317輸出電壓的紋波。
1.3串口通訊與USB接口
串口通訊選用Maxim公司的MAX3232，完成C8051F060與PC機的電平轉(zhuǎn)換，通訊方式為方式1。選用符合USB1.1協(xié)議規(guī)范的USB總線芯片CH375作為C8051F060與U盤存儲設(shè)備的接口，實現(xiàn)恒溫槽溫度實時數(shù)據(jù)存儲。
2溫度控制算法
溫度控制系統(tǒng)是變參數(shù)、大慣性、大延時和隨機干擾很強的動態(tài)系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中，恒溫槽溫度控制過程具有非線性、時變不確定性，難以建立的數(shù)學(xué)模型[6]。應(yīng)用常規(guī)的PID控制不能達到理想的控制效果，存在超調(diào)量大、穩(wěn)定周期長、控制參數(shù)難于整定等問題[7]，不利于實現(xiàn)高精度控制。基于上述情況，該文選用模糊控制與標(biāo)準(zhǔn)PID控制算法結(jié)合在一起的模糊PID復(fù)合控制算法，實現(xiàn)系統(tǒng)的溫度高精度控制。從系統(tǒng)控制算法復(fù)雜性方面考慮，如用二維或三維模糊控制算法，則大大增加了系統(tǒng)控制的復(fù)雜性。通過實際多次測試表明，模糊控制采用一維控制，可*達到所需的控制精度、響應(yīng)速度等，控制原理圖如圖4所示。其中，t為設(shè)定溫度值，e為設(shè)定溫度值與實測溫度值y的偏差。
當(dāng)設(shè)定值與實測溫度值e大于設(shè)定閾值時，采用PID控制；當(dāng)設(shè)定值與實測溫度值小于設(shè)定閾值時，采用模糊控制，模糊控制器的輸入為溫度偏差e，通過偏差e控制模糊控制器。模糊控制規(guī)則為如表1
3軟件設(shè)計
恒溫槽溫度控制系統(tǒng)軟件采用C語言，主要包括主程序、中斷程序、模糊控制程序以及PID控制程序等。主程序主要完成設(shè)定溫度讀取、判斷溫度偏差大小、模糊控制和PID控制算法選擇、調(diào)用模糊控制或PID控制子程序等，主程序流程圖如圖5所示。其中，ε為系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)下的zui小溫度誤差；γ為判斷采用模糊控制和增量式PID控制溫度閾值,實際取值為5℃。
4試驗結(jié)果與分析
本系統(tǒng)試驗過程中，恒溫槽介質(zhì)為甲基硅油，溫控范圍為-30℃～150℃，測試點選用310K～380K，溫度采集間隔為0.5s，采集時間為100s。部分測試結(jié)果如圖6所示。
經(jīng)過大量溫度控制效果測試，依據(jù)恒溫槽溫度波動度的定義[8]，計算出該恒溫槽各點溫度波動度均小于±7mK。
5結(jié)論
針對熱物性測試所用恒溫槽要求，設(shè)計了一種一維模糊控制與增量式PID混合溫度控制策略，其主要利用實測溫度與設(shè)定溫度偏差的值判斷采用模糊控制或增量式PID控制。該控制方法大大提高了恒溫槽溫度響應(yīng)速度，減少了單片機實現(xiàn)算法的難度。以C8051F060單片機作為主控制器，設(shè)計了實際控制系統(tǒng)。測試結(jié)果表明，該文給出的控制方法是有效的，溫度控制精度符合實際使用要求。 http://liptv.cn/ancimy-ParentList-951412/
