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摘要 本文描述了溫控箱的工作原理，本恒溫箱控制器控制模式的特殊性。恒溫箱所用到的PID 算法與普通的PID 算法有很大的區(qū)別。改進后的PID 算法可適應恒溫箱熱慣性大和反饋信號與控制輸出滯后大的特點。以及將AVR mega128 的A/D 采集通道采集的數(shù)據(jù)處理成18 位分辨率的原理。描述了如何通過過采樣和數(shù)字濾波來提高反饋數(shù)據(jù)的分辨率。
關鍵詞 PID 調節(jié) 高精度 數(shù)字濾波
1 引言
在某化工廠里使用一種恒溫控制箱，用于在某一特定設置的高溫下加熱某種化學產(chǎn)品，存儲加熱到一定時間后，對本產(chǎn)品的化學成分進行分析，可得出該產(chǎn)品的使用儲存期限，或本產(chǎn)品當時的使用效能。
2 功能
恒溫箱的功能
1) 可對產(chǎn)品或實驗品加熱到設定溫度，并在設定時間內保持恒溫。
2) 恒溫箱有按鍵和液晶顯示器�？捎糜谠O定參數(shù)、顯示數(shù)據(jù)。
3) 數(shù)據(jù)通訊功能，恒溫箱有串口，可與PC 機通訊。
4) 數(shù)據(jù)打印。
3 工作原理
恒溫箱用于加熱化學產(chǎn)品，恒溫箱可設定的溫度范圍是70℃～150℃，加溫時間是0～72 小時。恒溫箱的結構由第三方設計，恒溫箱的大致結構如圖1 所示。恒溫箱的產(chǎn)品安置槽用于放置待加熱的產(chǎn)品或試驗品。試驗品放在小金屬桶內，然后再安置在產(chǎn)品安置槽內。
另 外恒溫箱有測溫熱敏電阻、電加熱器、保溫材料、及硅油等。在恒溫箱工作時，電加熱器加熱恒溫箱加熱體內的硅油，硅油在加熱體內傳導熱量，硅油在熱能的作用 下循環(huán)流動，將熱量均勻的傳播到產(chǎn)品安裝槽周圍。使恒溫箱內所有的產(chǎn)品都能被均勻加熱，并使溫度波動控制在0.1℃范圍以內。
恒溫箱的硅油腔內的硅油的作用有三個方面，1）硅油起熱傳導的作用。2）硅油可以使恒溫箱內所有產(chǎn)品安置槽周圍的溫度均勻相等。3）硅油有一定的儲熱作用，可使產(chǎn)品安置槽周圍的溫度不易受試驗品在放置和取出過程的影響。
4 恒溫箱控制單元的硬件設計
恒溫箱控制器是由以AVR mega128 為核心的cpu 構成的。其電器原理圖如圖2 所示。
恒 溫箱控制單元包含測溫電阻、熱電組信號調理、電加熱器、按鍵顯示器、微型打印機、CPU 模塊。測溫電阻采用pt100，測溫電阻的安裝如圖1 所示。測溫電阻信號經(jīng)過調理單元調理轉換成0～5V 的信號。由mega128 采集并轉換成數(shù)字信號。為了降低恒溫箱控制單元的成本，充分利用mega128 的資源，控制單元不再另加A/D 芯片。
溫控箱設兩個測溫電阻，測溫電阻a 和測溫電阻b。測溫電阻a 用于測量被控點的溫度。產(chǎn)品安置槽周圍的溫度是被控溫度。之所以要設熱測溫阻b 是因為被控對象的熱慣性太大。
為 了保證被控點溫度波動能小于0.1℃，所以緊挨著加熱器設一測溫電阻b，作為控制溫度參考點。當測溫電阻b 測到電加熱器的溫度過高時，mega128 便控制電加熱器的工作電流，使其工作電流減少，這時控制算法不再對其工作電流的調整起作用。通過這一溫度參考點可限制加熱器的溫度波動范圍，同時能提前預 測被控溫度點的溫度趨勢。在溫控箱中加熱器和產(chǎn)品有很厚的硅油層，由于有了硅油，使所有的產(chǎn)品安置槽周圍的溫度很均勻。由于硅油能儲熱使產(chǎn)品安置槽周圍的 溫度不易被擾動。有利于試驗的準確性。但同時帶來的問題是由于
被控對象的熱容大，使溫度反饋大大滯后于電加熱器的工作狀態(tài)，被控點的溫度很難控 制。溫控箱增設一個測溫電阻b，可用于預測測溫電阻a 的溫度變化趨勢，在控制策略中簡化考慮硅油流動的熱力學模型，進而可以簡化控制模型，同時保證溫控精度。另外恒溫箱設有控制鍵盤、顯示器和微型打印機。這 些外設的接口是通過CPLD 實現(xiàn)的。恒溫箱的硬件原理框圖如圖2 所示。
5 恒溫箱控制單元的軟件設計
5．1 恒溫箱溫度控制策略
恒 溫箱的軟件設計是整個設備的很重要的一部分。恒溫箱的設計要求是溫度范圍是70℃～150℃，恒溫穩(wěn)定度是0.1℃。恒溫箱加熱器是個溫度慣性很大的被控 對象。Mega128的A/D 分辨率是10 位。為了能使控制單元的性能達到控制要求，在軟件上要對A/D 采集的數(shù)據(jù)作數(shù)字處理，使A/D 的10 位分辨率提高到18 位分辨率。首先考慮的是對于mega128
的A/D 轉換數(shù)據(jù)能否分辨率提升，應該說是可行的。因為測溫電阻的信號在經(jīng)測溫電阻信號調理單元調理時加載了噪聲。這就為提高A/D 輸出數(shù)據(jù)的分辨率提供了可能。對mega128的A/D 輸出的數(shù)據(jù)進行積分和數(shù)字濾波就可達到提高A/D 分辨率的目的，同時也可剔除信號中的噪聲。數(shù)據(jù)處理的原理是用mega128 的A/D 進行過采樣，然后對采樣數(shù)據(jù)進行積分和濾波，得到相當于18 位分辨率的A/D 轉換數(shù)據(jù)。
恒溫箱熱傳導的示意圖如圖3 所示。恒溫箱的熱傳導有硅油的對流循環(huán)傳導和恒溫箱體金屬壁的熱傳導，另外還有與電加熱器貼在一起的箱體底部熱輻射。在這里硅油的對流循環(huán)傳導速度最慢， 但它是主要的熱傳導途徑。電加熱器釋放的熱量有99﹪通過硅油的對流循環(huán)傳導。輻射和金屬壁傳導要快些，但它的量很小。對于分辨率很低的A/D 采集器很難采到。只有分辨率很高的數(shù)據(jù)采集器能感覺到這一信號的存在。對于這種大滯后的被控對象捕捉這一信號是很有用的。對提高控制精度，減弱超調有一定 的作用。因此很有必要對mega128采到的數(shù)據(jù)作降噪和提高分辨率的處理。
5.1 .1 控制算法
恒溫箱是個滯后系數(shù)很大的被控對象。當電加熱器的加熱量有所變化時，熱敏電阻a要在很長時間后才能測到電加熱器的溫度變化所帶來的影響。因此對恒溫箱進行溫度控制不能用普通的PID 算法。通常的PID 算法如公式1 所示。
以上公式1 和公式2 的算法對于普通的溫控對象是可以適應的，但對于本文研究的恒溫箱而言就不大適應。這個恒溫箱有三個特點。
1）閉環(huán)反饋的滯后很大，這是由它的結構所決定的。
2）恒溫箱是個帶保溫層的箱體，升溫容易降溫很難是恒溫箱的溫控不對稱性。
3）加熱片的余熱容易引起恒溫箱的超調，這一特性與2）描述的特性有關。普通的PID 算法用于恒溫箱的控制很容易超調，且溫度超過設定值后很難降下來。這就很難保證恒溫箱的控制溫度的波動范圍在0.1℃范圍內。為了能保證很好的控制恒溫箱產(chǎn)品安置槽周圍的溫度，要
行限幅。防止恒溫箱超調。以便恒溫箱在盡可能短的時間內穩(wěn)定在設定溫度。由于恒溫箱這一被控對象從控制理論的角度看，它是個柔性被控制對象，同時是一個不對稱的被控對象。
因此公式2 的KD[e(k)-e(k-1)]項的KD 也不能是一個一直不變的常數(shù)。在加熱初期KD 可以設得很小，在臨近溫度設定點時要將KD 調整的比較大。當恒溫箱的溫度超過設定點時KD 要適當減小。應為被控對象降溫比升溫要難。但太小會引起長周期震蕩。
5.1 .2 A/D 數(shù)值處理
為了能滿足控制要求，需要將mega128 的10 位采集數(shù)據(jù)變成18 位采集數(shù)據(jù)，提高溫度信號的分辨率。提高分辨率的方法是，用A/D 采集通道對數(shù)據(jù)進行過采樣，然后進行數(shù)字濾波，得到相當于18 位的熱電阻a 測得的溫度信號。
過 采樣、噪聲成形、數(shù)字濾波和抽取是增量累加轉換器用來降低噪聲并產(chǎn)生高分辨率輸出數(shù)據(jù)的4 種重要方法。假定以頻率fS 對一個數(shù)據(jù)轉換器的輸入信號采樣，根據(jù)數(shù)據(jù)的奈奎斯特定理 (Nyquist theorem)，fS 必須至少是輸入頻率的2 倍（fIN＝fS/2）。過采樣是以高于輸入信號頻率兩倍的頻率對輸入信號采樣。我們都知道A/D 數(shù)值的最后一位是噪聲位，對某一電平進行大量多次采集，A/D 數(shù)值的最后一位是“1”或“0”變化的。假若對某一電平進行20 次過采樣，分析統(tǒng)計這20 個采樣值最后一位“1”或“0”所占的比例，可得出一個更真實的數(shù)值。將這大量的采集數(shù)據(jù)作積分后得到一個更接近真實的而且分辨率比原A/D 數(shù)值更高的反映原模擬量電平的數(shù)據(jù)。過采樣量越多可得到更高位和更接近真實值的A/D 值。
5．2 恒溫箱控制器的軟件
恒溫箱控制器的 CPU 是AVR mega128，mega128 是一款新能很好的CPU。ICCAVR 是mega128 的C 語言編程工。對于控制器來說軟件要實現(xiàn)的功能是溫度控制功能、人機交互功能、數(shù)據(jù)通訊功能、打印功能、時鐘管理功能�？刂乒δ馨珹/D 采集、數(shù)據(jù)處理、PID 計算、輸出控制量。A/D 采集用的是mega128 A/D 采集通道。若直接用mega128 的A/D采樣值做控制是得不良好的控制品質的。數(shù)據(jù)處理模塊用于處理A/D 通道采集的數(shù)據(jù)，使 其分辨率提升。控制模塊的工作周期是50ms。也就是每50ms 對熱電阻信號做一次模擬量采集，進行數(shù)據(jù)處理，PID 計算，并輸出控制量控制電加熱器的熱能輸出。
人 機交互功能包括，按鍵響應、液晶屏信息顯示。人機交互功能模塊要完成的任務是，參數(shù)設定。要設定的參數(shù)有恒溫箱的恒定控制溫度、恒溫箱的恒溫維持時間。液 晶屏顯示的信息有設定溫度、恒溫箱當前溫度、工作起始時間、當前累計工作時間。熱電阻b 的監(jiān)測溫度的顯示。打印功能，每間隔5 分鐘打印一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包含恒溫箱溫度，當時的時間。時間是年月日時分秒。數(shù)據(jù)通訊功能是將數(shù)據(jù)傳送給計算機。恒溫箱有一個RS232 口，計算機可以向它發(fā)出傳輸請求，恒溫箱受到請求后便向計算機發(fā)送數(shù)據(jù)。時鐘管理功能恒溫箱的任務管理功能。Mega128 要完成的功能有，溫度控制功能、人機交互功能、數(shù)據(jù)通訊功能。
在這些功能里溫度控制功能是主要功能。PID 算法功能模塊要求有嚴格的工作周期，以保證控制品質。時鐘管理功能是根據(jù)個任務對實時性的要求給個任務分配所需的執(zhí)行任務的時間段。PID 算法控制功能每50ms 必須執(zhí)行一次，哪怕其它任務正在執(zhí)行過程中，該任務也要被打斷，執(zhí)行PID 控制功能。
6 系統(tǒng)性能
對于基于 AVRmega128 設計的恒溫箱進行了測試，其溫度控制指標達到了設計要求。恒溫箱從內部溫度接近于常溫的溫度開始工作到溫度達到設定點溫度，并保持穩(wěn)定，所需時間是四十分 鐘。滿足使用要求。另外其它功能，如人機交互功能、通訊功能、打印功能都可靠工作。溫度控制不受其它任務的影響，溫控精度能有效保證。
7 結束語
設 計一種基于AVR mega128 的溫度控制器，控制恒溫箱，實現(xiàn)了控制器的小型化，低成本。并且滿足控制精度。這一應用模式對于類似的控制對象的應用有一定的借鑒價值。此項目是給某化工 廠做的8 臺恒溫箱，這種恒溫箱市場上沒有現(xiàn)成產(chǎn)品，用上述設計所作的恒溫箱給用戶減少設備投資費近10 萬元。
本文創(chuàng)新點：用AVRmeg128 的低分辨率a/d 轉換器，通過過采樣和數(shù)字積分與數(shù)字濾波得到18 位分辨率的模數(shù)轉換值，同時用自動參數(shù)調整的PID 控制一個大滯后和不對稱的被控對象。
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作者簡介：舒勝宇:男,1961 年4 月生,漢族,大本,無線電專業(yè), 在北京康拓公司做計算機工業(yè)自動化控制的工作 |
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