（测试计量技术及仪器专业论文）基于半导体制冷技术的高精密温度控制系统研究.pdf

基于半导体制冷技术的高精密温度控制系统研究 摘要 微纳米测量技术中的一个重要问题是对测量环境( 恒温、恒湿、洁净、抗 振) 的控制，其中温度对仪器及测量精度的影响己成为越来越重要的因素。目 前对温度的保障，一般将微纳米测量等高精密仪器设备放置在昂贵的恒温恒湿 洁净室里，这种方法造价高，且人员在室内的活动使环境参数控制难度增大， 而真正需要高精密环境的只是测量仪器本身。因此，研究小型高精密恒温纳米测 量环境具有重要的意义。 传统的组合式恒温箱是将恒温腔、静压腔和制冷腔组合在一个箱体内，通 过自然对流或者使用风扇的方式实现整个箱体内的气流循环。 本文提出了小型分离式恒温箱的研制，结构上将制冷腔与恒温腔和静压腔 分离在两个不同的箱体内，外界的干扰可被隔离。在恒温控制方面，利用t e c ( 半导体制冷芯片) 、程控电源、精密温度测量系统等组建温度控制系统，利用 系统辨识理论以及m a t l a b 中的系统辨识工具确定恒温箱数学模型，使用各 种控制方法对恒温箱进行在线仿真，并选取其中控制效果好的方法作为最终策 略，控制程序采用m a l t a b 和l a b v i e w 混合编制的方法，并对环境等因素施 以实时补偿，以达到精准控制恒温箱内的温度。在恒温腔内部布置多个温度传 感器用于监控温度变化，通过对实验数据的研究和分析表明可以看出，利用该 控制器所建立的恒温系统的单点温度波动性小于o 0 2 。c ，温度场波动在o 0 5 内。实践证明，本系统模型建立准确，控制精度高，且达到稳定状态后，温 度波动范围在0 0 5 以内，达到了高精度温度控制的目标。 关键词：高精密温度控制系统辨识模糊控制模糊自整定p i d 神经网络控制 l a b v i e w t h er e s e a r c ho ft h eh i g h - p r e c i s i o nt e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e mb a s e dt e c a b s t r a c t a ni m p o r t a n ti s s u ei nm i c r o n a n o m e a s u “：m e n t si st h ee n v i r o n m e n t a lc o n t r 0 1 i n c l u d i n g t e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y , c l e a n l i n e s sa n dv i b r a t i o n t h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r eo nt h e m e a s u r e m e mu n c e r t a i n t yi sc r i t i c a lf o rn a n os c a l e dd i m e n s i o n u s u a l l y , ac l e a nr o o mh a st o b eb u i l tt op l a c ei nh i 曲p r e c i s i o nm e a s u r i n ge q u i p m e n t i t sc o n s t r u c t i o nc o s ti sh j l g h t h e i n d o o ra c t i v i t i e s w i l la l s oa f f e c tt h et e m p e r a t u r es t a b i l i t y h o w e v e r , t h a ti sm e 础e m e n t e q u i p m e n ti t s e l fw h i c hn e e d st h eh i 曲p r e c i s i o ne n v i r o n m e n t s oi t i sv e r yi m p o r tt o d e v e l o pm i n i e n v i r o n m e n tf o rm i c r o n a n o m e 龇e m e n t s t r a d i t i o n a lt e m p e r a t u r e c o n t r o l l e dc h a m b e ri sa ni n t e g r a t i v eb o d yt h a ti sc o m p o s e do f ac o n s t a n tt e m p e r a t u r ec h a m b e ra n da r e f r i g e r a t i o nc h a m b e r , b yn a t u r a lc o n v e c t i o no rf a n s t og e n e r a t ea i rc i r c u l a t i o n t h i sp a p e rd e v e l o p san e wm i n i e n v i r o n m e n tt h a ts e p a r a t e st h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r e c h a m b e rf r o mt h er e f r i g e r a t i o nc h a m b e r a n yn o i s ec a u s e db yt h em o v i n gp a r t so ft h e r e f r i g e r a t i o nc h a m b e rc a nb ec o m p l e t e l yi s o l a t e df r o mt h et e m p e r a t u r ec h a m b e r t h e c o n t r o ls y s t e mi sc o n s t i t u t e do fat e c ( t h e r m o e l e c t r i cc o o l e r ) ，ap r o g r a m m a b l ep o w e r s u p p l y , l a b v l e wt o o l ，a n dap c m a k i n gu s eo ft h es y s t e mi d e n t i f i c a t i o nt h e o r ya n d s y s t e m i d e n t i f i c a t i o nt o o l k i to fm a t l a b ，t h em a t h e m a t i cm o d e lo ft h ec o n s t a n t t e m p e r a t u r ec h a m b e rc a nb ei d e n t i f i e d ak i n do fb e s tc o n t r o ls t r a t e g yi sd e v e l o p e du s i n g m a t a l a be m b e d d e dl a b v i e wp r o g r a m m i n g t h et e m p e r a t u r ei sd e t e c t e db yf i v e t e m p e r a t u r es e n s o r sa r o u n dt h e i n s i d ev o l u m e e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h et e m p e r a t u r e f l u c t u a t i o no fas i n g l e - p o i n ti sl e s st h a n 0 0 2 。ca n dt h ew h o l ef i e l di sw i t h i n + 0 0 5 。c t h eg o a lo f h i g h - p r e c i s i o nt e m p e r a t u r ec o n t r o li sa c h i e v e d k e yw o r d s ：h i g h - p r e c i s i o nt e m p e r a t u r ec o n t r o l ；s y s t e mi d e n t i f i c a t i o n ；f u z z yc o n t r o l ； f u z z ys e l f - a d a p t i n gp i d ；n e u r a ln e tc o n t r o l ；l a b v i e w 插图清单 图l - l 纳米测量系统的关键技术l 图l - 2 双频激光干涉仪温度漂移3 图l - 3b u p e 恒温箱结构图3 图i - 4 分子测量机( m m m ) 结构图3 图1 5 分子测量机( m m m ) 剖面图4 图2 1 分离式恒温箱示意图：5 图2 2 入口速度为l m s 温度场分布图6 图2 3 入口速度为l m s 速度场矢量图6 图2 - 4 入口速度为5 m s 温度场分布图7 图2 5 入口速度为5 r i g s 速度场矢量图：7 图2 - 6 开关风机对恒温腔内温度变化影响7 图2 7 风机转速对恒温腔内温度变化影响8 图2 8 风机转速对恒温腔内温度变化影响8 图3 一l 系统辨识原理图9 图3 2 测取系统阶跃响应的实验示意图1 2 图3 - 3p r o c e s sm o d e l s 对话框1 3 图3 - 4 模型符合度图1 3 图4 1 恒温箱测量控制系统原理图1 4 图4 2 典型2 线电阻测温方法示意图1 6 图4 3 典型4 线电阻测温方法示意图1 6 图4 44 线电阻温度检测示意图2 1 图4 53 4 9 7 0 a 电阻采集程序g 图2 2 图4 - 6 电阻值转化为温度值的g 图2 3 图4 74 线探针连接到5 脚d i n 接口示意图2 5 图4 8 采集并记录1 5 0 4 温度值的g 图2 5 图4 9m a a 0 5 0 t - 1 2 性能图2 6 图4 1 0 设置程控电源电流的g 图2 7 图5 1p i d 控制原理框图2 8 图5 2 数字p i d 控制原理框图：3 0 图5 3p i d 仿真控制模型框图3 2 图5 - 4 阶跃响应仿真输出曲线3 2 图5 5 模糊逻辑控制系统3 3 图5 - 6 双输入单输出模糊控制系统3 5 图5 7 变量的隶属度函数3 6 图5 8 模糊控制模型框图3 7 图5 - 9 模糊控制仿真输出曲线3 7 图5 - l o 模糊自整定p i d 控制框图j 3 8 图5 l li 矧各语言值的隶属函数图3 9 图5 1 2i j q 各语言值的隶属函数图3 9 图5 - 1 3 模糊p i d 控制仿真结果图4 1 图5 - 1 4b p 网络结构4 2 图5 - 1 5 神经网络结构4 5 图5 1 6 系统辨识过程4 6 图5 - 1 7 模型预测控制过程4 6 图5 - 1 8 神经网络控制模块：4 7 图5 - 1 9 神经网络仿真结果4 7 图6 - l 测控系统g 图5 0 图6 2p i d 控制方法实验曲线4 9 图6 3 模糊控制方法试验曲线5 1 图6 - 4 模糊p i d 控制方法实验曲线5 l 图6 - 5 温度场变化曲线5 1 表格清单 表4 - l 恒温槽主要技术参数1 7 表4 2 恒温槽温度为2 1 5 0 标准铂电阻和6 个p t l 0 0 的电阻值1 8 表4 3 恒温槽温度为2 1 o o 标准铂电阻和6 个p t l 0 0 的电阻值1 8 表4 4 恒温槽温度为2 0 5 0 标准铂电阻和6 个p t l 0 0 的电阻值1 8 表4 5 恒温槽温度为2 0 0 5 标准铂电阻和6 个p t l 0 0 的电阻值1 9 表4 - 6 恒温槽温度为2 0 o o 标准铂电阻和6 个p t l 0 0 的电阻值1 9 表4 7 恒温槽温度为1 9 9 5 标准铂电阻和6 个p t l 0 0 的电阻值1 9 表4 8 恒温槽温度为1 9 9 0 标准铂电阻和6 个p t l 0 0 的电阻值2 0 表4 9h a r t1 5 0 4 规格说明2 4 表4 1 0m a a 0 5 0 t - 1 2 性能参数表2 6 表4 1 0p s m 6 0 0 3 性能参数表2 7 表5 1 控制规则3 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 佥目b 王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名； 蒸、震 签字日期：上。中年彭月孵日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王些左堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权佥胆至些太生可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者繇藤震 签字日期：工0 0 7 年6 月4 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名 签字日期； 电话 邮编 致谢 本论文是在张辉教授的悉心指导下完成的，在读研的时间里，张老师对科 学研究敏锐的洞察力、清晰的科研思路、丰富的实践经验、严谨的治学作风令 我终身难忘，并将受益无穷张老师平易近人、为人师表，在生活上也给了我 很多的关怀和鼓舞，百忙之中对我的求职就业也给了很多的指导与关心。在此， 向张老师表示衷心的感谢，并致以深深的敬意 感谢张阳老师给予的帮助和鼓励，感谢张士峰、唐海勇、李小萍、李武建、 牛学虎在课题研究上的支持与协助，感谢跟我在合肥工业大学科技楼3 1 6 实验 室共渡两年美好时光的兄弟姐妹。 感谢我的父母和家人，是他们在我的成长和学业上给予了无私的爱与鼓励。 谨以此文献给关心、帮助过我的所有人。 作者：蔡震 2 0 0 7 年4 月 第一章绪论 1 1 课题来源及研究意义 本课题来源于国家自然科学基金、国际合作与交流项目资助“纳米三维 测量关键技术与系统研究”( 项目编号：5 0 4 2 0 1 2 0 1 3 4 ) 在精密测量和精密机械等精密工程技术领域，影响精度的众多因素中的一 个重要因素是测量环境的影响f 1 1 。图1 i t 2 】显示了纳米测量技术中的关键技术， 从图中可以得出：严格的测量环境控制是达到纳米级测量精度的基础。在各种测 量环境中t 温度对测量结果的影响最大，对于现代超精, n - r 和微纳米测量而言 仅仅环境温度影响也使其很难达到纳米级精度，这是因为所有的物体都存在热 胀冷缩现象，如果被测物体和测量仪器在一个温度波动范围很大的环境中工作， 其测量误差会非常的大。因此环境控制，特别是温度控制是纳米级精密测试系 统的基础，进行高精度的温度控制机理的研究就具有基础性的研究意义。 图l - 1纳米测量系统的关键技术 目前，一般采用保证温度的措施是将高精密纳米测量仪器放置在恒温室内， 这种装置一般是用压缩机组作为温控元件来控制温度这种方式不仅造价昂贵 而且其控制精度和稳定性都不理想。这是由于压缩机的工作不能达到零点启动， 造成恒温室内温度的波动比较大；而且压缩机的启动和停止会带来很大的振动， 这种振动会给纳米级测量带来更大的测量误差。同时普通的恒温装置中所使用 的控制算法一般为开关控制和p i d ( p r o p o r t i o 船li n t e g r a ld e r i v a t i v e 比例积分微 分) 控制。这种控制算法也不能满足纳米级测量系统对温度控制的精度要求。如 果将这个恒温室小型化为一个恒温箱，并采用没有机械振动的半导体制冷片作 为制冷元件，这样不仅能减少温度的控制误差也可以消除振动的干扰，同时可 以降低高精度测量环境的建设成本。综上所述研究小型的超高精密的恒温纳米 测量箱具有重要的科研意义 1 2 国内外研究现状 九十年代，光电技术的应用使测距定位分辨率为o 1 纳米( 1 纳米= 1 0 母米) 成为可能，在此基础上发展光电复合技术，应用到许多纯科学和工程学领域 比如物理学领域，该项技术应用到s t m ( 扫描隧道显微镜) 和a f m ( 原子力显微 镜) 中，使微观计量及操作标准的提出已经成为可能；在生命科学领域，对d n a 的监测和控制能力进一步提高；在工业领域，该项技术使半导体设备及光通讯 元件和光磁存储介质的制造和监测水平得到大幅度提高。高新技术的产业化以 及医药，量子物理学，生物学和其他领域高速发展，迫切需要纳米级的测量精度，目 前测量不确定度的标准已达到1 0 - 7 米，可以预测在不久的未来会达到1 0 8 米甚至1 0 母 米，所以进行精确的纳米尺度的测量和计量成为世界各个国家重点研究的方向， 对纳米级测量技术的研究在各个国家级的研究机构和大学得到广泛开展【3 1 ，如美 国的n i s t ( 国家科学研究院) 、德国的p t b ( 国家物理技术研究院) 、英国的n p l ( 国家 物理实验室) 和韩国的b u p e 等，大学包括美国的麻省理工学院及北卡罗莱纳大学、日 本的东京大学等。 1 2 1 韩国b u p e 的超高精度c m m 韩国b u p e ( b i l l i o n t hu n c e r t a i n t yp r e c i s i o ne n g i n e e r i n g ) 在实施u p c m m ( u l t r ap r e c i s i o nc m m ) 研究计划时也提出了设计制造小型的恒温恒湿抗振洁 净的测量环境，并提出了严格的测量环境控制要求。测试腔具有4 层封闭式的 结构，即绝热层、隔音层、真空层和测试层，控温目标要达到2 0 o 0 0 1 。 其研究表明：当温度变化1 的时候，由于系统的机械热变形所引起的相对不 确定度的误差就可以达到1 0 一m 。此外，温度的不稳定会导致空气折射率的变 化，从而使外差式双频激光干涉仪的额外误差达到i o 6 m 2 。图1 2 所示为2 4 小时温度的波动与干涉仪相位变化曲线图可见温度的漂移对测量精度有很大 的影响。为此其在温度控制上采用的方案为多层小型箱式温度控制系统，如图 1 3 t 4 1 。 可以看出其第一层箱体可以提供给整个仪器一个相对低波动性的温度环 境。其波动范围为o 1 。第二层是作为控制环节的中间层。使用一个可以产 生热量的马达，并在激光光源上固定热管，以传递所产生的热量。这一层的温 度波动范围为0 o l 最后一层是工作核心层，在这一层内实现高精度的定位 测量。其内部为真空环境。所有的热量都从这个层内移走，最终达到0 0 0 1 的温度波动性。整个的三层温度控制是一个系统化的控制过程，从而达到最终 的控制目标。另外，每一个隔离层上都镀膜并抽成真空状态，这样不仅可以隔 热，同时也可以达到隔声和隔振的功能。 2 图1 2双频激光干涉仪温度漂移图1 - 3 b u p e 恒温箱结构图 1 2 2 美国n i s t 的m m m 美国国家标准技术研究引5 】( n i s t ) 于1 9 8 7 年在 l e a g u e 博士的领导下开 始进行研究分子测量机( m o l e c u l a rm e a s u r i n gm a c h i n e ，m m m ) 的计划，主要 是希望建立国家级线栅尺的校正标准。希望达到分辨率小于l n m 及总体精度 1 0 n m 的指标其内核测试环境温度控制达到2 0 士0 0 0 5 。控制系统采用了 基于v m e 总线的以d s p 为核心的高精度多通道测控系统，以保证高精密的纳 米测量环境。图l - 4 为其实物照片及结构图，可以看出测量内核是在重重环境 保护罩内工作的。在这些保护罩下可以得到隔振、隔音、真空、恒温、恒湿等 功能。m m m 在设计上采用球形结构，其优点是刚性好和易于控温。测量核心 部分的材料是直径为3 5 c m 空心高导无氧铜球结构。选择这种材料和结构的原 因是： 平衡稳定热梯度的能力由其热传导性与其热膨胀系数之比所确定； 平衡瞬间热效应，由其扩散性，即热传导率与其密度与热乘积之比所确定； 对于瞬间激励由其阻尼能力确定其响应： 在点或小局部区载荷下的材料变形，由材料的弹性模量确定。 图i - 4分子测量机( m m m ) 结构图 主动 声隔离 温度控制壳 真空泵 隔离壳 图i - 5 分子测量机( m m m ) 剖面图 如图l - 5 所示其环境隔离系统系统包括温度控制壳和核心机构中的声隔 离壳其中温度隔离壳是保证核心机构能够工作在恒温区域的重要部分。整个 仪器的外部工作温度是2 4 ，对于放置核心机构和样品的工作空间( 真空室) 要保持在近似1 8 。温度控制壳的热阻是可以控制，以得到核心机构o 1 1 0 m 的温度稳定性核心机械和控制壳都是由空心高导无氧铜制成，并且电镀金， 以改进热辐射偶合的表面的长期抗腐蚀。为保护整个仪器，并为样品提供干净 的测量环境，仪器建于1 0 级超净区内。区内包括计算机控制间、超净测量间、 样品准备间、样品准备安装室、超净隔离间等1 2 8 m 2 的工作面积。超净区位于 地下实验室的封闭空间的水泥块防震地基上工作时要关掉所有通风扇，以避 免机械振动所带来的测量环境干扰。这样提供了安静的、振动最小的恒温测量 环境。 1 2 3 东京大学的n a n o c m m 日本东京大学的学者在研究纳米三坐标测量机n a n o c m m 6 】系统时认为 n a n o c m m 系统的关键技术之一就是降低热效应对测量结果的影响，通过深入 的研究发现采用一种特殊材料构成的对称结构可以减小这种影响。实验时记录 下环境温度、箱体内温度、湿度和气压，用来调整空气折射系数和热膨胀系数。 1 3 课题研究目标及主要研究方法 课题所要求的研究目标为恒温箱内温度的控制精度小于o 0 5 ，为实现 该目标就必须研究高精密温度控制的理论及方法。首先对被控对象做必要实验， 充分掌握被控对象的特性，其次利用系统辨识理论和先进的辨识工具箱确定恒 温箱数学模型，再次搭建整个测控系统的硬件设备，并设计软件协调各部分的 工作，最后以辨识出来的恒温箱数学模型为实验对象，利用l a b v i e w 和 m a t l a b 软件对几种控制算法进行评定，通过分析仿真数据比较各种控制算法 的效果，最终确定一种适合本系统需要的控制算法，并将其应用到实际系统中验证控 制效果。 4 第二章分离式恒温箱结构概述与特性分析 2 1 分离式恒温箱结构 恒温箱温度控制系统不仅要求能够将恒温箱内部的温度保持恒定，还要求 整个空间中保持一定的温度均匀性，同时在恒温箱内不可以出现大的空气流动 和温度死角，所以必须对恒温箱的机械结构进行特殊设计。 传统的组合式恒温箱是将恒温腔、静压腔和制冷腔组合在一个箱体内，通 过自然对流或者使用交流风扇实现整个箱体内的气流循环：而我们使用的分离 式恒温箱是将制冷腔与恒温腔和静压腔分离在两个不同的箱体内，利用外部的 送风和回风电机实现两个箱体间的空气对流，恒温箱示意图如图2 - 1 所示 图2 - 1 分离式恒温箱示意图 其中静压腔的主要功能就是将从制冷腔中流入的空气再次混合，使其温度 进一步均匀，同时使吹向恒温腔中的空气的气流组织更均匀，以使恒温腔中温 度场达到系统要求的均匀度静压腔中利用导风口和孔板使气流组织更均匀 1 7 ，8 】。 导风口是一个漏斗型的器件，气流经过导风口后可以均匀分布在一定的区 域内孔板是一块7 0 x 7 0 c m 的树脂板，在上面均匀的打上小洞。这样由于静 压腔内的压力要高于恒温腔内的压力，在孔板两侧有一定的压差，从而使从静 压腔流向恒温腔的气流成为活塞式气流。这样的气流在恒温腔内可以均匀的分 布，而且不会有造成很大的风，最终使整个恒温腔内温度场可以均匀。 整个恒温箱内气体流动过程为：空气通过回风电机从恒温腔中流入半导体 制冷片的制冷端，经过冷却后，在制冷腔中经过一次混合使空气的温度比较均 匀，这些空气再从制冷腔中由送风电机吹入静压腔。在静压腔中冷气与空气再 次混合并通过孔板流入恒温腔中。通过气体的流动，使制冷片上产生的冷量传 递到恒温腔内，保证恒温腔内空气温度的稳定并使空间内的温度场均匀。 分离式恒温箱与组合式恒温箱比较有以下特点【9 】； 使用分离式结构能够使静压腔和恒温腔的设计更简单合理，更易实现设 计者的设计思想： 半导体制冷器件热端需要风扇将其产生的热量带走，使用组合式恒温箱 产生的热量势必影响恒温腔内的温度变化，而分离式恒温箱则大大减小 了这种影响； 组合式恒温箱中的交流风机工作时会产生大量热量，直接作用到恒温 腔，而分离式恒温箱的风机在箱体的外部，并用保温材料将其包裹起来， 大大减小了热量对恒温腔的影响。 综上，分离式恒温箱有效的减小了外界环境对恒温腔的影响，保障了测量 结果的准确性。 2 2 分离式恒温箱温度场仿真分析 2 2 1 无热源仿真分析 假设箱体完全密封，恒温箱外环境温度高于箱体，箱体存在一定热泄漏， 箱体入口温度为2 9 3 k ，入口速度为l m s 时，整个静压腔与恒温腔内温度场与 速度场矢量分布分别如图2 - 2 和2 - 3 所示 图2 2 入口速度为l m s 温度场分布图图2 - 3 入口速度为i m s 速度场矢量图 图2 - 2 中不同颜色代表不同的温度值，图2 - 3 中不同颜色代表不同的速度值 从图中可以看出恒温箱内无热源时当入口速度达到一个合适值时，恒温腔温度 分布很均匀，速度分布也比较一致。 2 2 2 有热源仿真分析 纳米恒温箱工作时腔内主要热源为压电陶瓷马达，温度峰值可达3 2 0 k 。假 设恒温腔内有一3 2 3 k 恒热源，对箱体温度场与速度场进行仿真。入口速度 6 v = 5 m s ，温度为2 9 3 k ，整个静压腔与恒温腔内温度场与速度场矢量分布分别如 图2 4 和2 5 所示。 、 图2 4 入口速度为5 m s 温度场分布图图2 - 5 入口速度为5 m s 速度场矢量图 从图中可以看出当入口空气速度达到一定时，可以降低热源对整个温度场 的影响；当热源在恒温箱稳定工作状态下对温度场影响明显仍无法消除时，可 将其高热部分局部隔离，用管道单独通入冷量抑制1 们。 2 3 分离式恒温箱实验特性分析 要很好的控制被控对象，就必须对被控对象有较好的了解，因此要做大量 关于恒温箱实验【1 ，充分了解各种外界因素对恒温箱的影响，掌握恒温箱特性 通过实验得到了一些恒温箱的特性： 开关送风和回风电机对恒温腔内温度变化有一定影响，如图2 - 6 所示： 图2 - 6 开关风机对恒温腔内温度变化影响 从图中可以看出，关风机以后，由于制冷腔的冷空气流通不到恒温腔内， 7 外界环境以及风机余热使恒温腔温度持续上升，开风机后冷空气起了作用，降 低了恒温腔的温度。 风机转速不同对温度变化有一定影响，如图2 7 所示： 从图中可以看出：随着风机频率的上升，恒温腔温度整体上升，但温差减 小( 5 0 h z 时为0 1 ，2 5 1 t z 时为0 5 1 2 ，4 0 h z 时为0 2 c ) 风机频率上升，工作 腔温度上升可能有两方面原因：1 风机自身发热，将热量通过叶轮传到气流中： 2 风在风道中流动，风速增大在风道里产生更多热量。温差减小是由于风速增 大，使制冷腔中更多的冷量更快的传到工作腔中。 图2 7 风机转速对恒温腔内温度变化影响 恒温箱的密封和保温性能都是相当不错的 在风机关掉，半导体制冷片不工作的条件下，将恒温室的温度从2 0 o c 调 整到2 3 o ，记录下十个小时恒温腔内温度变化情况，如图2 - 8 所示，从图中可以 看出恒温箱泄漏量很少，保温性能相当好。 2 2 0 2 1 5 2 1 0 5 2 0 o 恒箍腔疟部盈度变化曲线 01 2 04 卯06 0 07 0 08 0 0 m i n 图2 - 8 恒温箱保温性能实验 8 第三章恒温箱数学模型的建立 辨识、状态估计和控制理论是现代控制论三个相互渗透的领域。辨识和状 态估计离不开控制理论的支持，控制理论的应用又几乎不能没有辨识和状态估 计技术。随着控制过程复杂性的提高，控制理论的应用日益广泛，但是，它的 实际应用不能脱离被控对象的数学模型。然而在多数情况下，被控对象的数学 模型是不知道的，或在正常运行期间模型的参数可能发生变化，因此应用控制 理论去解决实际问题时，首先需要建立被控对象的数学模型充分掌握研究对 象的运动规律，在表证它们的因果关系时，确立相应的数学模型，这是控制理 论能否成功地用于实际的关键之一。 本章首先介绍关于辨识的一些基本概念，包括辨识的定义、建模的方法、 辨识的内容和步骤等，然后针对特定的恒温箱对象，运用系统辨识理论和方法 建立其数学模型 3 1 系统辨识的一些基本概念 3 1 1 系统辨识定义 实验和观测是人类了解客观世界的最根本的手段，在科学研究和工程实践 中，利用通过实验和观测所得到的信息，从中获得对各种现象的规律性认识， 或掌握所研究对象的特性，这种方式的含义即为“辨识”d 2 。关于辨识的定义， 1 9 6 2 年，l a z a d e h 是这样提出的：“系统辨识就是在输入输出数据观测的基础 上，在指定的一组模型类中，确定一个与所测系统等价的模型”。1 9 7 8 年，l l j u n g 也给出了一个定义：“辨识即是按规定准则在一类模型中选择一个与数据拟和的 最好的模型”。用图3 1 可以说明系统建模的思想。 图3 - l 系统辨识原理图 图中规定代价函数( 或称等价准则) 为j ( y ，y g ) ，它是误差p 的函数， 系统原型g o 和系统模型g 。在同一激励信号u 作用下，产生系统原型输出信号y 和系统模型输出信号y 。，二者误差为p 经等价准则计算后，去修正模型参数， 然后再反复进行，直到误差满足代价函数最小为止，其数学表述为： j ( y ，y g ) = ， ( 3 - 1 ) 9 其中f i e ) 为准则函数表达式。而辨识的目的为： 定模型类。 使之： ，) 专m i n 则有： 找出一个模型g s 妒，而妒为给 ( 3 - 2 ) g s2o o ( 3 3 ) 此时，即称为系统被辨识。 这个定义明确了系统辨识过程的三大要素：输入输出数据( u , y ，y 。) ； 模型类( g 。) ；等价准则( ，饥) ，。) ) 。而模型的精度，( y ，y s ) 由决定，也即由e 来 决定其中，数据是辨识的基础；准则是辨识优化目标；模型类是寻找模型的 范围。从上述可知，辨识的实质就是从一组模型类中选择一个模型，按照某种 准则，使之能最好的拟和所研究的实际过程的动态特性。 综上所述系统辨识是研究如何利用系统试验或运行、含有噪声的输入输出 数据来建立被研究对象数学模型的一种理论和方法。通过系统辨识建立对象数 学模型的依据是：研究表明，从外部对一个系统的认识，是通过其输入输出数 据来实现的，既然数学模型是描述一个系统动态特性的一种描述方式，而系统 的动态特性的表现必然蕴含在它变化的输入输出数据中，所以，通过记录系统 在正常运行时的系统得输入输出数据，或者通过测量系统在人为输入作用下的 输出响应，然后对这些数据进行适当的系统处理、数学计算和归纳整理，提取 数据中蕴含的系统信息，从而建立被控对象的数学描述，这就是系统辨识，即 系统辨识就是一种利用数学的方法从输入输出数据序列中提取对象数学模型的 方法。 3 1 2 建立过程数学模型的基本方法 一般来说，建立过程的数学模型有两种基本方法【”】： 1 ) 机理分析法 这种方法通常需要通过分析过程的运动规律、定理和原理，如化学动力原 理、生物学原理、牛顿定理、物料平衡方程、能量平衡方程和传热传质原理等， 才能建立起过程的数学模型，这种方法也称作理论建模。 2 ) 测试法 过程的输入输出信号一般总是可以测量的，由于过程的动态特性必然表现 在这些输入输出数据之中，那么就可以利用输入输出数据所提供的信息来建立 过程的数学模型。 就某种意义上来说，测试法较机理法有一定优越性。因为它无须深入了解 过程的机理，但这也不是绝对的。测试法的关键之一是必须设计一个合理的实 1 0 验，以获得过程所含的最大信息量，这一点往往又是非常困难的。因此，两种 建模方法在不同的应用场合可能各有千秋。实际使用时，两种方法应该是相互 补充，而不是相互代替a s t r o m 把理论建模问题称作“白箱”问题；又把辨识 建模问题称作“黑箱”问题；同时，a s t r o m 还提出一种“灰箱”理论，即理论 建模和辨识建模两种方法结合起来使用，机理已知部分采用理论建模的方法， 机理未知部分采用辨识建模的方法，这将充分发挥两种方法各自的优点 不管采用哪种建模方法，都必须首先弄清待辨识对象的层次及其周围的环 境条件，明确模型应包含的变量，一个过程的变量可能很多，它包括输入变量 ( 控制变量，干扰交量) 和输出变量( 观测变量、状态变量) 。模型中应该包括 那些变量完全取决于建模的目的，它只应包括对建模目的影响比较显著的变化， 影响不大的变量则不应该包括在内，以免模型过于复杂，失去其使用价值。 另外，建立过程的数学模型时，一般需要遵循以下一些基本原则： ( 1 ) 目的性一一明确建模的目的。不同的建模目的牵涉到的建模方法可能 不同； ( 2 ) 实在性一一模型的物理概念要明确； ( 3 ) 可辨识性一一模型结构要合理，输入信号必须是持续激励的数据要充 足； ( 4 ) 节省性待辨识的模型参数个数要尽可能少。 3 2 恒温箱数学模型的建立 由于恒温箱内部温度变化过程的规律相当复杂，不仅要考虑箱体结构对温 度变化的影响，还要考虑各种外界因素对其影响，用机理分析法显然难度很大， 即使建立出模型也很难保证其可信度，因此决定用测试法建立其模型。要得到 系统的传递函数模型主要方法有：阶跃响应法、脉冲响应法、频率响应法、相 关分析法和谱分析法【1 4 1 。 对象的阶跃响应曲线直接来自实验的原始纪录取线，比较直观，实验的原理 也最简单，输入扰动信号也极易产生，因此它是一种测定对象动态特性的常用 方法。图3 2 是测取系统阶跃响应的实验示意图。通过操作器的操作使系统的 工作在所需测试的负荷下，稳定运行一段时间后，快速改变系统的输入量，并 用数据采集系统同时记录下系统的输入、输出的变化曲线，经过一段时间后， 系统进入新的稳态，实验就可以结束了，得到的记录曲线就是系统的阶跃响应。 将示意图中的辨识过程运用到实际恒温箱系统中，首先将八个制冷片都加 2 0 a 电流，等到恒温箱温度稳定后将电流降至1 0 a ，即相当于对被控对象施加 阶跃信号，用计算机记录下相应电流值和温度值，将测得的输入输出数据作为 辨识数据，绘制出阶跃响应曲线。 图3 2 浏取系统阶跃响应的实验示意图 由阶跃响应曲线求系统的传递函数的方法有很多，常用的有近似法、半对 数法、切线法，两点法和面积法等，但几乎所有的方法都是在假设传递函数的 结构已知的情况下，通过图解和计算的方法，利用响应曲线上少量特征参数则 可推算出传递函数的参数为了减少人工计算的工作量以及降低由于人为计算 所引入的误差，运用m a t l a b 的系统辨识工具箱( s y s t e mi d e n t i f i c a t i o nt o o l b o x ) 来进行辨识，该工具箱是一个处理离散采样数据，主要用最小二乘结构模型来 进行辨识的一个软件包，它的结构设计比较合理、清晰、可扩展性好，因此为 很多辨识研究者所采用【”】 在m a t l a b 的系统辨识工具箱中，提供了许多函数模块，使用户能够轻松 而又快捷的完成辨识任务。其中的p r o c e s sm o d e l s 模块，允许用户估计简单的时 间域模型，该模型参数包括静态增益、时间常数以及用户可能用到的时间延迟， 由这些参数确定传递函数模型如式( 3 - 4 ) ： k 一亿。 u ( ，) 。z f p 。 ( 3 - 4 ) 1 t o j p l 式中k 代表静态增益，l 代表时间常数，乃代表延迟常数。 在系统辨识工具箱中选择e s t i m a t e i d e n t 下拉菜单中的p r o c e s s l o d e l s ，即可进入p r o c e s sm o d e l s 模块，其对话框如图3 3 所示： 在该对话框里，用户可以设定传递函数的静态增益、零极点个数、滞后以 及积分环节，并可设定各个参数的范围，对于建立不太复杂的模型使用该模块 十分方便。 从众多的文献资料中发现，恒温箱的温度控制过程是一个一阶纯滞后的过 程【“。1 们，所以在确定模型类的时候选择的被控对象数学模型为： 矿 瓯( j ) = i = e 。 ( 3 5 ) j 十i 因此在上述对话框中选择一个时间常数、没有零点、有延迟时间常数的模 型类，将测得输入输出数据的前半部分作为辨识数据，后半部分作为验证数据， 通过不断的修改各个参数的范围，改进模型输出与实际输出的符合度，最终确 定被控对象的数学模型 图3 - 3p r o c e s sm o d e l s 对话框 根据系统的阶跃响应，通过m a t l a b 辨识得到系统传递函数： q ( s ) = 而7 鬲1 e - l 。9 ( 3 6 ) 给该模型施加与实际输入相同的信号，模型仿真输出与实际输出的符合度 图如图3 4 所示： m e a s u r e da n ds i m u l a t e dm o d e lo u t p u t 。 。l b e s tf , t s p 1 d ：1 0 0 八jl 鬻 05 01 0 01 5 02 0 02 5 0 3 0 0 ( m i n ) 图3 4 模型符合度图 从图中可以看出，模型输出与实际输出基本相符，该模型可以作为被控对 象数学模型进行研究。 硒 ： ； 加 艄 肋 ：5 l 加 悒 悒 他 伯 竹 伯 他 侣 第四章恒温箱测控系统硬件设计 4 1 恒温箱测控系统的硬件设计 恒温箱测控系统的硬件主要包括以下几个部分： 一台p c 用于数据的采集、处理及根据采集到的数据确定加在半导体制 冷片上电流的大小； 一套多路温度采集系统，采集温度传感器的值，用于监控温度场变化； 一路高精度温度采集单元，采集恒温箱中温度值，作为控制系统的反馈 值； 一个程控电源，接收p c 发出的控制指令，调节制冷功率； 恒温箱和半导体制冷片。 整个测控系统原理如图4 1 所示 图4 1 恒温箱测量控制系统原理图 由图4 1 可以看出，这个测控系统是基于p c 机的，通过串口总线将多路 温度采集系统及高精度温度采集单元上采集到的温度信号传入p c ，通过基于 p c 的软件计算出相应的控制指令，这些指令再通过串口传入程控电源，由程控 电源调节输出相应的直流电流以驱动半导体制冷片工作 4 2 温度传感器的选择及温度采集系统设计 4 2 1 温度传感器的选择 温度检测方法根据敏感元件和被测介质接触与否，可以分为接触式和非接 触式两大类。接触式检测方