（电路与系统专业论文）重力式毛细管粘度仪恒温水浴温度控制系统研究.pdf

摘要 重力式毛细管粘度仪是测量流体粘度的设备，其广泛应用于石油、化工、 化纤、食品、医药等许多部门。恒温水浴是重力式毛细管粘度仪的核心部件 之一，其温度的准确、稳定控制为仪器的关键技术之一。本文结合长沙威特 科技开发有限公司企业委托项目“智能粘度仪 ，主要开展了以下几方面的研 究工作： 介绍了流体粘度的基本概念，阐述了粘度与温度的关系，综述了重力式 粘度仪恒温水浴温度控制方法的现状。 以粘度测量国家标准粘度测试方法g b t 2 5 6 8 8 规定的恒温水浴温度 误差为目标，针对恒温水浴非线性、大滞后性、不易建模的特点，将改进型 b a n g b a n g 控制、自调整模糊控制和仿人智能控制有机融合，并结合d s p 处 理器的p w m 控制方式，构建了一种温度复合智能控制方法：当目标温度与 水浴实际温度的误差大时，系统采用改进型b a n g b a n g 控制以减少温度上升 时间；当目标温度与水浴实际温度的误差较小时，系统采用自调整模糊控制 以减少温度超调；当目标温度与水浴实际温度的误差处于自调整模糊控制的 控制死区时，系统采用仿人智能控制以减少自调整模糊控制的稳态误差。通 过大量实验表明，采用这种方法的恒温水浴温度超调量小、稳定速度快，稳 态误差郢1 ，优于国家标准规定的技术指标。 针对恒温水浴中数字温度传感器存在的非线性误差，建立了一种基于改 进型r b f n n 集成的数字温度传感器误差补偿方法：首先根据数字温度传感 器的误差特征和成员网络生成器，构造多个相互独立的子r b f n n 网络，分 别完成传感器额定量程各区间的误差补偿；然后利用输出估计器和权值调节 器，确定集成结论权值，完成数字温度传感器全量程范围内的非线性误差补 偿，获得准确的测温结果，并通过实验验证了这种方法的有效性。 论述了重力式毛细管粘度仪的构成和工作原理，设计了恒温水浴温度采 集与控制模块、人机接口模块的硬件电路，完成了复合智能控制、数字温度 传感器非线性误差补偿软件设计。这种温控系统具有加热与制冷功能，控制 范围为1 5 4 0 ，温度采样分辨率为o o l ，温度控制精度小于o 1 。这些 研究工作为重力式毛细管粘度仪恒温水浴工程化应用奠定了基础。 关键词：恒温水浴；温度；复合智能控制；数字温度传感器；误差补偿 l a b s t r a c t g r a v i t y 。c a p i l l a r yv i s c o m e t e ri st h ei n s t r u m e n tf o rt e s t i n gv i s c o s i t yo fl i q u i d ， i ti sa p p l i e di nm a n y f i e l d s ，s u c ha sp e t r o l e u m ，c h e m i c a li n d u s t r y ，c h e m i c a lf i b e r , f o o da n dm e d i c i n e t h e r m o s t a t i c w a t e rb a t hi st h eo n e k e yp a r t o f g r a v i t y c a p i l l a r yv i s c o m e t e r s ，a n d i t s t e m p e r a t u r ec o n t r o l i st h eo n ek e y t e c h n o l o g yo fv i s c o m e t e r s u n d e rt h es u p p o r t so fc h a n g s h aw e i t et e c h n i q u e d e v e l o p m e n tc o m p a n y sp r o j e c t ( “i n t e l l i g e n tv i s c o m e t e r ) ，s o m es t u d i e sa r e p e r f o r m e d t h ec o n c e p t i o no fv i s c o s i t yi sp r e s e n t e d ，t h er e l a t i o n s h i po fv i s c o s i t ya n d t e m p e r a t u r ei se x p o u n d e d ，a n dt h er e s e a r c hs t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt r e n do f t e m p e r a t u r ec o n t r o lm e t h o df o rt h e r m o s t a t i cw a t e rb a t ho fg r a v i t y - c a p i l l a r y v i s c o m e t e ri si n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h et h e r m o s t a t i cw a t e rb a t h ss o m ec h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha s n o n l i n e a r i t y ，g r e a th y s t e r e s i s ，a nc o m p l e xi n t e l l i g e n tc o n t r o lm e t h o di sp r o p o s e d t om e e tt h et e m p e r a t u r ee r r o ro ft h e r m o s t a t i cw a t e rb a t hb yn a t i o n a ls t a n d a r d so f v i s c o s i t yt e s t i n g ( m e t h o d f o rm e a s u r e m e n ta n dt e s to ft h e v i s c o s i t y g b t 2 5 6 8 8 ”) ，w h i c hc o m b i n e si m p r o v e db a n g b a n gc o n t r o l ，s e l f - o r g a n i z i n g f u z z yc o n t r o l ，h u m a n s i m u l a t e di n t e l l i g e n tc o n t r o la n dp w mc o n t r o lo fd s p w h e nt h e t e m p e r a t u r e e r r o rb e t w e e nt h ed e s i r e d t e m p e r a t u r ea n da c t u a l t e m p e r a t u r ei n t h ew a t e rt a n ki s l a r g e ，t h ei m p r o v e db a n g b a n gc o n t r o l l e ri s e m p l o y e dt or e d u c et h er i s et i m eo f c o n t r o l l e ri su s e dt od e c r e a s et h es y s t e m t e m p e r a t u r e ，t h es e l f - o r g a n i z i n gf u z z y o v e r s h o o tw h e nt h et e m p e r a t u r ee r r o ri s s m a l l ，t h eh u m a n s i m u l a t e di n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ri sa p p l i e dw h e nt h et e m p e r a t u r e e r r o ri sl e s st h a nt h es t e a d y s t a t ee r r o ro ff u z z yc o n t r o l l e r a l l e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h et h e r m o s t a t i cw a t e rb a t hw i t hc o m p l e xi n t e l l i g e n tc o n t r o l m e t h o dh a ss m i s f i e dp e r f o r m a n c e ，i t so v e r s h o o ti ss l i g h ta n ds t e a d y s t a t ee r r o ri s l e s st h a n0 0 5 。c ，w h i c hi sb e t t e rt h a nt h ec h i n e s en a t i o n a ls t a n d a r d sf o rv i s c o s i t y m e a s u r e m e n t an o n l i n e a re r r o rc o m p e n s a t i o nm e t h o df o rd i g i t a lt e m p e r a t u r es e n s o rb a s e d h o nm o d i f i e dr a d i a lb a s i sf u n c t i o nn e u r a ln e t w o r k s ( i 疆n 州) e n s e m b l ei sp r o p o s e d f i r s t l ys o m ei n d e p e n d e n tm e m b e rn e t w o r k sb a s e do nr b f n na r ef o u n d e dt o c o m p e n s a t es e n s o r se r r o r i nr e s p e c t i v er a n g ea c c o r d i n gt ot h ed i g i t a lt e m p e r a t u r e s e n s o r se r r o rc h a r a c t e r i s t i ca n dt h eg e n e r a t o ro fm e m b e rn e t w o r k t h e nt h e e s t i m a t o ro fd i g i t a lt e m p e r a t u r es e n s o r so u t p u ta n dt h ew e i g h tc o n t r o l l e ra r eu s e d t oo b t a i nt h eo u t p u tw e i g h to fr b f n ne n s e m b l e ，a n dt h ef i n a lt e m p e r a t u r er e s u l t i sg o r e n t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h em o d e lb a s e do nr b f n ne n s e m b l ei s e f f e c t i v et oc o m p e n s a t et h en o n l i n e a re r r o ro ft e m p e r a t u r es e n s o r t h ec o n f o r m m i o na n do p e r a t i n gp r i n c i p l eo fg r a v i t y c a p i l l a r yv i s c o m e t e ri s i n t r o d u c e d ，a n dt h ec i r c u i ti sd e s i g n e d ，w h i c hi n c l u d e st e m p e r a t u r ed a t aa c q u i r i n g c i r c u i t t e m p e r a t u r ec o n t r o lc i r c u i t ，a n dm a n m a c h i n e i n t e r f a c ec i r c u i t t h e s o f t w a r eo fc o m p l e xi n t e l l i g e n tc o n t r o la n dc o m p e n s a t i o nf o rs e n s o r sn o n l i n e a r e r r o ri sg i v e n t h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mh a st h ef u n c t i o no fh e a t i n ga n d c o o l i n g ，i t sr a n g e i s 15 - 4 0 。c ，t e m p e r a t u r er e s o l u t i o ni s0 01 ，a n di t s s t e a d y e r r o ri sl e s st h a n0 1 k e yw o r d s ：t h e r m o s t a t i cw a t e rb a t h ；t e m p e r a t u r e ；c o m p l e xi n t e l l i g e n t c o n t r o l ；d i g i t a lt e m p e r a t u r es e n s o r ；e r r o rc o m p e n s a t i o n 1 1 1 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 学位论文作者签名：栖辫 劢o 年岁月弓7e t 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南师范大学可以将本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和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：鹤孑乞辫日期：历d 年夕月弓7 剧醛轹 日期：( 。年 日 日 重力式毛细管粘度仪恒温水浴温度控制系统研究 第一章绪论 粘度是用来表征流体在外力作用下流动时，因存在分子间内聚力而沿其 界面产生内摩擦力大小的物理量。流体的粘度与温度关系密切，受温度影响 很大，因此为保证粘度测量的准确性，被测流体必须置于精确、稳定的恒温 环境中。重力式毛细管粘度仪是测量流体粘度的设备，恒温装置( 即恒温水 浴) 的温度准确、稳定控制是重力式毛细管粘度仪的关键技术之一。本章首 先介绍了流体粘度的基本概念，阐述了粘度与温度的关系，综述了重力式粘 度仪恒温水浴温度控制方法的现状，指出了项目的来源与技术特点，介绍了 本文研究的内容与意义。 1 1 粘度测量原理 粘度是用来表征流体在外力作用下流动时，因分子间内聚力的存在而沿 其界面产生内摩擦力大小的物理量。粘度是表征流体性质的一项重要参数， 是流体的重要物理特性，不同物质粘度不同。常用的粘度分为动力粘度、运 动粘度等1 1 , 2 1 。 ( 1 ) 动力粘度 动力粘度叩是稳态流体中的剪切应力与剪切速率之比值，单位是帕秒 ( p a s ) ，即 式中，r 表示剪切应力( 邢) ；f 表示流动流体相邻层间的内摩擦力；s 表示 液层接触面积；尹表示切变速率d v d y 。 ( 2 ) 运动粘度 - - ， 曼s卜舍一妙 = 厂 一一 刁 硕士学位论文 流体的动力粘度瑁与同温度下该流体的密度p 的比值称为运动粘度1 ) ， 即 归瓦( 1 - 2 ) 式( 1 2 ) 表示了在温度死下，流体动力粘度与运动粘度的关系，其单 位为m z s 。运动粘度通常可用毛细管粘度仪测定，由于运动粘度与被测流体 的密度p 无关，因此在工程中应用广泛。 流体粘度的测定方法很多，常用的可分为重力式毛细管法、旋转法、粘 度杯法等，其测量原理不相同。粘度与浓度、温度、粒径等密切相关，不同 测量方法的测量精度及测量单位是不同的，不能相互换算【。 ( 1 ) 重力式毛细管法 重力式毛细管法采用相对测量原理，即在一定温度下，测量一定体积流 体在重力作用下流经毛细管所需时间于，然后按公式( 1 - 3 ) 、( 1 4 ) 计算获得 运动粘度v 与动力粘度7 7 【1 1 ： ，= c f ( 1 3 ) r = p v ( 1 - 4 ) 式( 1 - 3 ) 中，c 为仪器常数，在出厂时标定。对于这类粘度仪，准确测 定时间f 为其关键技术之一。重力式毛细管粘度仪结构精密，测量准确度高， 广泛应用。 ( 2 ) 旋转法 当流体与浸于其中的物体( 如圆筒、圆锥、圆板、球及其他形状的刚性 体) 作相对旋转运动时，物体将受到流体粘性力矩的作用而改变原来的转速 或转矩，旋转法就是利用这一特性完成流体粘度的测量i i , 3 1 。根据物体与容器 的几何形状，旋转粘度仪可分为同轴桶式、单圆筒式、锥一板式、锥桶式、 锥锥式，板一板式旋转粘度仪等。旋转式粘度仪主要应用于测量石油、聚酯 等高粘度的流体。 重力式毛细管粘度仪恒温水浴温度控制系统研究 ( 3 ) 粘度杯法 粘度杯属于短管粘度计，是类比较特别的粘度计，其主体是一个杯子， 杯子底部中央有一个小圆孔或一段小短管，有的杯子下面有专用接收瓶。试 验时将试液装入杯中至一定高度或装满，测量杯中试液流完或流出一定体积 ( 决定于接收瓶的容积) 所需时间。粘度杯法直接用试液的流动时间或试液 的流动时间与同体积粘度标准液的流动时间之比表示“粘度”。粘度杯结构简 单，操作方便，但测量精度不高，主要用于工厂、现场及化验室做粗略的粘 度分析。 1 2 粘度与温度的关系 粘度与温度的关系密切，在常温常压下，当温度变化l 时，流体的粘 度变化为百分之几甚至百分之十几。然而流体的粘度与温度并不成线性关系， 温度越高，流体粘度越小，且温度越低，粘度变化越大l ，4 】。例如在0 。c 、2 0 * ( 2 、 1 0 0 。c 下，当温度变化量a t = i 时，水的粘度变化量分别为3 4 、2 5 、 1 1 【1 1 。对于流体，一般可以用安德雷德式( a n d r a d e 式，即通用式) 表示 其粘度与温度的关系，即【1 1 羔 刁= a e 7 ( 1 - 5 ) 式中，7 7 为动力粘度，a 为常数( 通过实验求得) ；k 为气体常数，k = 8 3 1 4 4 j 依， 丁为绝对温度，e 为粘流活化能量。 特殊的，对于石油产品，其粘度与温度的关系可用双对数式表示，即 l o g l o g ( v + 0 7 ) = a b l o g t ( 1 6 ) 式中，v 为运动粘度，a 、b 为实验常数，r 为绝对温度。 对于极性溶液，其粘度与温度的关系可用福策方程( f u l c h e r ) 表示，即 l o g 例+ 高 ( 1 - 7 ) 式中，刁为动力粘度，彳、b 、死为实验常数，丁为绝对温度。 硕上学位论文 由式( 1 5 ) ( 1 7 ) 可知，流体粘度( v 或7 7 ) 与温度丁关系密切，是 温度的非线性函数，因此在粘度测试过程中，必须将被测流体置于准确、稳 定的恒温环境。按照粘度测量的国家标准粘度测试方法g b t 2 5 6 8 8 的规 定，粘度仪恒温水浴的温度误差 o 1o c t 5 1 。因此作为重力式毛细管粘度仪重 要部件的恒温水浴，其温度的准确、稳定控制是重力式毛细管粘度仪的关键 技术之一。 1 3 恒温水浴温度控制方法的现状 恒温水浴能够提供一种稳定、准确的恒温环境，其广泛应用于医学设备、 工业测试、食品加工、石油化工等领域。温度控制的高准确度、低超调、快 速稳定是其基本要求。 温度控制技术发展大约经历了三个阶段：一是开关控制；二是p i d 控制； 三是智能控制【6 】。开关控制又称b a n g b a n g 控制，其通过设定温度( 即目标 温度) 与实时测量温度的比较值，控制开关( 如继电器等) 开启或关闭，这 种控制方式简单，但超调量大，稳态误差大 6 1 。p i d 控制是基于经典控制理 论发展起来的，是一种线性控制器，它将目标温度与被控对象实时温度的偏 差比例( p ) 、积分( i ) 、微分( d ) 通过线性组合构成控制量，控制被控对 象的温度最终稳定在目标温度【7 母】。p i d 控制算法简单、可靠性高，应用广泛， 其性能远远优于开关控制，对于可建立精确数学模型的控制对象，p i d 控制 性能优越，但对于恒温水浴这样的非线性、大滞后的控制对象，难以建立精 确的数字模型，因此p i d 的参数整定困难，且不能实现最优控制。智能控制 是一类模仿人类思维方式、无需建立被控对象数学模型的自动控制方法。智 能控制方法很多，一般包括专家控制、模糊控制、神经网络控制、仿人智能 控制及其组合控制方法1 1 0 - 1 2 】。随着各种控制方法研究的深入，逐渐出现了开 关控制、p i d 控制与各种智能控制方法相结合的控制方式，这种控制方式充 分利用了各种控制方法的优势，达到了最佳的控制效果，如模糊p i d 温度控 4 重力式毛细管粘度仪恒温水浴温度控制系统研究 制方法、模糊神经网络温度控制方法，智能p i d 温度控制方法等 s , 1 3 - 1 5 】。 在过程控制中、特别是温度控制领域，模糊控制及与其它控制方法的组 合控制方式最为成功，取得了许多研究成果，对本文设计的恒温水浴温度控 制最可借鉴。19 7 4 年，m a m d a n i 首先利用模糊逻辑和模糊推理实现了蒸汽机 的控制【1 6 1 。1 9 7 6 年，e j k i n g 和m a m d a n i 等人合作，利用模糊控制对反应器 成功实现了温度控制，这是人类首次采用模糊控制实现温度控制【1 7 1 。从2 0 世纪8 0 年代至今，国内外模糊控制方面的研究方兴未艾，产生了诸多成果， 出版了许多论文，并且在军事、工业控制、交通运输、家用电器等领域获得 了极大的成功。文献 1 8 】采用一种柔性神经网络参数学习p i d 控制方法，实 现了对医用恒温箱的温度控制。文献 1 9 】提出了一种自适应模糊控制算法， 并在热水供暖系统的温度控制中获得了成功。文献【2 0 】将一种模糊神经网络 应用在高温计误差校正与高速加热处理系统的温度控制中，取得了良好的效 果。文献 2 l 】采用一种t s k 型反馈模糊神经网络，完成了水浴温度控制。文 献 2 2 禾f j 用t s k 反馈模糊控制方法与f p g a 实现了水浴温度控制。 目前国内市场上供应的恒温水浴主要有三类【2 3 1 。第一类是普通的恒温水 浴，其在水浴槽内配置一套匾温加热系统，并外带一机械搅拌装置，但由于 没有制冷源，只能将温度控制在室温以上，限制了其使用范围。第二类是结 构较复杂的所谓超级恒温水浴，它带有供外接循环水用的水泵，这种水浴虽 然可以较精确恒温，但升、降温时间较长，并且由于恒温容器内没有搅拌装 置，其温度均匀性受到一定影响。第三类是利用半导体器件实现制冷和制热 的恒温水浴，这种恒温水浴根据用户要求，通过改变流过半导体元件的电流 方向，实现水浴的制冷或加热，但是由于半导体元件工作效率低，制冷或加 热速度慢。此外，这三类恒温水浴一个明显的不足之处是温度稳定时间长， 这是因为恒温水浴一旦出现温度超调，要稳定到目标温度，需要通过自然冷 却( 第一类恒温水浴) ，或更换大量的水并重新加热( 第二类恒温水浴) ，或 改变流经半导体元件的电流( 第三类恒温水浴，但半导体元件制冷速度慢) 。 s 硕上学位论文 本文设计的恒温水浴利用电加热器加热与机械压缩机制冷相结合的恒温方 式，采用复合智能控制方法，以实现恒温水浴温度准确、快速控制的目的。 1 4 项目来源与技术特点 本论文以工程实践中常用的重力式毛细管粘度仪恒温水浴为研究对象， 并结合长沙威特科技开发有限公司企业委托项目“智能粘度仪”，开展了一系 列的研究工作。 本论文的总体研究目标是：以粘度测量国家标准粘度测试方法 g b t 2 5 6 8 85 5 规定的恒温水浴温度误差为目标，针对恒温水浴非线性、大滞 后性、不易建模的特点，构建一种恒温水浴温度的复合智能控制方法，以完 成水浴温度的稳定、快速、准确控制，其稳态误差 o 、a e ( n ) 0 ，因此具有特征p ( ，z ) p ( 刀) o ； 此时系统的动态过程向误差减小的方向变化，即误差逐渐减小。 在a b 段，误差p ( 刀) o 、a e ( n ) o ；此时系 重力式毛细管粘度仪恒温水浴温度控制系统研究 统的动态过程向误差增大的方向变化，即误差的绝对值逐渐增大。 在b 点( 误差极值点1 ，实际上是在b 点之后一个采样周期的间隔之间， 而非极值的顶点) ，误差g ( 刀) 0 ，a e ( n 1 ) 0 ，因此具有特征e 加) e ( 纷) o ；此时系 统的动态过程向误差增大的方向变化，即误差逐渐增大。 在d 点( 误差极值点2 ，实际上是在d 点之后一个采样周期的间隔之间， 而非极值的顶点) ，误差d 刀) o 、a e ( n ) o ，因此具有特征 a e ( n 1 ) a e ( n ) 0 ，则表示无极点。 在d e 段，误差e ( 以) o 、a e ( n ) 0 ，因此具有特征p ( 圪) - e ( 玎) m最人值或最小值 开关 p ( 胛) 踟 i e ( n ) 臣m 2 f ( n 一1 卜k i k t , e ( n ) 2或且比例 氓”) = o ，咖b 的 i e ( n ) l m 2f ( n i p 硌( 疗) 3 p ( 珂) a e ( n ) o ，或p ( ) = 0厂) 可( ，一1 ) 保持l “刀) “力) o 且 l e ( n ) 巨m 2f ( n - i 卜垅l 砭印“玎) 4 保持2 a e ( n ) a e ( n 1 ) o 时，加 热器工作；反之，制冷器与加热器同时工作，即 参鬈；砌e n 厶i n n = - - 厶f h e a t t h e n+ k ( 2 - 7 ) 薅龃k 8 嘲= 讪d 七 哂m j 式中，0 为温度阈值( 通过实验确定0 值) ，为加热方式，工砌为制冷方式， 厶，为控制器的输出。 如果a t d c _ _ o ( 即加热工作方式) ，当温度误差e 大时，系统采用改进型 b a n g - b a n g 控制石( 力) ；当温度误差e 较小时，采用自调整模糊控制以( 刀) ；当 温度误差小于自调整模糊控制器的稳态误差时，系统采用仿人智能控$ 1 j f 3 ( n ) 。 重力式毛细管粘度仪恒温水浴温度控制系统研究 恒温水浴温度复合智能控制的结构如图2 3 所示。 图2 3 恒温水浴温度复合智能控制结构 图中，z 时刻复合智能控制的输出为 l 石( 刀) l ei m 厶硎= 五( ，z ) m s l p l m i ( 2 8 ) 【f 3 ( n ) l el 必。 2 3 2 改进型b a n g b a n g 控制环节 式( 2 8 ) 中，石( ”) 为改进型b a n g b a n g 控制，即 彳( 门) = 式中，尸为加热器全功率加热方式；p 2 为加热器半功率加热方式；m j 、m o 为温度误差阈值，其可通过实验确定。 2 3 3 自调整模糊控制环节 基本模糊控制器一般采用二维模型，以误差与误差变化率为输入，其控 制性能由输入输出变量及其论域和模糊变量的隶属度函数决定，当这些因素 确定后，基本模糊控制器的控制规则就完全固定。由于控制过程不断变化， 因此这种基本模糊控制器并不能达到最优控制。如果在控制过程中根据误差 与误差变化率修正模糊控制规则，将使系统性能不断改善，从而获得更优良 9冬 一 毛 晓 m “ p 尸一2 0 硕士学位论文 的控制效果。因此，当水浴温度误差e 满足条件m eq e l m 时，本节采用一 种自调整模糊控制方法，实时修正模糊控制规则，以获得较好的温度控制效 田 木0 设恒温水浴温度偏差的模糊输入变量为e ，温度偏差变化率的模糊输入 变量为e c ，即 e = i n t ( r o u n d ( e 屯) ) ( 2 1 0 ) e c = 1 n t ( r o u n d ( a e 事k c ) ) ( 2 11 ) 式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 中，i n t 表示取整，r o u n d 表示四舍五入，屯、岛分 别为温度偏差e 、温度偏差变化率a e 的模糊化因子。 当水浴温度误差e 满足条件也q p l m 时，复合智能控制工作在自调整 模糊控制方式，即 f a e + ( 1 - o t ) e c 奉l ，怛：q e i m i 厶( ) = 0 ，【a e + ( 1 一c t ) e c 】 0 ( 2 1 2 ) i f c ( a l ，s ，) ， ie ( n ) l m 。 式中三为模糊控制步长；a 为自调整模糊控制的调节因子，与e 、a e 有关， 其可利用模糊决策的方法确定，仅的取值范围为o 鱼1 ；“门) 、e ( n 1 ) 分别为n 、 刀一l 时刻的误差；m j 、必为温度误差阈值。 自调整模糊控制采用常用的二维结构形式，以e 、e c 为输入变量，以r 为模糊输出。e 、e c 和凡的语言变量均采用七级 负大，负中，负小，零， 正小，正中，正大) ，即 n b ，n m ，n s ，z ，p s ，p m ，p b ) ；设e 、e c 的论域均为 3 ，2 ，一1 ，o ，l ，2 ，3 ) ，凡的论域为 0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) 。为了简便而不失良好的 控制效果，语言变量的隶属度函数均采用三角形函数，分别如图2 4 、图2 5 、 图2 - 6 所示。 重力式毛细管粘度仪恒温水浴温度控制系统研究 义啾 zp s p mp b 冷汀。 3210123e 。r 图2 4e 的隶属度函数 义啾冷 o ) n ( 心q e l o ) n ( i e l 心) ( ( p a e _ 0 ) n ( ipl 收) ) u ( p = o ) ( 2 1 4 ) ( p 血0 ) n ( 心q p l 丝) 式中，仿人智能控制方法以e 、a e 及它们的各种组合为输入特征信息，通过 模式识别和控制决策，对式( 2 1 2 ) 进行合适的补充；同时，式( 2 1 2 ) 中 的控制修正量f g a 瓦3 , a ) 为式( 2 1 4 ) 所示的仿人智能控制提供了初始值。通 过这种修正，可大大减少系统静差，提高控制响应速度，实现高精度、高稳 定度的温度控制。其中，五加) 为控制器的当前输出，石( 刀1 ) 为控制器前一时刻 的输出：为系统的最近一个偏差极值；为比例系数；k l 为增益放大倍数 ( 后l 1 ) ；恕为抑制系数( 0 骗1 ) ；必、必为温度误差阈值，坛矧以。 图2 8 为恒温水浴温度复合智能控制解析示意图。图中，坛、必、 1 7 硕上学位论文 均为温度误差阈值( 坛 坦 m ! 时， 系统工作在石( 门) 方式；当温度误差m i e i _ m 1 时，系统工作在五伽) 方式；当 温度误差h 刈坯时，系统工作在石( 刀) 方式；即系统工作满足式( 2 - 8 ) 。 弋一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 二s 二二二二二二二二： = 专二尹= 一一三| i v 图2 - 8 复合智能温度控制解析不意图 式( 2 7 ) ( 2 1 4 ) 即为恒温水浴温度复合智能控制算法模型。值得注 意的是，当设定的水浴目标温度与环境温度的差值低于阈值秒时( 即玩 臼) ， 由于采用压缩机制冷不能频繁启动，无法通过制冷量控制实现温度下降过程 中的水浴温度准确控制，因此采用压缩机不间断制冷降温与加热升温相结合 的方式，通过精确控制加热器的加热量，从而实现水浴温度的准确控制，其 加热控制算法如同式( 2 7 ) ( 2 - 1 4 ) 。 2 3 5 基于d s p 的恒温水浴温度复合智能控制方法实现 恒温水浴采用t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为信息处理单元， 其具有p w m 控制功能。本文将d s p 的p w m 功能与复合智能控制方法有机 结合，以实现水浴温度的稳定、便捷控制。d s p 内部的定时器t l 具有1 6 位 重力式毛细管粘度仪恒温水浴温度控制系统研究 的周期寄存器兀袱和比较寄存器乃c m p r ，兀朋用于设置p w m 的周期， t j c m p r 用于设置p w m 的占空比【2 8 1 。通过p w m 的周期恒定不变，在线修 改p w m 的占空比的方法( 即乃朋值恒定，在线修改i 1 c m p r 的值) ，改变 水浴加热器在一个p w m 周期内的加热时间，以达到温度的精确控制。 当死a 咿r = 兀艘时，p w m 占空比为l ：o ，加热器在整个p w m 周期内 都加热，即加热器全功率加热；当t i c m p r = t i p r 2 时，p w m 的占空比为1 ：2 ， 加热器在半个p w m 周期内加热，即加热器半功率加热；当t ! c m p r = o 时， p w m 的占空比为0 ：1 ，加热器不加热。结合p w m 控制，式( 2 9 ) 可改写为 五朋，e m o 五哪- 竽，m p 眠 ( 2 1 5 ) e 一m i 对于式( 2 1 2 ) 所示的自调整模糊控制，a 由于采用了七级判决方式， 同时考虑到b a n g b a n g 控制与自调整模糊控制良好的“接口 ，自调整模糊控 制的控制步长= ( t | p r 2 ) 6 = t i p r 1 2 ，结合d s p 的p w m 控制方式，式( 2 1 2 ) 可改写为 百t i p r 陋+ ( 1 一口) 嬲】，m 。马p i m 。 t i c m p r 2 = 0 ， z ( 瓦，s ，) ， 【e r e + ( 1 - a ) e c 0 ( 2 - 1 6 ) ( i e l 0 ) n ( 心马p i 0 肌m ) ( 2 - 1 7 ) t l c m p r 3 ( n - 1 ) ，( ( p l x e o ) n ( 1ei 收) ) u 0 = 0 ) t l c m p r 3 ( 刀一1 ) + t 1 p 二re , k 2 k p ，( p 伽。) n ( 心马水丝) 式中，t j c m p r 3 ( n 1 ) 为前一时刻t j c m p r 值。 2 3 6 复合智能控制的参数整定 式( 2 1 4 ) 所示的控制方法中，k l 、如、乞都为待整定的参数，这些参数 除了必须满足文献【2 5 2 9 。3 2 1 中所提出的原则外，还必须实现五( 刀) 与石0 ) 的“无缝 接口，即满足下面关系式 0 q 馘( a ) i lv 丑：q 五 ( 。 ，i = o ，1 ，2 m ( 2 1 8 ) 式中，劬( ) 为按照石( 刀) 推理得到的控制量的增量；j l i 为i 时刻的系统输入特 征信息；为输入特征信息a ，所对应的特征状态；嘞( 一) 为控制方式a ( n ) e 应 的特征状态集 2 5 , 3 3 , 3 4 1 。 式( 2 1 8 ) 表明，对于任意属于石( 刀) 控制方式的输入特征信息a ，经识 别、推理得到控制量的增量小于或等于f 2 ( n ) 中的白调整模糊控制步长三。式 ( 2 1 8 ) 为水浴温度复合智能控制方法参数整定提供了一个准绳。将式( 2 1 7 ) 中各控制量的增量( 即a t l c m p r 3 ( n ) = t , c m p r 3 ( ，2 ) 一t 1 c m p r 3 ( ，z 1 ) ) 代入式 ( 2 1 8 ) ，此时l = t l p r 1 2 ，并考虑k l 、也的定义域，当e 取上界值时， a t tc m p r 3 ( 忍) 最大，则有 竽毛 包 等l k e p 竽如k l 【e 0 七2 1 ，毛l 2 0 ( 2 1 9 ) 重力式毛细管粘度仪恒温水浴温度控制系统研究 设计中，当必、坛和忽的确定后，即可确定k l 、恕、乞的取值范围。 温度阈值m o 、m 、必、舰的取值大小与控制器所要求的动态响应速度、 稳态误差有关。一般情况下，m o 、m 越小，复合智能控制的动态响应速度越 快，温度的上升时间越短，但超调量也会增大；必、坛通过影响自调整模糊 控制方式修正量的大小，从而影响控制器的稳态误差，在设计中，必为1 2 自调整模糊控制步长，m a 为系统要求的稳态误差，并根据上述原则，综合考 虑各因素的影响，通过实验确定加以适当调整。 2 4 恒温水浴温度的复合智能控制方法实验 构建复合智能控制算法后，利用重力式毛细管粘度仪恒温水浴装置进行 了大量的实验，根据重力式毛细管粘度仪恒温水浴温度上升时间、超调量和 控制精度的要求，通过大量实验并考虑裕量，确定修正量f g , t i c , s , a ) = t l p r 7 2 ，0 = 1 ，取m o = 3 c ，蚴= o 7 5 。c ，蜘0 2 5 * ( 2 ，坛= 0 0 5 。c 时，计算 得到k e = 4 ，k 1 = 1 2 ，k l = 1 2 ，= o 6 5 ，k 2 = o 8 ，获得了满意的温度控制效果。 当水浴外部环境温度、水浴初始温度为3 。c ，水浴目标温度为2 0 时， 图2 - 9 为水浴温度的b a n g - b a n g 控制、基本模糊控制与复合智能控制曲线比 较；图2 一1 0 为水浴初始温度为5 、不同水浴目标温度下，水浴温度复合智 能控制曲线；图2 一1 1 为当有强干扰信号时( 掺入适量温度为3 的水) ，智 能粘度仪水浴温度复合智能控制曲线；图2 1 2 为不同如时，复合智能控制 温度曲线( h c l 为铲o 6 5 ；h c 2