（测试计量技术及仪器专业论文）红外水分测定仪关键技术的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 本文在分析了各种水分测定方法及国内外相关仪器的基础上，结合上海精密 科学仪器有限公司的要求，设计了红外水分测定仪本文着重研究了决定红外水 分测定仪测量精度的关键技术一一电子天平的质量测定和红外加热的温度控制。 电子天平系统完成样品烘干时要求进行的实时质量测定。作者采用数字p i d 调节器和专门设计的计数器，控制两级电流豫向电磁力平衡称重传感器动圈提供 精密可调电流。作者还分析了电子天平的误差来源，并探讨了误差补偿方法。 烘干箱的温度控制精度直接影响物品的水分测定结果本文在分析了单纯数 字p i d 温度控制的利弊和红外水分测定仪烘干箱温度控制对象的具体特点后，运 用热力学方程建立起温控对象的离散数学模型，阐述了极零点配置自校正p i d 控制方法的具体实现，给出了各相关参数的计算公式。在硬件电路上，作者通过 脉冲宽度调节方式控制双向晶闸管的关断时间，从而改变红外加热器的加热功 率，使烘干簏的温度控制精度达到0 5 c 。 作者设计了包括触摸屏和液晶显示、打印机接口、以及通信接口在内的人机 界面系统，编写了电子天平称重子程序、温度控制子程序、显示子程序和人机界 面相关的监控程序。 红外水分测定仪通过调试，在质量测定和温度控制上达到了预定的技术指 标。 关键词：水分测定电子天平红外加热温度控制 一一 圭塑查兰壁主兰堡堡塞 a b s t r a c t b a s e do nt h ea n a l y s i so fv a r i o u sm o i s t u r ed e t e r m i n i n gm e t h o d sa n dt h er e l a t e d i n s t r u m e n t sd o m e s t i ca n d a b r o a d ，w ed e m g nt h ei n f r a r e dm o i s t u r ea n a l y z e rw i t ht h e d e m a n d sf r o ms h a n g h a ip r e c i s i o na n ds c i e n t i f i ci n s t r u m e n tc o l t d i nt h i sp a p e r w b m a i n l yr e s e a r c h t h ee l e c t r o n i cb a l a n c eo f q u a l i t yd e t e r m i n i n ga n dt h et e m p e m t u r e c o n t r o l s y s t e m o f i n f i a r e d d r y i n m g ，w h i c hw e t h i n ka r ek e yt ot h ei n s t r u m e n t t h ee l e c t r o n i cb a l a n c e 鲫b s y s t e mi sd e s i g n e dt ow e i g ht h es a m p l e d u r i n gd r y i n g w e a d o p t t h ed i g f f a lp i dc o n t r o l l e ra n dt h ec o u n t e rd e s i g n e ds p e c i a l l yt oc o n t r o lt h e t w ol e v e lc u r r e n t $ o u r p x s ，w h i c h p r o v i d et h eh i g hp r e c i s i o na n da d a p t a b l ec u r r e n tt o t h ec o i li nt h ee l e c t r o m a g n e t i cr e s t o r a t i o nm a s ss e n s o r t h ee r r o ro f e m c t r o m cb a l a n c e a n dt h em e t h o dt oc o m p e n s a t ei ta r ea l s od i s c u s s e di nt h e p a p e r t h e p r e c i s i o no ft e m p e r a t u r ec o n t r o l l e di nt h ed r y i n gc h e s ti sd i r e c t l yr e l a t e dt o t h er e s u l to f t h ee x p e r i m e n t a f t e r a n a l y z i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h e p u r ed i g i t a l p i dc o n t r o l l e ru s e di nt h e t e m p e r a t u r e ，w e b u i l d u pt h e d i s c r e t e m a t h e m a t i c sm o d e lo ft h ed r y i n gc h e s tb a s e do ni t sp r o p e rc h a r a c t e r sa n d t h e n , w e e x p l a i nt h et h e o r ya n dp r a c t i c eo fd i g i t a lp i dc o n t r o la n ds e l f - t u r n i n gc o n t r o lb a s e d o n p o l ea n d z e r op o i n t s p l a c e m e n t f i n a l l y , w ew o r ko u t t h er e l a t e dp a r a m e t e r so f t h e t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r i nh a r d w a r ec k c u rr e a l i z a t i o no ft e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m , w er e g u l a t et h eo n o f ft i m eo ft h ed u a ld i r e c t i o n t h y r i s t o rw i t hp w m c o n t r o l s t r m e g y t h u st h ep o w e ro ft h ei n f r a r e dh e a t e r i s c b a a g e di na l lt i m ea n dt h e t e m p e r a t u r ei nt h eh e a t i n gc h e s t e a r lb em a i n t a i n e dw i t ht h ep r e c i s i o no fo 5 c w e d e s i g nt h em a n - m a c h i n ei n t e r f a c ei n c l u d i n gt o u c h i n gs c r e e n , l c dd i s p l a y m o d u l ea n d p r i n t e r t h es o r w a r en e e d e df o rt h ei n f r a r e dm o i s t u r ea n a l y z e rh a sb e e nf i n i s h e d t h e e x p e r i m e n t a l r e s u k ss h o wt h a tt h et w o k e yt e c h n i q u e sw e h a v ep r o p o s e dc f l l l s o l v et h e p r a c t i c a lp r o b l e me f f e c t i v e l y k e y w o r d s ：m o i s t u r ea n a l y z e ，e l e c t r o n i cb a l a n c e ，i n f r a r e d d r y i n g ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名：盗童车日期鱼掣聋塑艮日 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：竺监! 盟幽 上海大学硕士学位论文 第一章绪、论 1 1 水分测定及其方法1 】【2 】 水分含量是影响物质的物理、化学和生物特性的重要指标，其测定涉及到国 民经济的许多领域，与工农业生产密切相关。从古及今，物质含水量测定方法的 研究经历了漫长的道路，派生出了许多方法，而且目前仍处于发展中。下面对几 种常用的物质水分测定方法加以介绍。 、 蒸馏法：是在试样中加入与水不相溶的溶剂，并在回流条件下加热蒸馏。冷 凝下来的溶剂和水在接收器中连续分离，水沉降到接收器中带刻度部分，溶剂返 回到蒸馏烧瓶中。读出接收器中水的体积就可以计算出试样中水的百分含量。这 种方法由于是离线测量，取样量少，且操作复杂，周期长，己不能适应日前工业 自动化的要求。 微波法：其主要原理是介质在微波电场中，水的储能系数e h 和耗能系数e c 都比较大( e h = 6 4 ，e c = 2 9 ) ，而某些物质例如油的储能系数e h 和耗能系数e c 都 比较小( e h = 2 ，e c = o 0 4 ) 。微波式含水测试传感器正是利用这种差异来测量物品 中的含水量。这种方法测量精度高，用于在线测量，测量范围宽，但价格昂贵。 电导法：是根据被测物品水分变化时其直流电阻值随之变化的原理来测量物 质的含水率，含水率增加导致电阻值减小。这种方法制作简单，但精度低。主要 用干测量电导率受含水量影响较大的物质，一般用于测量物质的湿度( 如木材、 纤维、纸张和谷物等) 。 电容法：是根据样品的介电常数与水的介电常数不同来捡测其含水量。当电 容器的几何尺寸一定时，电容量与介质的介电常数成正比。许多有机物材料的介 电常数为2 5 ，水的介电常数为8 0 左右，所以只要带少量水分就能使材料的介 电常数明显增加。传感器探头相当于一个电容器，其电容量与含水量成倒数关系， 从而可以来测量物体的含水量。这种方法灵敏度不高，抗干扰能力差，但电容法 随着微电子技术的发展受到的重视程度越来越高。 射频法：是根据介质在电场中射频阻抗特性不同来测量物质的含水率的。之 所以称为射频法，是因为其交变电场的频率在射频段，这种方法既避免了微波法 的高频，又利用了电容法的优点，是一种比较新的、具有广阔应用前景的测量水 第1 页共6 2 页 上海大学硕士学位论文 分方法。 气相色谱法：它采用高分子多孔微球作为色谱柱上的固定相，使水峰在一般 有机溶剂峰之前流出来，以此测量物质的含水率。这种方法是一种化学方法，其 测量速度慢，精度低且操作复杂。 卡尔- 费休法：也是一种化学方法，其原理是将式样中的水分与已知的水分 当量的卡尔费休试剂定量反应，再进行滴定，从而计算含水量。 红外加热烘干法：是采用红外线辐射加热样品，然后测定样品失水前后的质 量来得出物品的水分含量。红外线加热不同于热传导和对流加热，它以辐射方式 传递热量，不必通过中间介质而直接加热被热物。当被加热物分子受到某种频率 的红外线照射时，即辐射源的辐射能谱与被加热物的主吸收带波长分布相应时， 合引起被加热物分子产生共振吸收，加速分子内部的热运动，从而达到了升温加 热的目的。 由于红外烘干法干燥样品速度快、加热清洁均匀、测量结果精度高，我们采 用该法来测量物品中的水分含量。它的操作过程是：分别测量样品在烘干前后的 重量，含水量表示公式为； 口：w , - w o 。1 0 0 1 。 式中，w o 一一干重； w i 一一湿重： p 一一样品中所含水分的重量与该样品干重量的比值。 1 2 红外水分测定仪的特点及发展趋势3 】【4 1 红外水分测定仪以其加热烘干和质量测定的特点在高精度水分测定应用中有 独特的优势。红外水分测定仪烘干箱加热时采用红外辐射加热。这是因为红外线 可以透过样品，使整个样品均匀、快速地被加热，加快了样品的烘干。红外水分 测定仪使用时，可以实时知道待测样品的烘干情况，不需操作人员反复多次将样 品取出、冷却和称量，筒化、加快了水分测定过程。它的质量测定系统利用重力 检测传感器将重力信息转化为电信号，通过测量电路获得待测物品的质量，操作 简便、测量快速。 正因为红外水分测定仪拥有这些明显的功能及特点，所以被广泛地应用于粮 第2 页共6 2 页 上海大学硕士学位论文 食、食品、医药、化工，纺织、卷烟等国民经济各部门的实验室与工厂生产现场。 红外水分测定仪与常规的、标准的水分测定方法一致，测量结果精确，在水分测 定应用领域有着广泛的前景，它的开发和研和将朝着以下方向发展： 1 微小便携化。电子仪器的发展趋势是向微型化发展，红外水分测定仪也遵 循此规律。体积小、使用简便、易于携带的红外水分测定仪将更受人们的青睐。 2 测量精度高。红外水分测定仪的质量测定精度和温度控制精度是衡量其性 能的重要指标。随着新型传感器、新型电子元件和先进控制策略在红外水分测定 仪系统中的应用，其精度将不断提高。 3 软件尽可能代替硬件，硬件成本高，而且其性能有时会发生突变，影响红 外水分测定仪的整体性能；而且硬件的各部分工作时总要消耗一定的能量，在某 种程度上会影响到系统电路板的温度，进而影响系统的整体性能。目前，温度补 偿，线性补偿，自动校准、p i d 调节等模拟电路均由软件来实现。 4 多种测量功能。红外水分测定仪的发展必然在基本功能完善的前提下，加 强与各种电子设备的联机能力( 如计算机、打印机、绘图仪等) ，采用不同的结 果表现方式( 如百分比称量方式、比重称量方式等) 来满足用户的不同要求。 5 多量程、多精度的实现以及多种单位值之间的换算等。由于各行各业各地 区对测量单位要求不一样，多种单位之问的换算功能是必要的。 1 3 目前红外水分测定仪器的发展水平及状况6 1 对于红外水分测量仪器的研制，许多学者做了大量的研究工作，特别是国外 学者在这方面的起步比较早，得到的成果也比较多，且国外更加强调研究成果的 产业化。目前在红外水分测定仪的研制和生产上，日本、德国等国走在前列，其 技术处于国际领先水平。 国内在红外水分测量技术方面的研究开发总体滞后，只有上海天平仪器厂和 湖南仪器厂等少数几家厂商推出产品，而且这些产品大都规格较少，功能单调， 国内厂家生产的水分测定仪器与国际先进水平还有一定的差距，要赶超国际先进 水平仍需克服重重困难。 下面将国内外各厂家生产的红外水分测定仪器的品种及技术指标列出表格进 行比较。其中国外产品列于表1 - - 1 ，国内产品列于表1 2 。 第3 页共6 2 页 上海大学颈士学位论文 表1 1国外部分红外水分测定仪 国家厂商名称产品型号样品称量范围水分精度温度测量范围 瑞士 m e t r o 如v i 公司 l j l 6 1 3 0 0 9 0 2 5 0 1 6 0 德国 s a r t i u s 公司 m a 3 0 0 3 0 9 0 1 3 0 一2 0 0 m a 5 0 o 一5 0 9 0 1 3 0 一2 0 0 m a l o o o 一1 0 0 9 o 0 1 3 0 2 0 0 日本 k e t tf d 2 4 0 1 3 0 0 9 0 0 1 2 5 2 0 0 f d 6 0 0 5 7 0 9 0 1 5 0 1 9 5 f d 6 2 00 1 5 7 0 95 0 1 8 0 美国 c e m 公司 s l a r t l 0 o 一5 0 9 0 1 3 0 2 0 0 0 表1 2 国内部分红外水分测定仪 厂商名称产品型号样品称量范围水分精度温度测量范围 湘仪天平仪器公司z h s 一3 0 bo 一3 0 9 o 5 2 5 一1 5 0 上海精密科学仪器 d h s 一2 0 0 - - 1 0 0 9 0 1 3 0 一2 0 0 公司 【上海岛通应用科技 m a 4 5 1 5 0 9 0 2 4 0 - - 2 3 0 i 有限公司 目前，国内生产的水分测定仪基本上具备了采用先进的微机技术及传感器技 术，具备测量快速、精度可靠、自动去皮等功能；接上不同接口可与打印机、计 算机等外部设备相连；有的还能实现计数测量、百分比测量、不同单位之间的换 算以及过载保护等丰富的功能。但是与国外先进水平相比，无论是在品种上、自 动化水平上、仪器造型上、质量上、产量上都有相当的差距。 1 4 论文的主要任务及本人在项目中承担的工作 本论文的主要任务是在原有红外水分测定仪的基础上，研究新的设计方法，将 其质量测定精度提高一个数量级，达到0 ，0 1 ；水分测定时烘干箱温度控制精度达 到0 5 。本人在项目中承担的任务是： 第4 页共6 2 页 上海大学硕士学位论文 1 调研、收集和查阅国内外有关水分测定仪器的资料，特别是分析德国 s a r t i u s 公司红外水分测定仪的结构和原理，为开发工作作准备。 2 对红外水分测定仪的总体结构进行设计：电子天平质量测定系统、红外加 热烘干箱温度控制系统和人机界面。仪器在对样品的水分进行测定时，要完成实 时称重和温度控制：要判断是否满足结束分析的条件；还要显示水分测定的结果、 监控按键状态等等。为了保证这些任务的实时完成，在设计中作者采用了双m c u 的结构，并通过双口r a m 交换彼此间的数据，协调相互间的进程。 2 完成系统总体结构中的关键技术一一电子天平系统和红外加热烘干箱温度 控制系统的研究与实现。对于前者，采用数字p i d 技术计算计数器预置值，调节 两级电流源向电磁力平衡传感器动圈提供电流，产生与被称物品重力相匹配的电 磁力，并适当补偿温度误差，零点漂移和非线陛，保证满足高精度的质量测定要 求；对于后者，详细推导了极点配置自适应温度控制算法中各参数的求解过程， 最后采用脉宽调制方法控制双向晶闸管的导通角改变红外加热器的加热功率，实 现对烘干箱的高精度温度控制。 3 编写红外水分测定仪的整机控制软件，包括烘干箱温度控制程序、通信程 序和人机互动程序。 1 5 本章小结 由于红外水分测定仪在水分测量领域中的独特优势，决定了它在人们生产生 活中有着巨大的应用发展潜力。研制开发高性价比的红外水分测定仪是占领未来 市场的根本保证。随着电子技术发展的新突破，特别是微电子技术应用范围的扩 大，用户可度身定制的专用单片机和专用集成电路必将应用在各类水分测定仪器 中。因此研制开发红外水分测定仪，不仅要注意国内外同类先进产品的长处，还 要关注电子技术的最新发展状况，使推出的新产品具有明显的时代特色。 第5 页共6 2 页 上海大学硕士学位论文 第二章红外水分测定仪的原理及关键技术 红外水分测定仪是使用广泛的精密质量计量仪器它以全电子的形式出现， 其质量测定系统采用了高精度的电磁力平衡传感器，烘干箱温度控制系统采用高 精度的铂电阻温度传感测量电路和先进的红外加热器整个系统由单片微处理机 系统进行实时控制与数据处理，实现了智能化对于干扰和温漂带来的误差，采 用数字滤波、温度补偿、线性补偿等软、硬件消除误差措施，保证了0 0 1 的质 量测定精度和0 ，5 的温度控制精度。 2 1 电子天平工作原理 电子天平利用称重传感器将被测物品的重力转化成电信号，通过对电信号的 测量处理得到待测物品的质量。要保证电子天平系统的精度，需要高灵敏度的称 重传感器和精确的测量电路。 2 1 1 电磁力平衡称重传感器的结构 7 】【8 】 图2 1 是电磁力平衡传感器的结构示意图。电子天平的电磁力平衡传感器 包括固定装置和可移动装置两部分，由动圈支架、动圈、磁钢、遮光板、发光二 极管和差分光电接收管对组成。用来称量物品的托盘安装在动圈支架上，可动线 圈亦绕在动圈支架上。固定装置上安装有永久磁铁，永久磁铁产生恒定磁场。 差分 i 磁钢 图2 1电磁力平衡传感器示意图 动圈处于磁钢形成的恒定磁场b 中，可曲支架带动上下移动。如图所示在动 圈中通电流i ，则产生电磁力f = b i l ( l 是动圈绕线长度) 来平衡待称物品的 重力，因而把这种形式的传感器称为电磁力平衡传感器。传感器处于平衡状态时 有f = b i l = m g ，测定i 便可计算出待称物品的质量 第6 页共6 2 页 上海大学硕士学位论文 发光二极管、遮光板、差分光电接收管的功能是零位检测。发光二极管驱动 电路包含光功率检测电路，当光功率变化时能够调整驱动电流，使光功率保持稳 定。差分光电接收管工作在反偏状态，其光电流随着受光面积的增加而增加。遮 光板与动圈相连。平衡时，光电接收管接收到的光照面积相等，输出差分电压为 零；如果不平衡，遮光板将偏离零位，改变两管的光照面积，输出差分电压不为 零。 2 1 2 基于电磁力平衡传感器的简单电子天平系统5 】 基于电磁力平衡传感器的电子天平系统一般是一个闭环负反馈调节系统，包 括：电磁力平衡传感器、零位检测输出放大电路、p i d 调节单元、驱动电路、a d 转换电路、计算和显示单元。图2 2 给出了一个实际的电子天平系统的示意图。 差 图2 2 一种电子天平的结构示意图 称重前，传感器处于平衡状态，遮光板位于零位。加重物后，传感器失去平 衡，在支架的带动下遮光板偏离零位，零位检测差分光电接收管输出的差分电压 信号不为零；该信号经放大送入p i d 调节电路；p i d 调节信号送入动圈的驱动电 路，改变动圈中的电流，使支架向平衡位置运动；同时，差分光电接收管的输出 信号减小，但由于p i d 调节环节的存在，调节信号继续增大，直到支架回到平衡 位置，遮光板回到零位。此时，动圈中电流改变量与待称物品重力成正比。动 圈中的电流由取样电阻转换成电压信号，经a d 转换送入单片机处理并显示。 上述电子天平称重原理的数学表达式为 m g ；f = b i 。l = b ( i o + i x ) l ( 2 1 ) 笫7 页共6 2 页 上海大学硕士学位论文 m 包括天平托盘质量聊。和物品质量聊，即m = m o 十m ， 令厂。为平衡托盘自重所需的电流，则 m ，= b ，工g = b a v , l r ( 2 2 ) 上式中：b 是恒稳气隙磁场强度，厂，是动圈中电流变化量，v 是取样电阻r 上 得到的电压变化。对于电磁力平衡传感器，b 、l 是常数，因而待称物品质量与 动圈中电流的变化量( 取样电阻上的电压变化) 成正比。 2 ，1 ，3 改进的基于电磁力平衡称重传感器的电子天平系统 由式( 2 2 ) 可知，高精度的电子天平须使用高精度、低温度系数的采样电 阻和高精度的a d 传感器。对于相对精度达百万分之一的电子天平系统，需要2 0 位以上的a d 转换器务温度系数小于o 。5 p p m c 的电阻。为此，我们改进了电子 天平的测量电路，使用数字p i d 调节代替模拟p i d 调节，使用计数器输出脉宽调 制波控制称重传感器中的动圈电流，避免了采样电阻和高精度a d 转换器的使用。 图2 3 改进的电子天平示意图 图2 3 是红外水分测定仪电子天平系统的结构框图。其工作过程为：加载 待称物品以后，传感器位置检测差分光电二极管输出u 不为零，该输出信号经 过放大器放大送入a d 转换器转换成数字信号后送入单片机；经数字p i d 调节算 法，计算出两个预置数n 1 、n 2 送入计数器。计数器根据预置数n 1 、h 2 计数，输 出两个周期一定、脉宽不同的信号分别控制两个电流源，最后两个电流源的输出 相加送入动圈中，使动圈支架向平衡方向运动。调节过程持续进行，直到动圈支 第8 页共6 2 页 上海大学硕士学位论文 架回到平衡位置，称量结束。此时，计数器的预置数的变化与物品物质量成正比， 由此可得物品质量值。两个受控电流源的输出1 1 、1 2 与预置数n 1 、n 2 分别成正 比。两个计数器使用可编程器件a l t e r a 的e p m 7 1 2 8 s 来实现，分别控制1 1 和i 2 。 2 2 烘干箱温度控制工作原理 水分测定仪烘干箱温控系统采用红外加热器作为加热元件，通过负反馈控制 系统调节加热器上所加电压，使加热器致热功率与烘干箱单位时间内散发的热能 平衡，从而保证烘干箱温度维持在给定值上。其工作原理如图2 3 所示。 图2 4 水分测定仪烘干箱温度控制示意图 上图温控系统中，测温传感器采用p t l 0 0 铂电阻，烘干箱温度转换成电压 信号，经过a o 变换后送入单片机。采样温度与设定值的差值，经过极零点配置 p i d 调节器，得到的输出信号输入红外加热器控制电路，从而控制加热器的加热 功率，使加热室的温度达到设定温度。本温度控制系统通过控制双向晶闸管的导 通角来实现对加热功率的控制，具体电路分析见后述章节。 2 ，3 水分测定仪的总体设计 研制和开发水分测定仪的主要任务是在使用原有型号称重传感器的情况 下，设计合理的物品质量测定控制电路和相应的控制程序，为加热室设计能保证 温控精度的控制电路和控制程序。为了增强系统的稳定性和降低成本，在硬件系 统软件化上也作了探索。 1 在微机测量系统设计方案上，一般有两种选择途径：一种是利用单片机 周外围器件先构成一个通用系统，配以必要的通道接口和外围设备，可以实现多 种功能和物理量的测定，即所谓的二层结构；另一种是采用大规模集成电路配以 最简捷的线路，组成满足设计要求的智能化微机最小系统，这种系统结构紧凑， 成本低廉，是智能化仪器的发展方向。水分测定仪系统采用此种设计方案。 筇9 页共6 2 页 上海大学硕士学位论文 2 本系统总体结构图如图2 4 所示。采用两片8 位的80 3 1 单片机m c u l 和m c u 2 ，分别负责完成用户指令输入与显示、- 温度控制与物品质量测定两项任务， 它们的片问通信经由双口r a m 以中断的方式通信。系统在硬件结构上采用组合装 配方式，在存储器容量和接口等方面留有余地，有利于系统功能的扩展和系统的 调试。 图2 4 水分测定仪总体结构示意图 3 红外水分测定仪以的软件并列分成两段主程序，各自以自身单片机为核 心，独立运行。在软件中，对模数转换来的温度数值和质量数值进行数字滤波， 保证测量数据精度的跟随性和稳定性。软件编程语言采用经过改进优化后适合与 硬件操作的c 5 1 语言，这降低了程序编写的难度，增加了程序的可读性。 2 ，4 红外水分测定仪的关键技术 在传统的水分测定仪的电磁力平衡传感器和温度传感器的基础上，要进一步 提高测量精度和温度控制精度，其关键技术主要在于采用新的高精度电子天平控 制方案和红外加热温度控制策略，从而实现o d 1 的质量测量精度和0 5 的烘 干箱温度控制精度。 在本文中电子天平控制系统设计的关键技术有，我们改进了常用的模拟p i d 输出来提供驱动电路的输入信号，采用数字p i d 控制器的输出来提供后级电路所 第l o 页共6 2 页 上海大学硕士学位论文 需的信号；不采用调节动圈电流幅值的大小来调节动圈电流，而是通过脉宽调制 波控制电流源，改变动圈中的电流；不使用采样电阻测量动圈中的电流，而是通 过读取数字p i d 调节器输出的计数值而获得动圈中的电流值。 本文中烘干箱温度控制采用的算法是自校正p i d 控制法，通过不断的计算数 字p i d 控制器的各相关参数，使烘干箱内温度系统传递函数的极点始终保持在稳 定位置，零点配置在合适的位置保证系统快速响应。该算法代替了常用的数字p d 温度控制器，在温度控制的动态性能上优于后者。 2 5 本章小结 本章描述了组成红外水分测定仪各子系统的工作原理，指出电子天平系统和 红外加热温度控制系统是我们研制仪器的关键技术。 第1 i 页共6 2 页 上海大学硕士学位论文 第三章电子天平系统的设计 3 1 设计原理 本文所述红外水分测定仪中的电子天平系统对通常设计的电子天平在硬件 控制策略上作了改进，采用数字p i d 控制器代替模拟p i d 控制器，采用脉宽调制 波控制动圈中的电流。图3 1 给出了本文所设计的电子天平系统结构框图。 图3 1改进的电子天平系统结构框图 当有负载加在托盘中时，电子天平的可动装置总是处在或高于或低于其平衡 位置的状态。距离平衡位置的位移由光电差分接收管对来检测。当可动装置产生 向下的位移时，经过控制电路的调控会在动圈中产生与位移量成正比的正向电 流，进而产生向上的电磁力，缩小与平衡位置的位移差；当可动装置产生向上的 位移时，动圈中最终产生向下的电磁力，缩小与平衡位置的位移差。 光电传感器的输出信号通过放大器加以放大经a n 转换输入单片机，由单片 机进行数字p i d 控制器处理后计算出预置数，送入计数器里。计数器通过电子开 关组控制输入动圈的电流。如图3 2 所示，计数器输出的a 信号在t 1 时间里为 第1 2 页共6 2 页 上海大学硕士学位论文 高电平，在t2 时间里为低电平。图3 1 中标示的q 1 到q 5 是n p n 双极型三极管 组成电子开关组，当控制信号a 为高电平时，q 1 、q 2 导通而q 3 、q 4 截止，从电 流源流出的经过动圈的电流方向如箭头b 所示；当控制信号a 为低电平时，q 3 、 q 4 导通而q 1 、q 2 截止，从电流源流出的经过动圈的电流方向与箭头b 所示方向 相反。当负载与通过动圈的电流所产生的电磁力平衡时，p i d 的输出与负载在数 量上保持正比。流过动圈的电流与信号a 有同样的周期 山山山山山山山山山l k nn n 图 图3 2主要控制信号时序 时钟振荡器产生4 0 m h z 的时钟信号提供给计数器，计数器从0 开始计数到计 数溢出的时间即为周期t 的时间。如果周期t 太长，就会使托盘产生多余的抖动； 而周期t 太短，将难以保证对相关设备的检测与灵敏反应。工程实际中，t 的值 调控在几十u s 比较合适。经过计算机数字p i d 调节得出的计数值控制计数器产 生t 1 和t 2 的脉冲波形，控制电子开关交替切换。这样，正向电流i l 与负向电流 i2 交替流过动圈，会产生正反向交替的电磁力。有下式成立 f = t 1 i k t 2 一i k = ( t 1 一t 2 ) i k( 3 1 ) 式中k 是由磁场和动匿结构决定的常数，i 是电流的有效值。方程可重新写为 f = t 1 i - k 一( t - t 1 ) i k = ( 2 t 1 一t ) i k( 3 2 ) 从上述方程可看出，电磁力f 的平均值正比于t 1 和t 2 之差。周期t 是常数， f 将正比于2 t 1 。将t 1 用计数值来表示t l = n 1 f ( t 是时钟周期) ，有下式成立 f = ( 2 n 1 f t ) i k t 为固定常数，可令t = n f ，则上式写为 f = ( 2 n 1 一n ) f i k ( 3 - - 3 ) 动圈在周期t 里产生的热量p 可用下式表达 p = ( f 2 r 。+ ；2 r t 2 ) = f 2 足r ( 3 4 ) 第1 3 页共6 2 页 上海大学硕士学位论文 式中r 是动圈的直流电阻值。 从表达式( 3 4 ) 中我们可看出，无论托盘加载物品与否，流过动圈的电 流产生的热量是一常数值。因此，热平衡总会在动圈通过电流后的某个时刻建立 起来。这样，电子天平动圈的阻抗值就不会因负载变化而改变，保证了电子天平 的稳定性。 3 2 电子天平的主要电路 3 2 1 杠杆平衡检测电路8 】【9 1 l ，平衡检测电路 电路如图3 3 所示。当杠杆处于零位平衡状态时，两个光敏二极管接受的 光强相等( 光敏二极管受光照后产生与光强成比例的电流) ，因此同型号的两个 光敏二极管产生的电流相等。当待顽物品置于托盘上时，杠杆横臂拉动狭缝上 升，位于上部的光敏二极管接受的光强大于下部的光敏二极 工l 图3 3 杠杆平衡检测电 管，从而1 1 i2 ；当从托盘中取出物品时，会有1 1 d e g a d e g b 。 在这里，d e g x 粥项式x 的阶次。 由于控制信号一般都依赖于输入和输出，因此线性控制器的一般形式为 8 ( z 。) “( 露) = 月也- 1 ) y ，( 后) 一f 心。) y ( j i ) ( 4 2 2 ) 其中f ( z - 。) 、6 ( z 。) 和月( z “) 都是z - 1 的多项式。 由控制器( 4 - - 19 ) 式得到的闭环系统为 地心。芴考 ，( 4 - - 2 3 ) 由( 4 - - 2 2 ) 和( 4 - - 2 3 ) 可知，极一零点配置控制器设计问题等价于求多 项式f ( z 。) 、g ( z 。) 和日( z 。) ，使得( 为简便计，略去多项武中的移位箅子z - i ) 牟：一b o ( 4 - - 2 4 ) a g + z ? b fa 。 于是控制信号 “( = 面a z b m ”d ( 4 - - 2 5 ) 如果上式中分母项有不稳定或者虽然稳定但在单位圆附近的零点，将使得控 上海大学顼士学位论文 制u ( k ) 引起发散。这是不希望的，应设法避免。由于彳。是给定的多项式，包 含了所希望的零点，因此问题出在多项式b 上j 为此将多项式b 进行分解 b = b + b 一 ( 4 - 26 ) b + 、b 一都是z 。1 的多项式。其中b + 的所有零点都在指定的稳定域内( 具有优阻 尼) ，b 一的所有零点都在指定的稳定域外( 具有劣阻尼或不稳定) 。 从( 4 - 2 4 ) 式可以看出，为了使控制器能正常工作，b 。，必须包含因子b 一， 亦帮 b 。= b ，b 一 ( 4 - - 2 7 ) 扪= d e g a 。通常小- 于- d e g ( a g + z b f ) ，从( 4 - 2 4 ) 可知，h b 和a g + z b f 一定 有因子相消。由状态空间的理论可以证明控制器( 4 - - 22 ) 式相应于一个观测器 和一个状态反馈的组合，因此( 4 - - 2 4 ) 式左端被消去的公因式a 。可以解释为观 测器多项式对于无噪声系统它可以选为任意稳定的多疆式，对于有噪声系统它 可以选为( 4 - 1 2 ) 式中的c ( z 。1 ) 。 综上所述，对已知系统设计极一零苣配置的控制器步骤如下： 1 给定过程的数学模型、期望的闭环传递函数( 即a 。、b 。= b 。b 一) 和期 望的观测器多项式a 。( 其零点全部在稳定域内) 。 2 解方程 a g + z 。b 一肚a 。a 。( g 。o ，f 。o ) ( 4 - - 2 8 ) 得到g 和f 。 3 令g = g b + ，日= a 。b j ，由( 4 - - 2 2 ) 式计算控制率u ( k ) 。 用上述方法得到的闭环系统的传递函数为 z 。彳。b ：b + b z a 。b ：b + b 。一b 。 4 g b + + z 。b + b fa 。，a 。b + 。a 。 这正是所期望的传递函数。 如果所期望的闭环系统的零点等于被控过程的零点，即b 。= 柏，其中k 为常 第2 9 页共6 2 页 上海大学硕士学位论文 数。这时( 4 - 2 8 ) 式变为 a g + z b f = a 。a o ( 4 - 2 9 ) 由上式g 、f ，再令= k a 。，于是由( 4 - - 1 2 ) 式即可求出控制律+ 其中k 通过令 b 。( 1 ) = a 。( 1 ) 确定。 当系统参数未知时，采用递推估计方法估计过程的参数，并用估计值代替实 际值进行设计。在实际设计控制器时，采用显式法，即在线估计过程的参数，然 后按已知过程的情况设计控制器。 如果被控过程是受白噪声干扰的，并且多项式a 。、a 。和矗。已经设定。其极 一零点配置自校正控制器的设计步骤如下： ( 1 ) 采用递推最小二乘法估计模型 “( z 1 ) j ，( 七) = 占( z 一) “( 膏一，) 中的参数j 、雪。 、 ( 2 ) 将估计得到的多项式盖分解为召+ 占一，使得前者的零点都在所要求 的区域内，后者的零点都在所要求的区域外。 ( 3 ) 解线性方程组 a g + z “b f = a m a 。 ( 4 j o j 得到g 和，。 ( 4 ) 令g ：g b + ，疗= b 。a o ，并由 6 ( z 。) “( t ) = 日( z 。) ，( ) 一f ( z 。) y ( 七) 计算出控制律u ( k ) 。 在每一个呆样周期都重复上述四个步骤。如果参数估计是收敛的，则得到 的闭环系统传递函数为 g 。= 警 从中可见，b 一对应于闭环系统的不稳定的或劣阻尼零点多项式- 所阻如果召一 第3 0 页共6 2 页 上海大学硕士学位论文 改交，则闭环系统的响应也随之改变。 上述算法只使用与测量噪声为白噪声的情况。当噪声相关时，用最小二乘法 得到的估计将是有偏的。由于a 。是噪声系统的多项式。因此如果a 。已知可以先 将数据进行滤波，然后再求最小二乘估计。这样，上述算法中的第一步就改为用 最小二乘法估计下列模型参数 a ( z - 1 ) 萝( t ) = b ( z 4 ) 订( i 一，) 其蝴耻等，稚- f ) 2 警。彳。彳o 两 第3 l 页菇6 2 页 上海大学硕士学位论文 究问题的实质，却给研究并最终解决问题带来极大的方便。 热源向箱外进行热传导时，将经历烘干箱内空气层、保温层和箱外空气三部 分。约定在后面的数学模型推导中带1 、2 、3 下标的物理量就是这三部分热传导 介质中的物理量。令c 表示热传导介质的比热，t 表示热传导介质的温度，q 表示 介质间传导的热量，k 表示传热系数，m 表示热传导介质的质量，a 表示传热面积。 根据传热学原理有 由上式可得 从中可得 q q 。：= c 。聊。百, t t i q 1 2 = k a ( 丁- 一丁z ) ( 4 3 1 ) q | 2 - - q 2 3 - - - - c ：m 。孥 q ：，= k ：，4 ：( 丁：一t ，) q k ，：彳，丁。+ k ，：二。丁：= c 。聊。1 a t r l t ：! 丝! ! 丝! 1 4 1 1 1 二望 k a ( 4 3 2 ) 丁：=c 。m 。一+ k ，：彳。丁卜q k 1 2 彳2 从式( 4 - 3 1 ) 还可得 k 。：4 ，。+ k ：，彳：丁，一k ：，4 ：丁，一k 。：么。丁：2 c ：m ：t ： 将( 4 - 3 2 ) 式代入上式，并经拉氏变换可得 。h 、”t 、k ( t 3 s + l 1 k iv ) 叭2 而2 瓦2 赫2 上式中 k = 涨以= 丽c 2 m 2 以5 船 ，c l 埘1 k 1 2 彳l + c 1 m l k 2 3 a 2 + c 2 m 2 k 1 2 a l c = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 。 2 , k 1 2 k 2 3 a l a 2 c l c 2 m j m 2 第3 2 页共6 2 页 - = 曼! ! ! 兰竺圭兰篁堡苎 将上式分母进行因式分解 ( s ) 2 瓦m 蕊( s + s 丽t ) ( 4 - 3 3 ) 0 + j 2 ) 0 + j 3 ) 式中m 为常数，s 1 、s 2 、s3 均为实根。 由于实际温度控制系统是离散化的单片机控制过程，对上武进行带零阶保 持器的z 变换，得到离散模型 肼加( 1 _ z - t ) z 半】= 再a z + i b 3 4 ) o 7 十凹十d 式中 d 2 j 赢 s ，( s 1 - s 2 ) g 一乳丁。+ j 。( $ 3 - s 1 ) e - s 3 t 。+ s , ( s 2 - s 3 ) 6 = 而j ：一j 广i s ( s 2 一$ 3 栌1 兀吲s 1 - & ) c - s , t 。+ s 2 ( s ，一桩5 ：l f = 一p 一5 ：丁”一g j 】r 。 d = 8 一( 帅，) 丁。 t 。是系统的采样周期，将此式进行z 逆变换并考虑到扰动的作用和系统存在的滞 后现象，得到差分模型为 y ( k ) + c y ( k 一1 ) + a y ( 一2 ) = a u ( k p ) + b u ( k - p 一1 ) + p o ) ( 4 - 3 5 ) p 表示系统滞后的采样周期，这样就得到了水分测定仪烘干箱差分模型的结构式， 其系数a 、b 、c 、d 的获得采用最小二乘法进行辨识。 最小二乘辨识方法原理简单，应用广泛。设过程的输入输出关系可描述为如 下的最小二乘格式： z ( k ) = h ( 女) 口+ n ( k ) 其中，z ( k ) 是过程的输出量，h 。( t ) 是可观测的数据向，n ( k ) 是均