恒温箱控制系统

摘要高精度温度控制对于现代精密测量系统来说具有基础性的重要地位，为此研究一种有效的高精度温度控制系统就具有重大意义。现在一般是使用恒温箱或恒温室为精密仪器提供恒温环境，但是由于其所采用的控制算法不能满足精度要求，所以必须在深入学习现有控制算法的基础上，研究出新的有效的控制策略。本文中主要以PID算法为主要研究对象，为克服PID算法适应能力弱的缺点，结合模糊理论研究了一种基于模糊推理的自适应PID控制算法。文中利用Matlab对不同的控制算法进行了仿真实验，发现基本PID控制最大的缺点就是控制器参数不能随被控对象的改变而改变，因此不能满足在高精度控制领域中时变系统的控制精度要求;而模糊控制以其鲁棒性强，对参数变化不敏感等优点已经在多个领域有着广泛的应用。为此将模糊推理引入到PID控制策略中，仿真试验证明基于模糊推理的自适应PID控制算法提高了传统PID算法的适应能力及控制精度。另外结合项目要求进行了恒温箱的机械结构部分和测量控制部分软硬件的设计。经过机械结构设计使恒温箱内的空气流动变为活塞式气流，保证了恒温箱工作区域内温度场的均匀性。同时结合Labview和Matlab软件，编写出恒温箱温度测量控制软件。编程中使用了Labview的ActiveX技术调用Matlab的脚本节点，利用Matlab强大的数据处理和控制系统工具箱实现了在Labview中刘-恒温箱进行高级算法控制的目的。最后针对己建立恒温箱系统利用不同的控制策略进行了实验研究。通过对实验数据的研究和分析表明恒温箱内温度的控制稳定性小于0.05℃，证明本文中所使用的模糊自适应PID控制算法和恒温箱系统设计的合理性和有效性。关键词:恒温控制PID模糊自适应PID模糊控制labviewMatlabTitle:TheresearchoftheHighprecisioncontroltheoryandthesystemdesignofconstanttemperatureboxThehighprecisiontemperaturecontrolisveryimportantinthemodernprecisionmeasurementsystem;therefore,theresearchofhighprecisiontemperaturecontrolmakeslotsofsense.Butthenormalcontroltacticscannotsufficethedemand,sothenewtacticsmustbestudiedontheexitingones.ThePLDcontrolarithmeticisthemainresearchobjectinthisthesis.TogetoverthePID’Sshortcoming,thestudyoffuzzyself-adaptingcontrolarithmeticisdone.BytheMatlabsimulation,themaindisadvantageofthePIDarithmeticisfound,whichistheparameterofPIDcontrolcannotadaptthevarietyofobject.Sothecontrolprecisionislimitedwhentheobjectistime-variational.Thefuzzycontroltheoryisappliedinmanyfieldsbecauseofitsrobustnessandinsensitivity.Thereforethetwoarithmeticarecombinedtobeafuzzyself-adaptingcontrolarithmetic,whichisprovedbytheemulatorthatcanimprovethenormalPID’Sadaptabilityandprecision.Themechanicalstructureoftheboxisdesignedandtheprogramofthetemperatureandcontroliscompiledaccordingtothedemandoftheproject.Bythemechanicaldesign,theairintheboxturntobeapistondistribution,whichmakesthetemperature’sequalityisimproved..TheprogramiscombinedthestrongpointofMatlabandLabview,whichusestheMatlabscriptintheLabviewtoimprovetheabilityofdataoperationintheprogram.SotheadvancedcontrolarithmeticcanbeappliedintheLabviewGprogram.Thedifferenttacticsareappliedintheconstanttemperatureboxcontrolsystem.Theexperimentdatashowsthatthestabilityislessthan0.05℃,whichprovestherationalityandthefuzzyself-adaptingcontrolarithmeticandconstanttemperaturecontrolsystemdesign.Keywords:constanttemperaturecontrol;PID;fuzzyself-adaptingcontrolarithmetic;fuzzycontrol;Matlab;Labview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测量关键技术与系统研究。随着现代纳米科学的发展，测量系统的精度也必须达到纳米级。而纳米三维测量系统中的基础技术就是环境控制。测量环境的控制是达到纳米级测量精度的基础。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。如普通钢材的热膨胀系数为20x10一“/℃。对于0.01m的钢材在温度变化1℃的时候其变形量可以达到20Onm。即使是锢钢合金(INVAR认R，InvariableAlloy，膨胀系数仅为1.2只10一6/℃)在相同的条件下变形量也达到12nm。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。目前，一般采用的温度控制措施是将高精密纳米测量仪器放置在恒温室或者恒温箱内。这种恒温装置一般是用压缩机组作为温控元件来控制温度的。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PID(ProportionalIntegralDerivative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国内外研究现状微观尺度的测量系统早期是采用光学显微镜，尔后出现了扫描电子显微镜。1982年G.Binnig、H.R0hrer等人发明了扫描隧道显微，将纳米尺度的二维测量与一维位移的测量相结合，首次实现了纳米尺度的三维测量。根据扫描隧道显微镜的基木原理，现在已发展了一系列具有纳米级精度的扫描探针显微镜，如原子力显微镜、激光力显微镜、磁力显微镜、静电力显微镜、导弹电子发射显微镜、扫描离子导电显微镜、扫描近场光学显微镜、光子扫描隧道显微镜、扫描热显微镜等。这些新型的显微镜技术都利用探针与样品的不同的相互作用来探测表面在纳米尺度上表现出来的物理和化学性质，而这些物理化学性质可以在众多的学科中带来深层次的影响。所以进行精确的纳米，尺度的测量和计量是世界各个国家重点研究的方向，其中一些国家已经取得了一些成果。1.2.1美国NIST的MMM美国国家标准技术研究院(NIST)于1987年在Teague博士的领导下开始进行研究分子测量机(MolecularMeasuringMachine，MMM)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1nm及总体精度10nm的指标。其内核测试环境温度控制达到20℃士0.005℃。控制系统采用了基于VME总线的以DSP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一2分子测量机(MMM)结构图图1一2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。MMM在设计上采用球形结构，其优点是刚性好和易于控温。其测量核心.部分的材料是直径为35。m空心高导无氧铜球结构。选择这种材料和结构的原因为:(1)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;(2)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。(3)刚性材料弹性模量与其密度之比确定。要求对于静态和动态载荷的响应最小。(4)对于瞬间激励由其阻尼能力确定其响应。(5)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1一3分子测量机(MMM)如图1一3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振动声隔离壳。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24’C，对于放置核心机构和样品的工作空间(真空1Om℃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10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128m2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。1.2.2东京大学的Nano一CMM141日本东京大学的.KTkaamasu教授等学者在研究纳米三坐标测量机Nnao一CMM系统时也充分考虑到了环境对测量仪器及测量过程的影响。他们的实验数据表明:Nnao一CMM放置在恒温箱内时，如果其测量环境的温度变化在0.11℃的情况下，仪器水平位置变化30nm;而如果Nna。一CMM不在恒温箱中时，当温度变化了.056℃，工作台会产生180nm的变形。由此可见纳米测量环境的建立是对高精密测量具有重要的作用。1.2.3韩国BupE的超高精度eMMI’l韩国BUpE(BillionthuneertaintyPreeisionEngineering)在实施UpCMM(UlrtaPrecisoinCMM)研究计划时也提出了设计制造小型的恒温恒湿抗振洁结构，即绝热层、隔音层、真空层和测试层，控温目标要达到20”C士0.001℃。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10一sm。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10一6m/。很大的影响图1一4双频激光干涉仪温度漂移为此其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1一5。图1一5BUPE恒温箱结构图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0.1℃。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0.01℃。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0.001℃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。1.3课题研究目标及主要研究内容1.3.1高精密温度控制机理研究课题所要求的研究目标为恒温箱内温度的控制稳定性小于0.05℃。为实现对环境温度的高精密控制就必须研究高精密温度控制的理论及方法。因此首先要着重研究高准确度的温度控制理论以及对温度实施高准确度的闭坏控制技术，以利用先进可靠的控制算法来实现对温度的高精密控制。1.3.2测控系统的设计由于整个温度控制系统必须有很多的仪器组成，如制冷器、温度传感器以及控制器组成，其中有很多的数据采集、处理以及输出通讯功能，所以必须设计一个先进的智能人性化的测控系统来协调各个部分，包括各种器件的选择以及信号调理电路的设计等。1.3.3实验研究最后以一个恒温箱为实验对象，利用Lbaview和Matalb软件对几种控制算法进行评定，通过分析实验数据判_断各个控制算法的效果。第二章PID控制及模糊控制概述2.1PID控制概述PID(比例Pproportional、积分1Integral和微分DDerivative)控制方法是经典控制算法中的典型代表。在实际的过程控制和运动控制中，PID家族占有相当的地位。据统计，工业控制的控制器中PID类占有90%以上。PID控制策略是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，所以适用面很广，使用也很方便简单。尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。然而实际被控过程往往具有非线性、时变不确定性，难以建立精确的数学模型，应用常规的PID控制算法不能达到理想的控制效果。随着计算机技术和智能控制理论的发展为复杂动态不确定系统的控制提供了新的途径。2.1.1模拟PID控制原理模拟PID控制系统的原理框图如图2一1所示，系统由模拟PID控制器和被控对象组成.理想的PID控制器根据给定值(rt)与实际输出值c()t构成的控制偏差：将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。其控制规律为：或写成传递函数的形式:G(s)=U(s)E(s)_K(l+上十T，、、F、尸r~“1一含(2一3)式中:Kp是比例系数，Ti是积分时间常数，Td是微分时间常数。简单说其比例、积分和微分环节的作用为:比例环节:即时成比例的反应控制系统的偏差信号(e)t，偏差一旦产生，制器立即动作以减小误差。积分环节:主要作用是消除静差，提高系统的控制精度，积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti,T1越大，积分作用越弱，反之越强。微分环节:能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)并能在偏差信号值变得太大之前引入一个修正信号，从而减小系统的超调，加快系统的过渡过程，从而减小调节时间。2.1.2数字PID控制原理模拟PID控制器的输入输出量均为模拟量，如电压、电流。而当使用计算机实现控制算法时其输出必须为数字离散量。所有首先必须将上述的PID控制规律的连续形式变成离散形式,然后才能编程实现。PID控制器算法的离散形式为:或者;式中：T采样周期K采样序号2.2PID控制器的参数整定方法由于PID控制器的输出为系统偏差的比例、微分和积分作用后的线性组合，所以调整各个部分的线性系数就是PID控制器控制性能好坏的关键。必须针对具体被控对象对PID控制器参数进行整定18一”l。2.也叫经验法，是根据调节器参数Kp、Ki和Kd对系统响应的作用后反复凑试，直到达到满意的输出响应。凑试法的步骤就是先调试比例系数Kp，再调积分系数K:，最后调微分系数Kd。将调节器的各个参数进行逐个凑试，各个参数的调整均按由小向大的顺序进行。2.2.2扩充临界比例度法:本法是由Zigeelr和Nihcosl提出的一种PID参数整定方法。这是一种基于系统的临界振荡参数的闭环整定方法。实质上是模拟调节器中采用的稳定边界法的推广。在闭环控制系统里，将调节器置于纯比例作用下，从小向大逐渐改变调节器的比例值，得到等幅振荡的过渡过程。此时的比例值称为临界比例值Ku，相邻的两个波峰间的时间间隔称为临界振荡周期TL.，如图所示，求得Ku和T。后，根据临界振荡整定计算公式就可以确定PID参数。2.2.3过渡过程响应法本法是由Cohell和Coon提出的，所以又称为C一C法。该算法是将被控对象近似为带纯滞后的一阶惯性环节。通过开环实验，测得系统单位响应阶跃曲线，可确定纯滞后时间T和时间常数T，进而根据公式确定PID参数。其各种控制方法参数确定公式如下:对于比例控制:对于比例积分控制:对于比例积分微分控制:利用响应曲线的调节器参数整定方法对于不确切知道广义过程动态特性的阶数或参数值的情况下特别有用，因为其响应曲线揭示了全部动态环节(被控过程，测量环节和执行环节等)，并能提供广义过程的实验近似模型。2.3大纯滞后过程的控制由于介质温度的变化实质上是能量传递的结果，其温度参数不可能发生很快的变化。所以一般情况下，温度对象都是含有纯滞后环节的。对于此类的系统，采用普通PID控制器很难达到所希望的控制效果。只有采用特殊的控制算法才能达到预期的动态响应。过程的纯滞后对控制系统品质的影响不是取决于;的绝对值的大小，而是与过程惯性时一间常数T之比(:T/)的大小有关。通常当:T/>0.5时一，就可以当做是大纯滞后过程来加以控制了。2.3.1施密斯(smtih)预估补偿控制施密斯S(mtih)预估补偿控制的思路就是引入合适的反馈补偿环节，使系闭环传递函数的分母项中不含有纯滞后环节沙。2.4模糊理论概述从1965年美国著名控制理论学者L.A.zadeh发表开创性的论文《FuzzySets》(《模糊集》)，首次提出了一种完全不同于传统数学与控制理论的模糊集合理论，到1986年世界上第一块基于模糊逻辑的人工智能芯片在著名的Bel实验室研制成功，其间只经历了短短的20年。这一事实足以说明模糊控制理论这门新兴的学科具有强劲的生命力和令人鼓舞的应用前景。模糊控制理论之所以能在信息时代获得如此迅速的发展，是由于它提供了一种新的数学工具和手段，主要表现在以下三个优点:其一，模糊理论给出了一套表现自然语义的理论于方法，使自然语一言能够转化成机器可以“理解”和接受的东西，提高了机器的灵活性。其二，模糊理论给出了模糊逻辑和近似推理的理论和方法，用简洁的软、硬件就可以使机器变“聪明”，智能程度提高。已经实现的家电模糊控制产品和工业的模糊控制系统都证实了这一点。其三，模糊理论比一般的数学理论应用更广，除自然科学和工程技术领域外，它将为社会、经济、哲学、心理、教育、管理等人文学科提供数学描述的语言和工具，将有理的促进这些学科的发展。模糊控制就是以模块数学为基础，将精确量模糊化成“自然语一言”的模糊量，然后利用模糊推理规则将这些模糊量按照人类的思维方式进行运算，并输出一个模糊的运算结果。最后将这个模糊输出进行去模糊化，得到一个可是在控制系统中使用的精确量。这反映人们在对被控过程进行控制时，不断将观察到的过程输出精确量转化为模糊量，经过人脑的思维与逻辑推理取得模糊判决后，再将判决得到的模糊量转化为精确量，去实现手动控制的整个过程。可见，模糊控制器体现了模糊集合理论、语言变量及模糊推理在不具有数学模型，而且控制策略是以语言形式定性描述的复杂被控过程中的有效应用。;2.5基本模糊控制器的设计步骤要设计一个模糊控制器，通常有以下五个步骤:(1)确定模糊控制系统结构:该步骤所完成的工作就是确定模糊控制器的输入量和输出量。(2)精确量的模糊化:即实现输入量的精确量的模糊化，通过量化因子将精确量变化的范围(基本论域)模糊化成在模糊集论域范围内。(3)模糊控制算法的设计:通过一组模糊条件语句构成模糊控制规则，并计算模糊控制规则决定的模糊关系。(4)输出信息的模糊判决:完成从模糊量到精确量的转化。(5)查询表的建立。第三章恒温箱数学模型的确定及PID控制仿真对系统进行仿真研究是在设计控制系统时较重要的一步。系统仿真是根据被研究对象的数学模型研究其系统性能的一门学科，利用仿真可以发现控制算法能否达到控制要求以及控制中所出现的问题，从而改进控制算法。这样可以大大降低系统开发成本，提高设计效率。Matlab是现在功能非常强大的一款数学分析软件，利用它以及其中的众多工具箱可以非常方便的进行数学分析及系统仿真。所以本章中就重点讨论恒温箱数学模型的确定及其利用Mailba进行仿真的结果。3.1恒温箱机械结构设计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。这里我们采用立方体结构多工作腔的机械结构，即在立方体的箱体结构中划分出恒温腔、恒压腔和制冷腔三个工作腔。如图3一1、3一2。整个箱体内部是通过空气的流动来达到温度恒定的。空气通过回风口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交流风扇吹入恒压腔。通过气流的流动，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。温度的稳定性主要由控制半导体制冷片的工作电流达到。而温度场的均匀性是由机械结构设计来保证的。其中包括恒压腔、导风口和孔板这三个部件。恒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。恒压腔中由导风口和孔板使气流组织更均匀。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50x50cm的树脂板，在上面均匀的打上小洞(如图3一4)。这样由于恒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，从而使从恒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。整个箱体外面有80mm的超细保温棉填充层，以降低箱体内部与环境的热交换。制冷腔与其余两腔用一钢板隔离，钢板内也塞入保温棉，以保证恒压腔和恒温腔是一个独立工作区域，不与后面的制冷腔发生热交换。3.2恒温箱数学模型的确定温度是表征物体内部分子热运动活跃程度的一个物理量。这就说明温度的变化过程实际上是能量的获得和损失过程。所以温度不会有过大的跳跃性变化。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控制过程。所以在进行Matlab仿真的时候选择的被控对象数学模型为:通过实验可以获得恒温箱的阶跃响应温度变化曲线。3.3PID控制的Matlab仿真这里利用Matlabsimulnik工具进行了几种PID控制方法的仿真实验其Simulink仿真框图为(3一9):3.虽然比例控制中，只要存在余差，控制器就立即动作，但是Kp的大小却对控制效果有很大的影响。当KP=1时，其阶跃脉冲响应为:可以看出，因为比例系数太小使得系统响应不能达到设定值。这样的KP是不合适的，应该将比例系数增大。当KP=13时，其响应曲线为:当KP=13的时候，系统的阶跃响应就发生了发散振荡，导致系统的不稳定。可以看出，过大的KP有会引起振荡。经过多次仿真，得到当KP=5.3时，系统响应比较理想，如图3一12:可以看出，纯比例控制不能消除余差，而且过渡过程很长，超调也非常大。所以在精密控制中使用纯比例控制不能达到控制精度要求。33.2比例积分控制为了弥补纯比例控制的缺点，引入了积分环节。当Kp=4，Ki=0.002的时候，其阶跃响应曲线为:引入积分作用后，控制器的稳态增益增大，接近oc。从而可以消除余差但是积分作用导致控制器的频率特性的相位滞后，导致闭环系统振荡倾向增强，稳定裕度下降。同时使闭环响应动态特性的阶数增加，使响应变慢。当Ki增大到0.005时，·系统的阶跃响应出现了超调，且过渡时间也相应的增加，控制效果反而降低。所以过大的Ki不利于减小超调，不能减小振荡，会使系统不稳定。3.3.3比例积分微分控制为能反应偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间，就要引入微分环节。其中KP=3，KI=0.002，KD=50时的阶跃响应为:可以看出，引入微分环节后系统阶跃响应的过渡过程缩短了。系统响应有很大改善。比例积分微分控制在一定程度上是可以满足控制精度要求的。但是如果其各项系数如果调试得不合适，会使控制性能大为下降。3.5PID控制算法的不足在控制过程中，被控对象随着负荷的变换或者干扰因素的影响，其对象参数或结构常常发生变化。这种变化对于工业过程是可以忽略的，但是对于精密控制而言是不可忽略的。特别是温度对象。由于任何物质都存在分子热运动，温度所受到的干扰也是非常复杂的，很难得到一个物体的精确温度数学模型。而且即使得到了对象在某一个状态点下的数学模型，当环境变化了其模型参数也会发生变化。而PID控制算法的最大缺点就是其中的各个参数只是针对特定的对象才能使控制器达到最好的控制效果。如果被控对象的参数发生变化时，控制精度就会降低，甚至发生振荡发散。而Smiht预估PID控制算法更是要求精确的得到被控对象数学模型，否则其预估补偿效果就大大降低。这里将式(3一2)的各个参数进行改动后重新进行了仿真以验证PID算法的适应性。当被控对象为:PID控制器的控制参数仍然为KP=3，KI=0.002，KD=50时得到的阶跃响应曲线为：同样应用smith预估控制算法来控制式(3一3)的对象得到的阶跃响应曲线为：第四章恒温箱测控系统的硬件设计5.1恒温箱控制系统的硬件设计由于恒温箱内需要布置若干个温度传感器以保证箱体内的温度场信号可以实时的反应出来，同时制冷执行器件也需要根据恒温箱内的温度信号而调整其制冷量，所以必须建立一个温度测量与半导体制冷片驱动控制系统。整个系统图如5一l。由图5一1可以看出，这个测控系统是基于PC机的，通过PCI总线将PCI一9114据采集卡上采集到的温度信号传入PC。通过基于PC的软件计算出相应的控指令，这些指令通过串口传入程控电源上，由程控电源调节输出相应的直流流以驱动半导体制冷片工作。整个系统的测量要求为:恒温腔内测量精度0.01℃，测量分辨率0.001℃。制精度为0.05℃，温度波动度为0.05℃4.2温度传感器的选择及信号调理电路设计温度传感器的选择是能否达到理想的控温精度的关键。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式两大类。接触式检测方法主要包括基于物体受热体积膨胀性质的膨胀式温检测仪表;基于导体和半导体电阻值随温度变化的热电阻温度检测仪表;基热电效应的热电偶检测仪表。而非接触式的主要是利用物体的热辐射特性与度之间的对应关系对温度进行检测。由于这里被测物体为空气，所以没用必使用非接触式的传感器。常用的接触式温度传感器有，铂电阻、热电偶和半导体热敏电阻。比较其点为:热电偶具有测温范围广C200一1800℃)、测量精度高、便于远距离、多点、中检测和自动控制等优点。但是其自由端需要温度补偿，而且在低温常温段测量精度较低等缺点。半导体热电阻其灵敏度高、_巨体积小、结构简单等优点。但是其互换性较测量范围有一定的限制。铂电阻的测量精度高，t一般都是以铂电阻作为标准温度测量元件。标准铂阻可以用一种严密、合理的方程来描述其电阻值与温度的关系。但是其庞大体积和使用环境的要求限制了其的应用。综合上述各个传感器的优缺点，这里温度传感器的选择如下:AD590集成温度传感器用来测量半导体制冷片制冷端的温度，用以观测制片的工作状态。所以其测量精度和分辨率为05口C。Pt100精密铂电阻温度传感器用来测量恒温腔内的温度并作为测量信号传控制器。利用专门开发的精密测量仪表将铂电阻上的温度信号通过RS一232入PC机里以进行控制计算。其测量精度为0.01℃，测量分辨率为0.001℃。2.1AD590集成温度传感器AD590是一种2端集成电路式电流输出半导体温度传感器130一3’]。它是以高抗恒流源形式输出，传输线上的压降不影响其输出电流值，可以进行远距离输。输出电流与它所感受的温度成线性关系，其输出电流与温度的公式为:而且实验表明当温度一定，电源电源波动时，其输出电流的变化很小。但果电源电源小于4V时，其非线性就比较明显。所以对AD590的供电必须大于4V。由于每个半导体温度传感器的特性不一致，而且其输出电流与理论值总是有一定的误差，如图5一3。可以看出其误差值实际__h是恒定的，可以通过标定来减小这个误差。同时电流信号一般不能被直接采集需要变换成电压信号后可以数字化，所以必须对它们进行标定并进行信号变换。其电路为图5一4。5.2.2铂精密温度测量仪表11由于系统所要求的控温精度达到0.05℃，所以测量恒温腔内温度的信号精度必须高于这个指标。为此特开发了一个高精度铂电阻温度测量仪表。这个仪表是以MSC121O单片机为基础，以标准铂电阻为测温元件构成的高精度温度测量仪表。系统中使用了四线制铂电阻和恒流源测温电路，消除了引线电阻等误差因素对测量精度的影响。同时提出了利用脉冲电流供电的方法减弱了铂电阻的自热效应，保证了测量精度。利用MSC1210单片机中集成的一个高精度、专门用于低频/低幅值信号采集系统的△一艺型模数转换器，对铂电阻上的温度信号进行采集。由于其高度的集成化以及采用了高频过采样技术，所以降低了对传感器信号进行滤波的需求，实际上也就取消了信号调理电路，减少了外部干扰对系统的影响，测量精度。该仪表测量系统可以进行温度的实时显示和打印，也可以与上位PC进行通讯，将测量数据实时的传递给PC机，利用PC机进行数据处理。这个仪表的各个参数为:温度测量范围:18℃一22℃，分辨率:.0001℃，准确度:.001℃;5.3制冷元件的选择5.3.1半导体制冷原理现在比较常见的制冷元件一般是压缩机和半导体制冷片。而半导体制冷与传统的压缩机制冷技术相比有以下特点:首先其结构简单，整个制冷器由热电堆和导线连成，工作环境要求低;半导体制冷片无制冷工质，无任何机械运动部件，无噪声，无磨损，可靠性高，有可逆性，既可以制冷，又可以通过改变电流方向而制热。所以使用半导体制冷片为恒温箱的制冷元件是非常理想的。半导体制冷主要是利用帕尔贴效应P(etlie:EeffcO实现能量的搬移的，即当直流电通过两种不同导电材料构成的回时，结点卜将产生吸热或放热现象。如图5一6所示。而且实验证明，结点上的换热量与电流成正比。半导体结点上除了帕尔贴效应Qp外，还有焦耳效应QJ和富里叶效应综合各个效应，在一个热电偶上的产冷量:5.3.2恒温箱制冷量的计算根据平面热交换公式[43]:系统中使用了4只MAA050T一12制冷片。这样整个制冷功率达到60W。以保证在恒温箱内有其它热源的情况下也可以达到控温精度。MAA050T一12制冷片在其热端和冷端均已装配好散热片，以利提高制冷效率。而且为了保持其散热效果，在散热片上还固定了两个直流风扇。这样使得MAA050-T12外观尺寸图MAA05OT一12是穿透式安装的制冷片，其安装方式以及在密闭空间内形成的气流。这种安装方式使箱子内部与环境相互隔绝，没有气体的交换。这样可以保证控制效果而且可以保持箱子内部的环境比较恒定。但是这样的气流组织会造成死角，使死角内的温度不均匀。所以这种安装形式必须改进为活塞式气流组织。半导体制冷片是使用直流电工作的，对于电压的脉动范围有要求。过大的纹波会使制冷片的制冷效率降低。所以其供电电源也必须加以选择。MAA05O不12穿