專利名稱：基于arm的高精度溫度校驗方法及儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于溫度計量檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于ARM的高精度溫度校驗方 法及儀器。
背景技術(shù)：
各類溫度計都需要定期由計量檢定機構(gòu)進行校準，而以往溫度計都要被送到計量 機構(gòu)進行校驗，這一過程費時、費事，而且費用比較高。而目前對于用于現(xiàn)場控制需要在線 校驗的溫度控制設(shè)備也不盡理想，由于工業(yè)上電加熱爐是一個大慣性、大延時、大時變的非 線性受控對象，采用常規(guī)的控制方法的用于工業(yè)現(xiàn)場的溫度校驗設(shè)備，目前還難以達到理 想的控制目的。如中國實用新型專利ZL200620093696. 8公開了 一種在線溫度校準儀，該溫 度校準儀采用溫度傳感器、溫度儀表和補償導(dǎo)線連成一體進行溫度校準，在一定程度上克 服了分立元件在溫度校驗設(shè)備使用中存在的問題。但是該溫度校準采用的控制方法對于溫 度控制精度和穩(wěn)定度高，尤其需要快速動態(tài)調(diào)節(jié)和要求較高的抗干擾能力的溫度校驗來說 仍達不到要求。另外，在控制領(lǐng)域也常使用比例積分微分(PID)控制，但是傳統(tǒng)的PID控制 由于存在不適應(yīng)參數(shù)變化、超調(diào)大、抗干擾性能差等原因，在工業(yè)電加熱爐的實際溫度控制 中仍存在問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明基于ARM的高精度溫度校驗方法及儀器既保留了傳統(tǒng) PID控制的優(yōu)點，同時又結(jié)合了模糊控制的健壯性強、干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響弱 的優(yōu)點，通過采用先設(shè)定溫度輸入，再通過PtlOO熱電阻實時檢測實際溫度，通過比例-模 糊自整定PID控制器實現(xiàn)溫度的實時調(diào)節(jié)控制達到與設(shè)定溫度一致，且能達到高的精度和 穩(wěn)定性。 本發(fā)明基于ARM的高精度溫度校驗方法及儀器采用的技術(shù)方案
—種基于ARM的高精度溫度校驗方法，包括
步驟一，輸入設(shè)定的溫度并檢測實際溫度操作； 步驟二，設(shè)定溫度與實際溫度進行比較，得到溫度偏差信號并進行預(yù)處理操作； 步驟三，基于溫度偏差信號進行控制運算操作，獲得控制信號； 步驟四，由獲得的控制信號對可控硅的導(dǎo)通角進行控制，可控硅的輸出進一步控
制外部加熱器， 所述的控制運算操作為比例_模糊自整定比例積分微分控制。所述的控制運算操作由移植了 Li皿x2. 6操作系統(tǒng)并開發(fā)了系統(tǒng)軟件的基于ARM9
的硬件平臺完成的。 所述的控制運算操作包括比例控制運算和模糊自整定比例積分微分控制運算。
所述的模糊自整定比例積分微分控制運算進一步包括控制變量模糊量化處理、建 立模糊控制規(guī)則、選擇查詢模糊控制規(guī)則和解模糊化處理操作。
—種基于ARM的高精度溫度校驗儀器主要包括溫度輸入設(shè)備、溫度顯示設(shè)備、檢 測實際溫度的傳感器、信號調(diào)理電路、模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器、可控硅模塊和外部加熱器，還包 括比例_模糊自整定比例積分微分控制器，其中溫度輸入設(shè)備和溫度顯示設(shè)備分別連接到 比例_模糊自整定比例積分微分控制器，檢測實際溫度的傳感器依次通過信號調(diào)理電路和 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器連接到比例_模糊自整定比例積分微分控制器，比例_模糊自整定比例積分 微分控制器的輸出控制信號連接到可控硅模塊，可控硅模塊的輸出與外部加熱器連接。
所述的比例-模糊自整定比例積分微分控制器由移植了 Li皿x2. 6操作系統(tǒng)的 ARM920T內(nèi)核構(gòu)成，包括比例控制器和模糊自整定比例積分微分控制器兩部分。
所述的檢測實際溫度的傳感器為Ptl00熱電阻傳感器，且為三線制的。
所述的信號調(diào)理電路包括差分電壓放大器和低通濾波器。
所述的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣時鐘頻率為2. 4576MHz 。 所述的比例-模糊自整定比例積分微分控制器輸出信號為脈沖寬度調(diào)制(P麗)信 號。 本發(fā)明基于ARM的高精度溫度校驗方法及儀器的有益效果本發(fā)明將比例_模 糊自整定PID控制器用于電加熱爐的溫度控制，不僅具有很高的精度和穩(wěn)定性，而且具有 較高的抗干擾能力，尤其適合于無超調(diào)的溫度控制系統(tǒng)；本發(fā)明的控制部分使用移植了 Linux2. 6操作系統(tǒng)并開發(fā)了系統(tǒng)軟件的基于ARM9的硬件平臺來完成，從而使得本發(fā)明實 用性更強。


圖1為本發(fā)明中基于ARM的高精度溫度校驗儀器的模塊結(jié)構(gòu)圖；
圖2為本發(fā)明中基于ARM的高精度溫度校驗方法的溫控過程的流程圖；
圖3為本發(fā)明基于ARM的高精度溫度校驗方法及儀器的實施例結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式
如圖1的本發(fā)明的模塊結(jié)構(gòu)圖中，由溫度輸入設(shè)備輸入設(shè)定溫度后，檢測實際溫 度的傳感器檢測的溫度信號由信號調(diào)理電路和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器處理成為數(shù)字信號送到比 例-模糊自整定PID控制器，由該控制器輸出P麗信號控制可控硅的導(dǎo)通時間，從而控制外 部加熱器的加熱情況。輸入的溫度及控制過程中檢測的實際溫度可以實時地由溫度顯示設(shè) 備顯示出來。 如圖2的本發(fā)明的溫控過程的流程圖中，實施操作過程為，首先輸入設(shè)定溫度并 檢測實際溫度；其次對獲得的溫度偏差信號進行預(yù)處理；再次，當(dāng)獲得的溫度絕對偏差|e < E時，采用模糊自整定PID控制，過程為先對控制變量模糊量化處理，再根據(jù)建立的模糊 控制規(guī)則進行查詢并解模糊化處理和PID調(diào)節(jié)控制，當(dāng)溫度絕對偏差|e| ^E時，采用比例 控制；最后由兩部分控制輸出信號控制可控硅的導(dǎo)通情況，從而控制外部加熱器加熱溫度 監(jiān)測對象。 在實際中，控制對象多用在高溫場合，為加快加熱速度，可以采用比例控制算法， 即當(dāng)|e| 〉E時，采用比例控制算法，有利于加快調(diào)節(jié)速度，系統(tǒng)響應(yīng)快；當(dāng)0《|e| <E 時，采用選擇模糊自整定PID控制，有利于消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差和抑制干擾，根據(jù)實驗結(jié)果本發(fā)明中選用E = 50°C。 本發(fā)明中使用不依賴對象模型的模糊控制推理的PID參數(shù)自整定方法，包括如下 操作 1.控制變量的模糊量化處理 根據(jù)儀器用途特點，取定e和ec的范圍，并對其進行模糊量化處理，得出e和ec 論域為e， ec = {-5， -4， _3， _2， -l，O， 1， 2， 3， 4， 5}，其模糊子集e， ec = {NB， NM， NS， 0， PS， PM， PBh其子集各語言值分別為負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。
2.建立模糊控制規(guī)則 從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、超調(diào)量和響應(yīng)速度等方面考慮，在不同的e和ec值下，PID控制 器的比例參數(shù)Kp、積分參數(shù)&和微分參數(shù)Kd的自整定規(guī)則可歸納為 (1)當(dāng)|e|較大時，為了加快系統(tǒng)的升溫速度，應(yīng)取較大的Kp、較小的Kd，同時為了 防止積分飽和以及避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)量，應(yīng)限制積分的作用，一般Ki的值取為 0 ; (2)當(dāng)|e|和I ec|的值為中等大小時，Kp的值取小一些，同時為減少系統(tǒng)相應(yīng)的 超調(diào)量，&的值也應(yīng)取小一些。因Kd值與系統(tǒng)響應(yīng)速度成正比，為保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度，& 的值要適中； (3)當(dāng)I e I較小時，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性能，同時為抑制偏差向任何方向變 化，避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并結(jié)合|ec|的值選取Kd值，Kp與Ki的值取大一些。
通過以上對系統(tǒng)輸入、輸出參數(shù)之間的相互影B向，并結(jié)合模糊PID控制算法中Kp、 Kd這三個控制參數(shù)對控制系統(tǒng)的影響，設(shè)計出系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則表，以偏差e和偏差 變化率ec作為輸入，分別以Kp、Ki、Kd作為輸出變量建立三個模糊規(guī)則表，具體如下表1、表 2和表3 : 表lkp的模糊規(guī)則表
4N已NMNSZOPSPMP已
NBPBPBPMPMPSZOZO
NMP已PBPMPSPSZONS
NSPMPMPMPSZONSNS
ZOPMPMPSZONSNM國
PSPSPSZONSNS剛NM
PMPSZONSNMNMNMN已
PBZOZONMNM國NBNB 表2Ki的模糊控制規(guī)則表
5
4CNBNMNSZOPSPMPB
NBNBNBNMNMNSZOZO
NMNBNBNMNSNSZOZO
NSNBNMNSNSZOPSPS
ZONMNMNSZOPSPMPM
PSNMNSZOPSPSPMPB
PMZOZOPSPSPMPBPB
PBZOZOPSPMPMPBPB
空制規(guī)則表
NBNMNSZOPSPMPB
NBPSNSNBNBNBNMPS
NMPSNSNBNMNMNSZO
NSZONSNMNMNSNSZO
ZOZONSNSNSNSNSZO
PSZOZOZOZOZOZOZO
PMPBNSPSPSPSPSPB
PBPBPMPMPMPSPSPB 3.查詢模糊控制規(guī)則表并解模糊調(diào)整處理和PID控制 在參數(shù)的模糊控制規(guī)則表建立后，根據(jù)實際情況選擇查詢獲得Kp、Ki、Kd，再運用模 糊合成推理設(shè)計出PID參數(shù)模糊調(diào)整矩陣，最后將其存入程序存儲器中供查詢。在實際應(yīng) 用中，由誤差e和誤差變化ec，并對其進行模糊化處理，并根據(jù)模糊控制規(guī)則表，依次得出 Kp、 Kd的語言值，再進行解模糊化后即可實現(xiàn)P ID參數(shù)的在線模糊自整定功能。
如圖3為本發(fā)明的實施例結(jié)構(gòu)圖，圖3中的電橋及Ptl00熱電阻、儀表放大器 INA114、低通濾波器和A/D轉(zhuǎn)換器共同構(gòu)成本實施方式中的溫度信號采集、調(diào)理及轉(zhuǎn)換部 分。S3C2410A控制器完成比例_模糊自整定PID控制器的功能，輸出P麗控制信號對加熱 執(zhí)行單元進行控制，從而完成溫度的動態(tài)調(diào)節(jié)，圖3中的加熱執(zhí)行單元可由三極管運放電 路、可控硅模塊和外部加熱器等構(gòu)成。 如圖3的實施例，工作時，由操作人員通過鍵盤設(shè)定溫度，并通過LCD顯示設(shè)定的 溫度值，由Ptl00熱電阻檢測控制對象實際溫度值，通過儀表放大器INA114、低通濾波器 及A/D轉(zhuǎn)換器將溫度信號由S3C2410A的串行外圍設(shè)備接口 (SPI)送入控制器中，并實時 顯示實際溫度值?？刂破髑蟪鲚斎氲漠?dāng)前溫度值與設(shè)定值的偏差，按照比例-模糊自整 定PID控制算法進行運算，確定下一時間輸出P麗信號占空比，以控制可控硅的導(dǎo)通時間， 從而控制外部加熱器的平均輸出功率，實現(xiàn)溫度控制。圖3中的A/D轉(zhuǎn)換器的外接晶振的 頻率可設(shè)置為2. 4576MHz和1. 024MHz兩種，使用時可進行頻率選擇，本實施例中采用頻率 2. 4576MHz，有利于提高信號的轉(zhuǎn)換精度。Pt100熱電阻傳感器采用鉑電阻為A級薄膜工業(yè) 鉑電阻PtlOO，并選用三線制的，采用三線制可以大大減小導(dǎo)線電阻帶來的附加誤差。儀 表放大器INA114采用差動式雙端輸入，單端輸出方式，以利于獲得很低的失調(diào)電壓與很小 的溫度漂移，高的共模抑制比及極高的輸入阻抗。S3C2410A控制器采用ARM920T內(nèi)核，并
6移植了 Li皿x2. 6操作系統(tǒng)，ARM920T內(nèi)核具有32位地址總線，ARM920T內(nèi)核外接兩個并 接的16位數(shù)據(jù)寬度的SDRAM存儲器，利用SDRAM作為系統(tǒng)運行中的交換數(shù)據(jù)單元，外接的 NandFlash具有極高的單元密度和很快的寫入擦出速度，作為執(zhí)行代碼啟動、程序以及數(shù)據(jù) 存儲空間，外接的JTAG主要用于對芯片內(nèi)部進行測試，另外實施例中還接有RS232接口 ，連 接PC機，可以大大加強對校驗數(shù)據(jù)的存儲、分析處理和顯示功能。
權(quán)利要求
一種基于ARM的高精度溫度校驗方法，包括步驟一，輸入設(shè)定的溫度并檢測實際溫度操作；步驟二，設(shè)定溫度與實際溫度進行比較，得到溫度偏差信號并進行預(yù)處理操作；步驟三，基于溫度偏差信號進行控制運算操作，獲得控制信號；步驟四，由獲得的控制信號對可控硅的導(dǎo)通角進行控制，可控硅的輸出進一步控制外部加熱器，其特征在于，所述的控制運算操作為比例-模糊自整定比例積分微分控制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ARM的高精度溫度校驗方法，其特征在于，所述的控制運 算操作由移植了 Li皿x2. 6操作系統(tǒng)并開發(fā)了系統(tǒng)軟件的基于ARM9的硬件平臺完成的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2之一所述的基于ARM的高精度溫度校驗方法，其特征在于，所述 的控制運算操作包括比例控制運算和模糊自整定比例積分微分控制運算。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于ARM的高精度溫度校驗方法，其特征在于，所述的模糊自 整定比例積分微分控制運算進一步包括控制變量模糊量化處理、建立模糊控制規(guī)則、選擇 查詢模糊控制規(guī)則和解模糊化處理操作。
5. —種基于ARM的高精度溫度校驗儀器主要包括溫度輸入設(shè)備、溫度顯示設(shè)備、檢測 實際溫度的傳感器、信號調(diào)理電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、可控硅模塊和外部加熱器，其特征在于， 還包括比例-模糊自整定比例積分微分控制器，其中溫度輸入設(shè)備和溫度顯示設(shè)備分別連 接到比例-模糊自整定比例積分微分控制器，檢測實際溫度的傳感器依次通過信號調(diào)理電 路和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器連接到比例_模糊自整定比例積分微分控制器，比例_模糊自整定比例 積分微分控制器的輸出控制信號連接到可控硅模塊，可控硅模塊的輸出與外部加熱器連 接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于ARM的高精度溫度校驗儀器，其特征在于，所述的比 例-模糊自整定比例積分微分控制器由移植了 Li皿x2. 6操作系統(tǒng)的ARM920T內(nèi)核構(gòu)成，包 括比例控制器和模糊自整定比例積分微分控制器兩部分。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于ARM的高精度溫度校驗儀器，其特征在于，所述的檢測實 際溫度的傳感器為Pt100熱電阻傳感器，且為三線制的。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于ARM的高精度溫度校驗儀器，其特征在于，所述的信號調(diào) 理電路包括差分電壓放大器和低通濾波器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于ARM的高精度溫度校驗儀器，其特征在于，所述的模/數(shù) 轉(zhuǎn)換器的采樣時鐘頻率為2. 4576MHz。
10. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于ARM的高精度溫度校驗儀器，其特征在于，所述的比 例_模糊自整定比例積分微分控制器輸出信號為脈沖寬度調(diào)制信號。
全文摘要
本發(fā)明基于ARM的高精度溫度校驗方法及儀器涉及溫度計量檢測技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明采用了比例-模糊自整定PID控制方式從而解決目前工業(yè)電加熱爐溫度控制中精度和穩(wěn)定度低，抗干擾能力不佳等問題。本發(fā)明主要包括設(shè)定溫度并檢測實際溫度獲得溫度偏差，基于溫度偏差進行比例-模糊自整定PID控制外部加熱，本發(fā)明的比例-模糊自整定PID控制部分由移植了Linux2.6操作系統(tǒng)并開發(fā)了系統(tǒng)軟件的基于ARM9的硬件平臺完成。本發(fā)明特別適用于對滯后及無超調(diào)系統(tǒng)，且要求高精度、高穩(wěn)定性的工業(yè)溫度控制系統(tǒng)。
文檔編號G01K7/18GK101769800SQ201010112130
公開日2010年7月7日 申請日期2010年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月4日
發(fā)明者李晉堯 申請人:北京印刷學(xué)院