智能测控系统

党俊艺

（平顶山中平能化集团帘子布公司，河南 平顶山 467000）

1 智能测控系统图

1.1 pt100 温度传感器工作原理

电阻式温度检测器是一种物质材料做成的电阻，它会随温度的上升而改变电阻值，如果它随温度的上升而电阻值也随着上升就称为正电阻系数，如果它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数。铂热电阻是应用广泛的温度传感器，它具有体积小、准确度高、稳定性好测、温范围宽、正的温度系数等特点。

传感器的接入非常简单，从系统的5V 供电端仅仅通过一支3K92的电阻就连接到PT100 了，这种接法通常会引起严重的非线性问题。但是由于有了单片机的软件校正作为后盾，因此就简化了传感器的接入方式。

1.2 Pt100 的特性

按铂热电阻技术标准，铂电阻Pt100 在0～650℃范围内的符合国际分度表函数Rt可用下式表示:

Rt＝R0（1＋At－Bt2）

其中:Rt，R0分别是t℃和0℃时的铂电阻阻值，R0=100 Ω，A＝3.90802×10－3℃－1，B＝5.80195×10－7℃－2。该函数的特点是精度高、覆盖温度范围宽。以经常使用的分度值(10℃为间隔)作比较，可以看出在0～650 ℃范围内拟合值与实际阻值的最大绝对误差为0.0049Ω，平均绝对误差为0.0026Ω，这时的最大相对误差仅为1.487×10－5，因此该函数满足高测量精度的要求.但由于函数中存在非线性项Bt2，要消除铂电阻非线性对输出的影响，就需要想法补偿在不同温度点时由于电阻的变化率降低而导致测量输出信号减少或增大的那部分。

一般使用单片机来进行温度等的计算，由于该表达式比较复杂，用单片机处理这样的计算过程，将会占用大量的资源，程序的编写上相当复杂，所以一般采用先查表，再插值的方法换算处温度。

1.3 pt100 测温原理

Pt100 式温度传感器，测温的本质其实是测量传感器的电阻，是将电阻的变化转换为电流或电压等信号，再将模拟量转换成数字量，再经处理器算出相应温度值。采用pt100 测量温度，一个用pt100 热电阻，当pt100 阻值变化时，测量端将产生电势差，再由电势差换算出对应的温度值。

1.4 提高pt100 测温精度的方案

1.4.1 通过改善pt100 接线方式对误差进行补偿

铂热电阻的使用，一般有三种解法，分别是二线制接法、三线直接法和四线制接法，不同的接法是应用于不同的精度要求。

1.4.2 通过插值算法校正pt100 的非线性度

由pt100 的特性可知，虽然pt100 的线性较好，但是由于电阻—温度函数是非线性的，单片机运算则占用时间和资源较多。常用线性插值算法和查表进行标度变换计算温度，运算快占用单片机资源少，并且可以对pt100 进行线性校正，达到相当精确地温度测量结果。

查表要在单片机的ROM 区建立电阻与温度分度表，在检测值内均匀地选择几个标定点，标定的点越多则表格越大。在0-100 度之间每隔5 度标定一个pt100 的电阻值，共20个点，分别记作R[i]，对应的温度记作T[i]，i 取0-2，采用线性差值算法进行标度变换时，将检测值Rx 通过顺序查表，与标定点R[i]比较，确定区间R[i]＜Rx＜R[i+1]，然后进行线性插值算法球的温度值Tx；

因为是每隔5℃标定一个电阻值，所以T[i+1]-T[i]=5，即：

1.5 程序设计

1.5.1 程序流程图

1.5.2 程序设计

2 控制器设计

2.1 PID 原理

2.1.1 PID 控制的原理和特点

当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。把测量关心的变量与期望值相比较得到系统误差，再用这个误差来纠正调节系统的响应。这个理论应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。

PID 控制算法的基本原理:简单地说，就是运用比例、积分、微分算法，来对回路中的偏差进行修正，通过执行器调节参数，使测量值稳定在设定值附近，达到控制某一参数的目的。

2.1.2 闭环控制系统

闭环控制的特点是系统被控对象的输出值会反馈影响控制器的输出值。闭环控制系统有正、负反馈，若反馈信号与系统给定值相反，则称为负反馈，若相同，则称为正反馈，一般闭环控制均采用负反馈控制系统。

PID 控制器由比例单元、微分单元、和积分单元组成。（1）比例调节按比例反应系统的偏差的大小来进行调节的，系统出现偏差，比例调节产生调节作用减少偏差。比例作用大能加快调节速度，减少误差，但比例作用过大，会造成系统不稳定。（2）积分调节可以使消除或降低系统的稳态误差，积分调节常与微分比例规律相结合。（3）微分调节能够反映系统偏差信号的变化率，能够预见偏差变化的趋势，能产生超前的控制作用，在偏差形成之前，就被消除。

2.2 PID 控制器的参数整定

PID 控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。

PID 控制器参数的整定步骤：

（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；

（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；

（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID 控制器的参数。

2.3 BP 神经网络控制器设计

2.3.1 简介

BP 网络是多层前馈神经网络，BP 网络能学习和存贮大量的输入-输出模式映射关系，而无需事前揭示描述这种映射关系的数学方程。它的学习规则是使用最速下降法，通过反向传播来调整网络的阈值和权值，使网络的误差平方和最小。

2.3.2 BP 算法基本原理

某个样本被（设为第P个样本）输入网络，且有输出时，均方误差为所有输出单元误差平方的和，即所有样本都被输入后，总误差为，设WSP为一个连接权值时按梯度下降放法，批处理下权值修正量为增量方式下权值修正量为输 出层w″kl（n0+1）=w″kl，中间隐层

其中BP 网络应用中隐含层神经元个数的确定问题尚没有固定算法，也没有理论支持，通常是靠经验来确定。

3 控制系统仿真

3.1 常规PID 控制器设计仿真

3.1.1 软件程序仿真

PID 控制方法进行校正程序如下：

校正后如图4 所示

4 结束语

在测控系统中，如何减少测量误差，实现精确测控一直是被关注的但尚未解决的问题。本文介绍了一个简单而有效的基于单片机实现测温与显示功能，利用PID 算法、PB 神经网络进行矫正，实现智能稳快准的预期效果。

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