基于热电偶的模糊加权解耦控制在多路温控器中应用研究

张鑫 史超 张壹胜 胡鹏 段可新

摘 要：通过对模具温控装置的现状分析，设计了基于热电偶的模糊加权解耦控制的32路的温度控制系统，介绍了该系统的硬件结构、抗干扰设计、控制算法，并对控制精度进行了探讨。通过热电偶加权解耦来获得冷端补偿电位值，然后，将微机内和热电偶的实际的输出电位代数相加，通过热电偶加权解耦，可以换算该代数和实测温度。通过计算得到高精度的潜在温度值，然后根据潜在的温度值得到相应的温度值。因此，实现了实际线性，降低了放大器的温度漂移和非线性漂移的影响。研究结果显示，本文实际的系统具有结构简单、精度高、应用范围广的特点。

关键词：热电偶;温度控制;多路温控器;模糊加权解藕控制

1引言

近几年来，温度控制系统被人们广泛采用。以取代传统的模拟控制方法，以改进控制系统的绩效指标，并改进控制功能。由于需要确保温度的均匀性和测量点的数量，过去使用了多个微机控制系统，这反过来又导致了控制系统的复杂性、功能不便以及多个系统的分散控制问题[1]。温度常常是结构和参数的不确定性、重大延误和变量、难以获得准确的数学模型、在最需要的环境中使用传统方法往往无法达到预期的控制效果[2]。在大量热装置中，传感器被广泛用作温度传感器。但是，自动调温器与温度之间的非线性特征对应用产生了许多不利影响。虽然某些线性方法，例如绘制界线，但测量误差仍可视为热负荷的线性要素[4]。因而，发展多通道、正确的用户界面、温度的精准控制对于简化硬件设计并提高系统的准确性非常重要。微机电路用于监测生产，故障自诊断，同时控制多个温度控制区域。提出了一种算法简单、解耦效果好、适应参数变化的多变量模糊控制方法，应用于现代生产线，效果好。

2 整机结构及工作过程

硬件系统的块图如图1所示。从下图中可以看出，该系统由单芯片微型计算机、传感器、放大滤波器、键盘、液晶、温度补偿单元组成。该参数可以用标准偏差表示，可以用标准偏差的倍数或置信区间的半值宽度表示，所有的测定结果都有不确定度。系统中，温度传感器采用k分度号的热电偶，在0℃时输出电压为0，温度系数约为22μV/℃，通道选择由4片4051组成，扩展控制口、输出缓冲采用8255、7407，系统的执行单元采用固态继电器。但是，由于被控对象存在热惯性，将会导致被控对象的实际温度值在温度给定值附近出现上、下振荡现象。

系统硬件工作原理是对温度传感器控制的工作台温度进行测量，所产生的微弱电压信号，经过冷端补偿前置放大、滤波，输出反馈信号。相反，试验中的热电偶为K，补偿电缆在直流直接电流后连接，直接测量热能量的动态，并使用热空气温度计算进行环境温度修正。表1说明了逻辑控制和数据收集过程。在表1的3个步骤之后，单芯片微型计算机计算并查看表的顶部，计算温度的精确值，输出串行端口数据，并按数字管显示，然后在下一个工作周期之间进行查看。温控装置的冷端暴露于工作环境中，因此，冷端温度可被认为符合操作环境的温度。驱动加热/冷却单元，使被控工作台稳定在用户从键盘输人的目标温度上，加热/冷却单元和被控工作台组成系统的被控对象，温度传感器、通道选择与前置放大组成反馈环节。

3软件抗干扰设计和控制算法

3.1 软件抗干扰设计

热电偶的温度系数比较小，信号弱，易受到各种干扰，经过过滤器后，干涉程度减少了一定程度，但仍然受到工频干扰、随机噪声的影响，软件设计必须进一步抑制干扰。一般情况下，两相流速测量系统的实验标定是比较困难的，必要时可采用激光多普勒技术或高速摄影技术来标定，但它们对管道流动系统有些特殊要求[5]。通过改变变压器的输出电压来调节管炉内的温度。差压计的精度为0.2，分辨率为0.03 mV。如果实验温度场在40至13摄氏度之间允许误差为±1.5°C或+0.70%，则信任度为96%。单片机内利用T1进行特殊触发，对偶然因素引起的随机干扰进行中值滤波，随机使用五次确定的中值过滤器来获得插值。

3.2 控制算法

对于32种实时准确的测量，由于需要PID控制良好的人机对话界面，所以必然需要合理的控制算法。该控制算法的主流图表如图2所示。对于多路控制区，每段加热分别由区本身的输人量对其输出量起主要作用，其它变量可看作干扰量。要提高加热率，只需在一定的调整温度范围内调整服务周期即可。0状态表示恒定加热，2个状态表示恒定冷却，这两个状态的命令操作都直接在主中断程序中执行。因为数据的采集周期极短， 在一个数据采集周期内可以认为环境温度是恒定的， 即 AD590M 的输出电流 I 是恒定的。在1状态的T周期中，该周期为1状态，而不是下一个周期，其控制操作相对独立，与其他路径不干扰，控制误差也在1周期T以内，因此保证了路径控制操作的实时性。

在实际的温度控制中，为了减小振荡振幅，可以在温度规定值附近设置上限、下限。在坎限上为停止加热区，在坎限下为加热区，在坎限内则可利用计算机的逻辑判断功能判断是否应加热。在实际的测试中，在温度的温度为8°C时，温度测量装置低于2°C，温度变化非常低，在测量温度计量装置的温度时，对其影响非常小。

4 控制精度探讨

将测量的数组温度检测到热塑性时，会将前通道转换为一个电压信号，该信号对应于单芯片微型计算机的基准点电压（SV）的值。考虑到对单芯片微型计算机的采样需要，对热电偶而言，应线性放大。此处，电势输出范围为0-3000V，满足了采样和测量的要求。由于模具温度控制范围一般是O℃到4000℃之间，选用自带10位AD转换的单片机，则相对应的转换最大误差足够满足精度要求。而出现祸合现象后，通过对各通道调节量、被调量的仔细分析，采取适当的措施，可消除祸合带来的不利影响[6]。从控制测量角度来看，比较简单，而实际测量温度与温度值进行比较，低于实际温度，可以控制硅加热，以增加测量温度

在温度测定试验中，通常在常温常压环境下进行，标准温度计为0。因此，在實测实测数据取得测定数据后，通过计算、分析、处理测定的数据，以提高测定精度。首先选取适当的隶属度函数，基本论域、模糊集论域，再经过离散化后得到其赋值表。根据比较、逻辑判断结果设置加热或不加热标志，在同步信号产生后，计算机进入中断程序[7]。值越大，系统的不确定性就越大。之后，为了降低温度测量系统的不确定性，我们必须精确地选择热电偶，相反，即使选择了极高的热电偶，系统的不确定度未必是小的。如果在恒定温度过程中出现干扰，例如环境的突然变化，则恒定温度步骤的平衡将被打破。届时，系统将自动调整工作周期并恢复平衡[8]。

T周期太大，或过小，将影响热惯性、热平衡与冷却之间的平衡，而通路的整个生命周期都是30×25毫秒，而通路的测量周期为100毫秒。每个指令首先运行，然后在语句代碼中执行。在每次操作之前，必须对当前状态进行判断，直到命令允许接收该命令时为止。然后查询各路是否有加热标志，如有加热标志则对应的输出口置，并清加热标志，四路查完后，中断返回。在TO，T1和ADC中断中，T1的定时准确与否关系到测量精度，所以设其为中断优先级，TO和ADC中断为同级中断。多路温度控制器的输出为开关量输出，该开关根据模糊控制算法监控控制箱。形成两个直流34V控制交流330V通断的回路，进而接通或断开加热装置，实现了多路温度控制。

5 结论

本文设计的32通道温度控制器在使用中操作简单，温度控制系统方便、安全、可靠。结果表明，该系统的不确定性不仅与热电偶本身的容许误差有关，而且与构成系统的测量元件的重复性有关。该温控器开发以来，在模具温控上得到了很好的运用，提高模具生产的成品率，解决了温度不均匀的问题，使控制精度达到了±1度。由于对控制系统引入专家模糊 PID 控制，在曲线的两个拐点进行了“预前控制”，有效的克服了温度滞后带来的影响。其综合性能比以往的控制方法更完备，完全符合日常工作的要求。

参考文献

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[3] 王利恒， 易金平， 王志航. 基于Web的分布式窑炉温控器设计[J]. 自动化与仪表， 2018， v.33;No.244（07）：33-36+62.

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[8] 刘浩. 浅谈热电偶测温原理及应用[J]. 科技与企业， 2014（2）：258-258.