專利名稱：一種基于大時滯被控對象的數(shù)字式溫度控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于溫度控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于大時滯被控對象的數(shù)字式溫度控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在溫控技術(shù)領(lǐng)域，根據(jù)熱傳導(dǎo)速度的快慢，被控對象主要分為兩種一種是小時滯的，另一種是大時滯的。與小時滯被控對象相比較，大時滯被控對象的溫度控制較為復(fù)雜，不但溫控精度難以提高，而且溫度梯度也比較大，因此，針對被控對象存在較大純時滯環(huán)節(jié)時，難以實現(xiàn)精準的控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于大時滯被控對象的數(shù)字式溫度控制系統(tǒng)，解決了較大純時滯環(huán)節(jié)難以精準控制的問題。本發(fā)明解決其技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種基于大時滯被控對象的數(shù)字式溫度控制系統(tǒng)，包括多個溫度檢測電路、DSP模塊、功率放大器和數(shù)字PID控制裝置，每個溫度檢測電路由溫度檢測橋路模塊、前置放大器模塊和電壓轉(zhuǎn)換模塊依次連接構(gòu)成，DSP模塊包括A/D轉(zhuǎn)換單元、CPU單元和PWM輸出單元，每個溫度檢測橋路模塊一端連接被控對象的熱敏器，另一端連接前置放大器模塊的一端，前置放大器模塊的輸出端連接電壓轉(zhuǎn)換模塊，該電壓轉(zhuǎn)換模塊的另一端通過A/D轉(zhuǎn)換單元連接到CPU單元，該CPU單元通過PWM輸出單元連接到功率放大器上，該功率放大器的輸出端連接到被控對象的加熱器上，該CPU單元還與數(shù)字PID控制裝置相連接實現(xiàn)對多個溫控區(qū)的聯(lián)合控制功能。。而且，所述的溫度檢測橋路模塊由兩個標準電阻、一個調(diào)溫電阻和一個測溫用熱敏電阻構(gòu)成，熱敏電阻安裝在被控對象的測溫部位，調(diào)溫電阻外接，兩個標準電阻的一端相連并接地，另外一端分別連接調(diào)溫電阻和熱敏電阻，調(diào)溫電阻和熱敏電阻的另外一端相連并接+5V電源，兩個標準電阻和調(diào)溫電阻及熱敏電阻的連接端連接前置放大模塊的兩個輸入端。而且，所述的前置放大器模塊采用差動放大器INA118構(gòu)建而成。而且，所述的電壓轉(zhuǎn)換模塊采用了四運算放大器TLC2274。而且，所述的DSP模塊采用TMS320F28335芯片。而且，所述的功率放大模塊由開關(guān)功率放大器IRLML2502和運放芯片0P295連接構(gòu)成。而且，所述的數(shù)字PID控制裝置采用的是帶史密斯預(yù)估器的數(shù)字PID控制裝置。本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是本發(fā)明將被控對象分為多個溫控區(qū)，每個溫控區(qū)采用惠斯頓電橋?qū)Ρ豢貙ο筮M行溫度檢測，DSP模塊通過采集每個溫控區(qū)的溫度數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)對被控對象的聯(lián)合控制功能，當(dāng)被控對象溫度遠低于預(yù)設(shè)溫度時，加溫電流較大，實現(xiàn)了快速升溫；當(dāng)接近預(yù)設(shè)溫度時，加溫電流較小，實現(xiàn)了精準溫控的同時還避免了溫控系統(tǒng)的振蕩，使整個調(diào)整過程快速準確。不僅精準控制溫度梯度，而且提高了溫控精度，在環(huán)境界面溫度波動土rc的條件下，溫控精度優(yōu)于百分之一度。本發(fā)明具有精度高、反應(yīng)靈敏、可靠性高、體積小等特點。


圖I是本發(fā)明的系統(tǒng)連接示意圖；圖2是一個溫控區(qū)的溫控回路示意圖；圖3是帶史密斯預(yù)估器的數(shù)字PID控制裝置的原理框圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對發(fā)明做進一步詳述 一種基于大時滯被控對象的數(shù)字式溫度控制系統(tǒng)，如圖I所示，包括多個溫度檢測電路、DSP模塊、功率放大器和帶史密斯預(yù)估器的數(shù)字PID控制裝置，根據(jù)被控對象的溫度梯度特點，可將被控對象分為多個溫控區(qū)進行聯(lián)合控制，本實施例給出被控對象被分為八個溫控區(qū)。每個溫度檢測電路由溫度檢測橋路模塊、前置放大器模塊和電壓轉(zhuǎn)換模塊依次連接構(gòu)成，DSP模塊包括A/D轉(zhuǎn)換單元、CPU單元和PWM輸出單元，由于DSP模塊需要采集八路溫度檢測電路的溫度，因此，AD轉(zhuǎn)換單元也為八個分別連接到CPU單元上?？刂葡到y(tǒng)中各部分電路的連接方式為每個溫度檢測橋路模塊一端連接被控對象的熱敏器上，另一端連接前置放大器模塊的一端，前置放大器模塊的輸出端連接電壓轉(zhuǎn)換模塊，該電壓轉(zhuǎn)換模塊的另一端通過DSP模塊中的A/D轉(zhuǎn)換單元連接到CPU單元，該CPU單元通過PWM輸出單元連接到功率放大器上，該功率放大器的輸出端連接被控對象的加熱器上。DSP模塊中的CPU單元還與帶史密斯預(yù)估器的數(shù)字PID控制裝置相連接，通過該數(shù)字PID控制裝置的數(shù)字PID控制算法對轉(zhuǎn)換存儲的數(shù)據(jù)進行處理，以實現(xiàn)八個溫控區(qū)的聯(lián)合控制。下面對控制系統(tǒng)中的各個部分分別進行說明如圖2所示，溫度檢測橋路模塊采用惠斯頓電橋結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點是精度高，反應(yīng)靈敏。每個溫度檢測橋路模塊由兩個標準電阻、一個調(diào)溫電阻和一個測溫用熱敏電阻構(gòu)成，熱敏電阻安裝在被控對象的測溫部位，調(diào)溫電阻外接。兩個標準電阻的一端相連并接地，另外一端分別連接調(diào)溫電阻和熱敏電阻，調(diào)溫電阻和熱敏電阻的另外一端相連并接+5V電源。標準電阻和調(diào)溫電阻及熱敏電阻的連接端連接前置放大模塊的兩個輸入端。前置放大器模塊采用差動放大器INA118構(gòu)建而成，通過調(diào)整電阻值來調(diào)整前置放大模塊的放大倍數(shù)，該INA118放大器可以實現(xiàn)對放大倍數(shù)的精確控制，該器件的引入使得不但電壓放大倍數(shù)調(diào)節(jié)方便，還有效的簡化了電路結(jié)構(gòu)，利于提高控制系統(tǒng)的可靠性。電壓轉(zhuǎn)換模塊采用了四運算放大器TLC2274，電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸入信號由前置放大模塊提供，其電壓范圍為-5V +5V，輸出信號供給DSP模塊的A/D轉(zhuǎn)換單元，其電壓范圍為OV 3V。DSP模塊選用TI公司新型的浮點運算DSP TMS320F28335,該芯片集成了 16路12位的高精度A/D轉(zhuǎn)換單元和16路的PWM輸出單元，而且其CPU主頻高、運算速度快，便于實現(xiàn)各種控制算法。功率放大模塊包括開關(guān)功率放大器IRLML2502和運放0P295，開關(guān)功率放大器IRLML2502控制加溫電流的通斷，該開關(guān)功率放大器不但有效降低了功率放大模塊的功耗，而且顯著縮小了該模塊的體積，有利于整個溫控系統(tǒng)線路的集成，同時，該功率放大模塊采用運放0P295構(gòu)成電壓跟隨器，實現(xiàn)隔離信號的作用，避免功率放大模塊對DSP造成影響。本數(shù)字式溫度控制系統(tǒng)的工作原理是I、溫度檢測原理如圖I所示，當(dāng)被控對象的某區(qū)域溫度低于該區(qū)域預(yù)設(shè)溫度時，其熱敏電阻的阻值小于調(diào)溫電阻的阻值，該檢測橋路未達到平衡，其輸出信號由前置放大模塊進行差動放大，得出不平衡信號，該不平衡信號作為此溫控區(qū)溫度閉環(huán)控制的反饋信號。當(dāng)被控對象的溫度達到預(yù)設(shè)溫度時，熱敏電阻的阻值應(yīng)該等于調(diào)溫電阻的阻值。 這時，溫度檢測橋路的靈敏度最高，信號差值為kU 二 ———^ U
Ri因為AR〈〈Rt，所以信號差值可近似表示為
SiRΑ / =-1:
IU Ri其中R為標準電阻的阻值，U表示電源電壓。2、數(shù)據(jù)處理原理數(shù)據(jù)處理是以DSP模塊為核心的，其A/D轉(zhuǎn)換單元對前置放大模塊提供的信號進行采樣及轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行存儲。采用帶史密斯預(yù)估器的數(shù)字PID控制裝置對轉(zhuǎn)換存儲的數(shù)據(jù)進行處理，以實現(xiàn)八個溫控區(qū)的聯(lián)合控制。如圖3所示，帶史密斯預(yù)估器的數(shù)字PID控制裝置，u(k)是數(shù)字PID控制器的輸出，yT (k)是史密斯預(yù)估器的輸出。e τ (k) =e (k) -y τ (k) =r (k) -y (k) -y τ (k)帶史密斯預(yù)估器的數(shù)字PID控制的輸出為u (k) =U (k-Ι) + Δ u (k) =u (k_l) +Kp (e τ (k) _e τ (k_l)) +Kje τ (k)+Kd (θ τ (k)—2θ τ (k—I) +θ τ (k—2))式中，Kp為數(shù)字PID控制的比例系數(shù)，Ki=KpIVTi為積分系數(shù)，Kd=KpTd/T為微分系數(shù)。經(jīng)帶史密斯預(yù)估器的數(shù)字PID控制算法后，DSP將處理的結(jié)果轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的PWM輸出的占空比。3、溫度控制原理DSP模塊輸出PWM信號至功率放大模塊，由該模塊轉(zhuǎn)化為控制電流信號施加于被控對象的加熱器，由此實現(xiàn)溫度控制，使得被控對象的溫度趨近于預(yù)設(shè)溫度。需要強調(diào)的是，本發(fā)明所述的實施方式是說明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明并不限于具體實施方式
中所述的實施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出的其他實施方式，同樣屬于本發(fā)明保護的范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于大時滯被控對象的數(shù)字式溫度控制系統(tǒng)，其特征在于包括多個溫度檢測電路、DSP模塊、功率放大器和數(shù)字PID控制裝置，每個溫度檢測電路由溫度檢測橋路模塊、前置放大器模塊和電壓轉(zhuǎn)換模塊依次連接構(gòu)成，DSP模塊包括A/D轉(zhuǎn)換單元、CPU單元和PWM輸出單元，每個溫度檢測橋路模塊一端連接被控對象的熱敏器，另一端連接前置放大器模塊的一端，前置放大器模塊的輸出端連接電壓轉(zhuǎn)換模塊，該電壓轉(zhuǎn)換模塊的另一端通過A/D轉(zhuǎn)換單元連接到CPU單元，該CPU單元通過PWM輸出單元連接到功率放大器上，該功率放大器的輸出端連接到被控對象的加熱器上，該CPU單元還與數(shù)字PID控制裝置相連接實現(xiàn)對多個溫控區(qū)的聯(lián)合控制功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于大時滯被控對象的數(shù)字式溫度控制系統(tǒng)，其特征在于所述的溫度檢測橋路模塊由兩個標準電阻、一個調(diào)溫電阻和一個測溫用熱敏電阻構(gòu)成，熱敏電阻安裝在被控對象的測溫部位，調(diào)溫電阻外接，兩個標準電阻的一端相連并接地，另外一端分別連接調(diào)溫電阻和熱敏電阻，調(diào)溫電阻和熱敏電阻的另外一端相連并接+5V電源，兩個標準電阻和調(diào)溫電阻及熱敏電阻的連接端連接前置放大模塊的兩個輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于大時滯被控對象的數(shù)字式溫度控制系統(tǒng)，其特征在于所述的前置放大器模塊米用差動放大器INA118構(gòu)建而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于大時滯被控對象的數(shù)字式溫度控制系統(tǒng)，其特征在于所述的電壓轉(zhuǎn)換模塊采用了四運算放大器TLC2274。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于大時滯被控對象的數(shù)字式溫度控制系統(tǒng)，其特征在于所述的DSP模塊采用TMS320F28335芯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于大時滯被控對象的數(shù)字式溫度控制系統(tǒng)，其特征在于所述的功率放大模塊由開關(guān)功率放大器IRLML2502和運放芯片0P295連接構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于大時滯被控對象的數(shù)字式溫度控制系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)字PID控制裝置采用的是帶史密斯預(yù)估器的數(shù)字PID控制裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于大時滯被控對象的數(shù)字式溫度控制系統(tǒng)，其主要技術(shù)特點是包括多個溫度檢測電路、DSP模塊、功率放大器和數(shù)字PID控制裝置，DSP模塊包括A/D轉(zhuǎn)換單元、CPU單元和PWM輸出單元，每個溫度檢測電路一端連接被控對象的熱敏器，另一端通過A/D轉(zhuǎn)換單元連接到CPU單元，該CPU單元通過PWM輸出單元連接到功率放大器上，該功率放大器的輸出端連接到被控對象的加熱器上，該CPU單元還與數(shù)字PID控制裝置相連接實現(xiàn)對多個溫控區(qū)的聯(lián)合控制功能。本發(fā)明將被控對象分為多個溫控區(qū),DSP模塊通過采集每個溫控區(qū)的溫度數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)對被控對象的聯(lián)合控制功能，具有精度高、反應(yīng)靈敏、可靠性高、體積小等特點。
文檔編號G05D23/20GK102880204SQ20121035606
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月21日
發(fā)明者裴闖, 武麗花, 凌林本, 谷健, 白永杰 申請人:中國船舶重工集團公司第七〇七研究所