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新型单片机水温自适应测控系统2004年9月(1)

摘要  介绍了一种基于单片机的新型的自适应自适应水温测控系统,通过自适应算法提高水温测控系统在不同环境参数下的适应性;简易而实用的温度测量方法有效地降低了系统成本。

关键词  单片机   水温控制系统  自适应控制   热敏电阻

0  引言

   水温控制在工业及日常生活中应用广泛,分类较多,不同水温控制系统的控制方法也不尽相同,其中以PID控制法最为常见。然而,单纯的PID算法无法适应不同的温度环境,到了新环境往往无法很好胜任,甚至使系统变得不稳定,需要重新改变PID调节参数值以取得最佳性能。本文在模型参考自适应算法(MRAC)[1]基础上,用单片机实现了自适应控制,弥补了传统PID控制结构在特定场合下性能下降的不足,设计了一套实用的温度测控系统,使它在不同时间常数下均可以达到技术指标。此外还有效减少了输出继电器的开关次数,适用于环境参数经常变化的小型水温控制系统。

1         硬件系统

1.1 系统工作原理

硬件系统结构框图如图1所示。

               图1 硬件系统结构框图

控制系统采用Atmel  AVR   RISC系列AT90S4433[2]单片机。该芯片具有20个可编程I/O口、6通道10位A/D转换部件、4k字节Flash程序存储空间、128字节SRAM以及256字节EEPROM。

温度信号由温度传感器转变为电信号,经前置放大器滤波后反馈至AT90S4433单片机进行A/D转换。温度传感器由热敏元件和运算放大器组成,具有成本低、使用方便、灵活性大等优点。

AT90S4433单片机一方面控制键盘及液晶显示电路,另一方面将反馈温度信号进行A/D转换并产生控制信号给输出控制逻辑,低压控制信号经光电隔离后,放大输出至功率输出电路以取得功率输出。

报警电路的驱动信号由单片机和滤波后的温度信号共同决定以提高可靠性。电源保护模块提供所有模块的过压及断电保护。  SPI在线编程接口便于单片机程序固化,便于产品升级。

1.2 热敏电阻线性补偿法

热敏电阻最大特点是价廉,但由于存在非线性,实际应用中须以运算放大放大器作线性补偿进行多点测量才能取得较满意的性能。其原理如图2所示。

                      图2  热敏电阻反相线性补偿电路

* 为负温度系数的热敏电阻,其阻值

                 ·

式中: 是温度为 时的阻值:T的单位是k;材料常数

    由运算放大器特性可得到

                

为图2中示数时,电压-温度特性如图3所示。由图3可见,10℃~50℃间电压变化基本为线性,线性失真度小于3%。改变 和U 可以调整曲线的线性度和值域范围。

                         图3  电压-温度特性图

1.3 功率输出模块

系统被控加热器H 的最大功率可达12kW。如图4所示,单片机通过光电耦合器间接控制继电器,从而控制加热器H

                     图4 功率输出模块硬件结构图

2 软件设计

2.1自适应控制系统原理

通常情况下,温度控制系统可以近似为带有纯滞后环节的一阶线性系统。一般水温控制系统的时间常数远大于滞后时间常数,因此本系统可直接视为一阶线性系统,其自适应控制原理框图如图5所示。

                     图5 一阶模型参考自适应控制系统

图5中 表示由键盘输入的给定量,也就是目标温度; 和D 分别是前馈可调参数和反馈可调参数; 分别为系统温度环境模型和设计参考模型的传递函数,其微分方程分别为

                                   (1)

                                    (2)

单片机通过调整 来辨识对象参数T 以确定u(t),使系统的控制器输出 ,以适应不同的水温环境。程序运行过程中不断计算 ,使之始终保持在可容许的误差范围之内,即可得到准确的环境参数。由图5可知,

                                    (3)

由式(1)和(3)可得


 


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以上资料摘录自《自动化仪表》杂志
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