热重分析仪温度测控方案的设计与实现

2013年第1期信息技术文章编号:1009-2552(2013)01-0143-04中图分类号:TP273文献标识码:A热重分析仪温度测控方案的设计与实现王春来,王磊(同济大学中德工程学院,上海200092)摘要:热重分析仪对温度的测量精度和控制精度的要求都很高,文中对温度的测量方案、温度控制器的设计等一系列过程进行了分析研究,设计了一套适合于热重分析仪的温度测控系统。其中,温度信号的采集釆用以模数转换器AD714为核心的解决方案,温度控制器则采用模糊PID控制,通过单片机实现温度的恒温、变温等控制。实验证明,该系统对于复杂条件下的高级温度测控表现出了优良的性能。关键词:热重分析仪;温度控制;AD7714;模糊PID控制Design and implementation of temperature measurement andcontrol for a thermo gravimetric analyzerWANG Chun-lai. WANG LeChinese-German School for Postgraduate Studies, Tongji University, Shanghai 200092, China)Abstract: Thermo gravimetric analyzer(TGA) has high requirements of temperature measure accuracyand control accuracy. In this paper, a temperature control system of a TGa designed, including thetemperature measure program and the temperature controller. Among this system, a signsolution based on the A/d converter AD7714 is taken as the key solution of temperature measurement.The temperature controller is based on fuzzy PID control. With the functions of MCU, the system canimplement the temperature thermostat, variable temperature control and so on. The experiments show thatthe system demonstrates excellent performance under complex conditions of advanced temperatureKey words: thermo gravimetric analyzer; temperature control; AD7714; fuzzy PID control0引言示。从图中可以看出,主要由RC滤波器、温度控制热重分析仪是一种精密仪器,主要由天平炉器室温转换器、M/D转换器、微处理器及通信连接子、温度测控系统等几个部分构成。它可以在程序等部分组成。温度控制下测量物质温度变化与质量变化之间的关十RC滤器AD转换(含放大系。其中,温度测控系统是热重分析仪的核心部分。器、数字滤波器)一通信连接器传感器{温度控制器人近年来,随着热分析技术的应用越来越广泛,对热分上位机析仪器精度和灵敏度的要求也越来越高。因此使室温传感些微处理器用适合于热重分析仪的高精度模数转换器,设计高〖室温转换器性能的温度控制器,并配置高效的MCU,是实现热重分析仪温度精确测控的关键中国煤化工温度测控系统结构H收稿日期CNMHG该热重分析仪的测温通道的结构设计如图1所作者简介:王春来(1988-),男,硕士研究生,研究方向为嵌人式系统软硬件设计143本系统微处理器为51系类的单片机为状态信号线,当DRDY为低电平时表明输出寄STC89C58BD+,它是宏晶科技(ST℃)推出的新一代存器中有新的数据字可供输出,当DRDY为高电平高速、低功耗、超强抗干扰的单片机。前端采用美国时,表明输出寄存器中新数据已被读出或正在更新;AD公司的高精度MD转换芯片AD774采集温度CS为片选信号,当CS输入端连接到低电平时,信号,通过单片机对其进行可编程控制采集温度数AD774的串行接口可工作于3线模式。据并进行处理。对炉温的调节和运算采用了模糊通过向MCU烧入编写好的程序,各模块上电后PD控制器进行决策模糊控制。最后通过通信连接即可实现温度的测控过程。其中,系统在上位机和器(RS232串行总线)实现上位机与下位机之间的下位机都存放一张热电偶两端之间的电压值与温度通信值的表示,表中温度从-60℃到1360℃。查表的算该系统可实现如下的主要功能对炉温进行测法是折半查找和插值法相结合来实现。根据输出的量;对室温进行测量;对炉温进行控制;通过与上位电压值和查表算法,可得热电偶的热端与冷端的温机通信完成故障检测和报告度差,从而计算出所需测量的温度值2温度信号采集模块设计AD7714-5的工作流程如图3所示。本系统中温度测量的关键器件是温度传感器和开始A/D转换器。根据需要选用镍铬-镍硅热电偶作为测温传感器。它的测温范围为-50℃~1300℃,匚上电复位且可复制性好,线性度高,价格便宜。模数转换器选设置和初始化微处理器串口择AD774,它是美国AD公司出产的一种采用向通用寄存器写入24(HEX),选择AIN/AIN2,Σ-△技术实现高达24位精度的MD转换器,具设置下一步操作向滤波高位寄存器写入数据有分辨率高线性好、功耗低等特点,最多可达5通道可编程前端,内置可编程增益调节PGA,G=1向滤波高位寄存器写入E7(HEX可直接从传感器接收输入信号,无需大量信向通用寄存器写入34HEX,选择AIN/AIN2,设号调理;具有可编程滤波器截止频率的低通滤波器置下一步操作向向滤波低位寄存器写入数据它可以将模拟信号转化为16位或24位的数字信向滤波低位寄存器写入80(HEX号,并以串行的方式输出;同时,它有双极和非双性的转换方式可供选择。向通用寄存器写入4GHEX,选择AIN/AIN2ADm14的串行接口包含5个信号:CS、 SCLK、设置下一步操作向模式寄存器写入数据DIN DOUT和DRDY,与单片机接口设计如图2所示。向模式寄存器写入34(HEX查询/DRDY引脚/SYNCO-/RESETDRDY为低吗>STC89C58RDAD7749P1.0P1.1向通用寄存器写入5c(HX),选择AIN/AIN2通道,设置下一步操作从数据寄存器读数据/DRDYP1.3/CS从数据寄存器读数据图3Am14-5工作流程图2AD774与单片机接口电路3温度的控制方案设计DN用于把数据传送到片内输入移位寄存器31系統江中国煤化工中;DOUT用于片内输出移位寄存器中的数据输本系统CNMH还特点:一次实出;SCLK是芯片的串行时钟输人,在DIN和DoUr验过程可能需要多段控温区域如图4所示为11温上的数据传送都是在SCLK信号下实现的,DRDY度段;一次实验过程可能需要多种温控方式如匀速144升温、恒温、匀速降温和中断-恒温方式,如图5所述函数来描述示中断-恒温方式;程序升温重复性、程序升温速度u(n)=k,k,fi(E, EH)e(n)+h,kf2(E,EH)偏差和周期升降温重复性等指标要达到国家标准A△e(n)级,同时,恒温精度要求也较高(0.5℃),温控范围其中,k1、k2为量化因子,k3为决策因子,E为输入较宽(从室温到1400℃)偏差,EH为输入偏差变化率,为控制量输出。f温度T(E,EH)=f2(E,EH)=f(E,EH)可根据实际输入的偏差E和偏差变化量EH的大小由查表确定。通过PD参数整定方法确定当前系统偏差较小时的最佳PD参数,并首先制定模糊规则表的小部分,使得对应于不同的温度段,该控制器的输出和PID的输出成某种比例关系。然后对模糊控制表细分,并且根t、55,5的间器的积分作用。同时,通过细分论域空间,选择适当图4一次实验中炉温可能的温度曲线的量化因子K1、K2,提高性能PID模糊控制器的原理如图6所示。其中的开关在设计阶段合上,模糊规则表确定以后,断开开关EEH-PID控制器开关次中断恒温的控温曲线d1-k规则时间模糊控制器5中断-恒温方式在算法实现过程中,需对该温度控制器量化因由上述特点可以看出,该系统的温控是一个复子进行整定把输入的采样温度值和用户设定的温杂的温度处理系统。因此,系统的软硬件设计都必度程序相应时刻的温度设定值相比较得到偏差e和须采用不同于简单温度控制的方案。硬件上,使用偏差的变化率,并对他们进行模糊化处理得到E过零固态继电器,通过脉宽调节的方式来进行控制和EH。选择简单的量化因子,设e和的边界为软件上,充分利用模糊控制、PD等理论设计模糊a,b],通过下式将其转换到[-n,n]:PID温控器。3.2模糊PID控制器原理及设计EH2n目前应用较多的PID控制是一种离散的线性控制器,其控制规律表示为对于E和EH,选取图7所示的三角形隶属函u(k)=kle(k)+e()+le(k)数,取{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6|作为输入量的模糊子集。e(k-1)]}或u(k)=Ke(k)+K,∑e()+Ke(k)其中,k表示采样序号,a(k)为第k次采样时刻的输中国煤化工出控制,e(k)为第k次采样时刻输入的偏差值,Kp、CNMHGK、KD分别为比例系数,积分系数,微分系数。而典型的二维模糊控制器可以用下面的PID描对于模糊规则的制定,用已有的PID整定方法确定最佳参数,建立适用于该系统的PD控制器。后确定模糊控制规则的一个很小的子集,使得当系由于被控对象的温度变化跨度大,为提高精度,釆取统偏差以及偏差的变化率也较小时,模糊控制器的分段设计的方法。即分别根据被控兑现的温度在不输出u等于或者接近于以上传统PID控制器的输出同区间[0,200],[200,400],[400,6001,[600,upid/K。最后,根据经验建立起模糊控制规则,使800],[800,1000,100,1200],[1200,1400]时得模糊控制器的输出接近于经验控制信号u/种的特性,分别确定相应的最佳参数K、K、KD然最终建立的模糊控制表如表1所示。表1模糊控制表输出u46776766666676666555767642676476444200000-00113112412345633600000000467667674如前所述,把系统控温方式分为四种,即升温、降温、恒温及中断-恒温。对于每种控温方式都设计为一个独立的控制器,这四个方程式的组合,就可以达到控温要求。4温控测试结果测试以徽量热天平作为基础温度传感器镍铬镍硅热电偶与模数转换芯片AD7714的模拟端直接相连,AD774的串行线与单片机STc89C8RD+的P1各口相连模糊控制器在STc89c58RD+单片机图8程序升温线内实现,再通过串口和上位机相连,上位机操作系统为 Microsoft Windows32000运行于上位机的软件负责把采样数据以曲线的形式显示出来,并显示实时145.8数据窗口。由实验结果可以看出,对于用户任意设定的升温程序,该模糊PD控制器效果都非常好。图8-9分别为程序升温曲线和放大后的升温线。在恒温控制部分,微量热天平的该项指标的国家标准为+2℃,而该控制器的效果做到了上下偏差图9升温控制效不超过0.5℃,因为被控对象功率较大,能达到这样图10中国煤化工析仪分析结果的效果非常不易。图9中用黑线表示出了预先设显示窗口HaCNMHG等信息。定的理想升温曲线,由图可见,对于程序升温该控(下转第151页)制器的效果也很好。4结束语IEEE Trans on CAS, 1979, 26(7): 475-483从图4和图6可知,经过粒子群算法优化后的31 oehwad w,Bastan D.A DC Approach for Analog Fault Di神经网络有效地解决了网络容易陷入局部最小值的情况,保证了网络训练的可靠性,节约了训练时间。[4]邹锐.模拟电路故障诊断原理和方法[MJ.武汉:华中理工大学从图4和图6中的训练误差曲线可以看出,遗传神出版社,1989经网络在训练速度上有了明显的提高,减少了训练[5]欧阳宏志,廖湘柏,刘华.模拟电路故障诊断方法综述[J].电的次数。最后,本文将单纯BP网络进行训练得到子科技,2008,21(12):75-80[6]欧阳宏志,陈洪云模拟电路故障诊断的现状与发展[C].第二权值和阈值,以及粒子群优化后得到的权值和阈值十届电工理论学术年会论文集,2008:2-27先后作为权值和阈值代入神经网络,用剩下的未经[7]陈圣俭,洪炳熔,王月芳,等可诊断容差模拟电路的软故障的新过训练的样本测试泛化能力,仿真结果如表3所示故障字典法[].电子学报,2000,28(2):127-129表3L-M算法和PSO-BP算法下训练次数以及诊断率比较[8]Hochwald W, Bastian J D A DC Approach for Analog Fault Dictio训练方法PSO-BPnary Determination[ J. IEEE Trans. onCAS, 1979, 26(7): 524训练次数2000[9] Free man S. Optimum Fault Isolation by Statistical Inference[J]诊断率(%)60.2881.73IEEE Trans On CAS, 1979, 26(7): 505-512[10]L通过上表可以看出,经过粒子群算法优化神经ure Diagnosis Expert System[ C].ICTD'95, 199: 27-30网络之后,电路的诊断率得以提高,并且有效地防止11]. hao Z Y. Introduction to fuzzy theory and神经网络陷入局部的最优值,节省了训练时间。说their application[ M]. Tsinghua University Press, 1996: 165-169明粒子群算法结合BP网络能够更有效地对故障进[12] Damian Grzechca, Jerzy Rutkowski. Use of Neural Networks andFuzzy Logic to Time Domain Analog Testing[C]. ICONIP'02行诊断,可以放心地用于雷达模拟电路故障诊断中。2002,5:2601-2604参考文献[13]周凯.无约束的粒子群优化算法[J].教育技术导刊,2008[1]Feng Li, Peng-Yung Woo. Fault detection for linear analog IC-the(12):45-46.method of shortcircuit admittance parameters[[J]. IEEE Transactions[14]李丙春耿国华基于粒子群优化的图像自适应增强方法[J]on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications计算机工程与设计,2007(20):49592002:49(1):105-108[15]杨海龙基于智能技术的航空发动机气路故障诊断[Z].2008[2] Johnson A Jr. Eficient fault analysis in linear analog circuits[J]责任编辑:肖滨xOKO+OH(上接第146页)参考文献:[1]张秀滢,刘强热水锅炉温度控制的模糊PID参数自整定方温度:903.18℃法[J].中小企业管理与科技,2010(27):324-325热:4.794uV[2]邱银安,王加阳热重分析仪温度控制器的设计与实现[J.计热重:-24.45mg算机测量与控制,2005,13(6):584-586已用时:0时42分53秒[3]王承君自定义串口数据通信协议的分析与设计[J.计算机工还剩余:O时00分42秒程,2004,30(24):192-194.[4]陶永华新型PD控制及其应用[M]北京:机械工业出版社,2002图10实时采样数据窗口[5]代林,等.基于模糊控制系统的自整定PD参数控制器的设计[].自动化技术与应用,2005,24(5):26-295结束语[6]高海燕等基于PD参数整定的模糊控制器[J.自动化与仪本文根据热重分析仪复杂、特殊环境下温度控器仪表,2001,95(3):22-26制的需求设计了一套温度信号采集及温度控制方7汤兵勇等模糊控制理论与应用技术[M].北京:清华大学出案。实际应用表明,选用AD774高精度模数转换版社,2001.器,STC8952CRD+单片机作为温控制器,通过模糊[8]付光杰等锅炉水位的参数自调整Fuy-P控制[J.自动化技术与应PID控制的方法,可实现温度的精确控制,且该温度中国煤化工责任编辑:肖滨测控系统具有良好的抗干扰能力和控制精度,适用CNMHG于热重分析仪中温度的采集和控制。