（检测技术与自动化装置专业论文）高精度温度测控方法的研究.pdf

摘要 摘要 温度是工业生产中非常重要的参数之一，在很多工业现场，对温度 的测量和控制精度都有着很高的要求，高精度测温和控温方法的研究具 有重要的理论和实际意义。铂电阻具有精度高、稳定性好等特点，在2 0 0 - 6 5 0 范围内主要用于高精度的温度测量，但是铂电阻测温时存在本质非 线性，必须进行非线性校正。本文是对铂电阻非线性校正方法及温度控 制方法的研究，主要完成了以下三方面的工作。 完善已有的温度测控系统实验平台，在高精度温控系统的硬件平台 上实现了基于m o d b u s 协议的上位机p c 机与下位机d s p 之间的主从式 通信。m o d b u s 协议具有开放性、用户范围广、易实现、扩展性好、可 靠性强等优点，d s p 采用精度高、运算能力强大的浮点t m s 3 2 0 v c 3 3 ， 能够使温控系统实现对温度快速、准确、稳定的测量和控制。 对铂电阻非线性校正的各种方法进行理论分析，利用实测数据，通 过仿真研究对基于最小二乘法和遗传算法的反向分度函数法和牛顿迭代 法进行了比较分析，仿真结果表明牛顿迭代法与最t b - - 乘法结合的校正 方法精度最高。 以电加热炉的温度控制为例，首先利用最小二乘法辨识出系统的数 学模型，然后利用m a t l a b s i m u l i n k 对p i d 控制、s m i t h 预估补偿控制、 模糊控制以及模糊自适应p i d 控制方法进行了仿真分析。仿真分析的结 果表明，模糊自适应p i d 控制方法的控制品质明显提高，系统性能得到 改善。 最后，论文总结了研究的成果及经验，分析了所做工作存在的不足， 并提出了今后进一步深入分析研究的侧重点。 关键词：串口通信；反向分度函数法；牛顿迭代法；模糊控制；模糊自 适应p i d 控制 a b s t r a c t a b s t r a c t t e m p e r a t u r ei s aq u i t ei m p o r t a n tp a r a m e t e ri ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n s o m ei n d u s t r i a lf i e l dp l a c e du t m o s td e m a n d so nt h ep r e c i s i o no ft e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1 r e s e a r c ho nh i g hp r e c i s i o nm e t h o do ft e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lh a sa n i m p o r t a n t t h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e p l a t i n u mr e s i s t o r sa r em a i n l yu s e di nh i g h - p r e c i s i o nt e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n ta tt h er a n g eo f 一2 0 0 , - 一6 5 0 。c ，b u ti nt h ep r o c e s so ft e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n tw h i c hh a st h ei n t r i n s i cn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c ，a n di ts h o u l db e c o r r e c t e d i nt h i sp a p e r ，m e t h o d so fn o n l i n e a rc o r r e c t i o na n dt e m p e r a t u r e c o n t r o la r em a i n l ys t u d i e d ，a n dt h r e ea s p e c t sw o r ko ft h ef o l l o w i n ga r em a i n l y c o m p l e t e d t h ee x i s t i n ge x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o r t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e mi si m p r o v e d ，t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r eb e t w e e nt h e m a s t e rc o m p u t e ra n ds l a v eb a s e do nm o d b u s p r o t o c o lo nt h eh i g hp r e c i s i o n t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mp l a t f o r mi sa l s oi m p l e m e n t e d p ci st a k e na st h em a s t e ra n dd s pa st h es l a v e m o d b u sp r o t o c o lh a st h e a d v a n t a g e sw i t ho p e n n e s s ，u s e r so fw i d er a n g e ，e a s yr e a l i z a t i o n ，g o o d s c a l a b i l i t y ，r e l i a b i l i t y ，e t c ，a n d d s pu s e st h e h i g h p r e c i s i o np o w e r f u l c o m p u t a t i o nf l o a t i n g - p o i n tt m s 3 2 0 v c 3 3 ，w i t hw h i c ht h et e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e mc a nm e a s u r ea n dc o n t r o lt e m p e r a t u r e s r a p i d l y ，a c c u r a t e l ya n ds t a b l y t h et h e o r e t i c a la n a l y s i si sm a d ef o rm e t h o d so fn o n l i n e a rc o r r e c t i o no f t h e p l a t i n u mr e s i s t o r t h r o u g hs i m u l a t i n ga n ds t u d y i n gr e v e r s ei n d e x i n g f u n c t i o nm e t h o dw h i c hb a s e do nl e a s ts q u a r em e t h o da n dg e n e t i ca l g o r i t h m ， n e w t o ni t e r a t i o nm e t h o d ，t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n da n a l y s i ss h o w e dt h a t t h ep r e c i s i o no ft h em e t h o do fn o n l i n e a rc o r r e c t i o nw h i c hi sn e w t o ni t e r a t i o n m e t h o dc o m b i n e dw i t ht h eg e n e t i ca l g o r i t h mi st h eh i g h e s t t a k i n gt h et e m p e r a t u r ec o n t r o lo fe l e c t r i ch e a t i n gf u m a c ea se x a m p l e ， f i r s t ，t h em o d e lo fs y s t e mi si d e n t i f i e db yl e a s ts q u a r em e t h o d a n dt h e n i i i 武汉t 程大学硕七学位论文 m a t l a b s i m u l i n ki s u s e dt os i m u l a t ea n da n a l y s i st h em e t h o d so fp i d c o n t r o l ，s m i t hp r e d i c t i v ec o n t r o l ，f u z z yc o n t r o la n df u z z ya d a p t i v ep i d c o n t r 0 1 t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n da n a l y s i ss h o w e dt h a tt h eq u a l i t yo ft h e m e t h o do ff u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o li so b v i o u si m p r o v e d ，a n da l s ot h e s y s t e mp e r f o r m a n c e c o n c l u s i v e l y ，t h ep a p e rs u m m a r i z e st h er e s u l ta n de x p e r i e n c eo ft h e s i s a n dt h e na n a l y z e st h el i m i t a t i o n s ，a n da l s op u t sf o r w a r ds o m ek e yp o i n t sf o r f u r t h e rs t u d i e s k e y w o r d s ：s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ；r e v e r s ei n d e x i n g f u n c t i o n m e t h o d ； n e w t o ni t e r a t i o nm e t h o d ；f u z z yc o n t r o l ；f u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o l i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：余舀 加晌笃肜佃 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我院有关保留、使用学位论文的规定，即： 我院有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅。本人授权可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 保密o ，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：畚$ 汐。7 年堂月2 午日 指导教师签名：左廿吟 叶年主只巾 第1 章绪论 第1 章绪论 温度是工业生产中相当重要的参数之一，温度检测和控制的准确性 直接影响生产状况和产品质量【1 】。因此，在很多工业现场，对温度测量及 控制的精度都有着很高的要求。如在化工行业的联合制碱生产工艺中， 就要求外冷器溶液的温度为一固定值，低于或高于这个温度值都会对生 产产生很大的负面影响【翻。在电子行业以电子技术为依托的单晶的生产， 不但要求系统各个控制环节有很好的协调机能，还对各环节的精确性提 出了很高的要求，控温精度的高低将直接影响到生产出单晶的好坏【3 1 。在 材料行业挤出成型工艺中，温度是生产加工及挤塑模设计中的重要参数 之一，各种型材生产效率、表观质量、口模成型段长度、模具强度和刚 度要求等，无不与温度参数密切相关，同时温度的改变会引起熔体黏度 的变化，进而造成压力和流率的变化。在实际挤出过程中，要对机筒和 机头温度进行严格的分段和分区控制才能保证挤出物温度的均匀性和制 品良好物性【4 】。因此，温度的测量和控制是保证生产过程正常进行，实现 稳产、高产、安全、优质、低耗的重要参数。 1 1 温度测量方法 温度测量的方法一般可分为接触式测温和非接触式测温两大类。 1 1 1 接触式测温 接触式测温是将测温传感器直接与被测物体接触来测得被测物体的 温度，常用的传感器有热电阻，热电偶等。 1 、热电阻测温 热电阻一般由测温元件( 电阻体) 、保护管和接线盒三部分组成， 测量线路一般使用电桥。热电阻温度传感器测温原理基于电阻随温度的 变化而变化的物理特性。常用的工业标准化热电阻有铂电阻、铜电阻、 镍电阻等。 武汉上程大学硕士学位论文 铂电阻采用压簧式感温元件，抗震性能好，主要用于高精度的温度 测量和标准测温装置，测量范围在2 0 0 6 5 0 内。其突出优点是：测量 精度高，6 3 0 以下的温度可利用铂电阻温度传感器作为基准温度计；由 于测量温度时得到的是电信号，故容易实现信号的远距离传送和自动控 制；灵敏度高；耐压性能好；稳定性好。因此，铂电阻测温方法以其高 精度、高灵敏度等特点在中、低温测量中占有重要的地位。其主要缺点 是：电阻温度曲线一般为非线性，价格较贵。 铜电阻测量精度不高，测温范围为5 0 1 5 0 ，其价格便宜，易于提 纯，复制性好。在测温范围内线性好，但在温度稍高时，易于氧化，只 能用于1 5 0 以下的温度测量，体积较大，适用于对测量精度和敏感元件 尺寸要求不是很高的场合。 镍电阻的测温范围为1 0 0 3 0 0 ，它的电阻温度系数较大，电阻 率也较大，易氧化，化学稳定性差，不易提纯，复制性差，非线性较大， 目前应用不多。 2 、热电偶测温 热电偶通常由两根热电偶丝、一个稳定的参考点和一个电位差计组 成；其优点为：结构简单；测量温度范围宽；多个热电偶组合可以在较 宽范围内给出几乎线性的输出；热电偶系统很容易与检测仪表相匹配； 动态误差较小，能够实现快速测量。采用热电偶测温可以达到较好的精 度，便于实施、稳定可靠。但其在应用中也存在一些缺点：其一，由于 各种热电偶的分度表均是在冷端温度为零度条件下表示热电势与温度之 间的关系，因此热电偶测温时，冷端必须保持在零度，否则将产生误差， 而在工业上使用时，使冷端保持零度是比较困难的，所以容易出现测量 误差。其二，热电偶输出的是电压值，需进一步查找各种类型热电偶的 分度表才能得出其温度值，因此在温度测量中也有诸多不便。对于热电 偶测温的研究多集中在为实现特定测量对象的系统组建和调试【5 西】，及单 个测量组成单元的分析f 7 1 ，但是，对整个测温系统性能的研究还比较少。 工业中常用的热电偶温度传感器有铂铑铂热电偶、镍铬一镍硅热电偶、镍 第1 章绪论 铬考铜热电偶、铂铑3 0 一铂铑6 热电偶等。 铂铑铂热电偶能在o 1 3 0 0 范围内长时间使用，在良好的使用环 境中可短期测量1 6 0 0 。c 的高温。铂铑铂热电偶的制作精度与测量准确度 高，可用于精密温度测量与作基准热电偶使用。铂铑铂热电偶在氧化性 或中性介质中具有较高的物理化学稳定性。其主要不足在于热电势较弱。 在高温烧成环境中易受还原气体所发出的蒸气和金属蒸气的侵害而变 质。由于铂铑铂热电偶乃贵稀金属材料制作，产品成本很高，使用中需 要悉心照护。 镍铬镍硅热电偶使用范围在4 0 - - 1 2 0 0 c 之间，化学稳定性高，可以 在氧化性或中性介质中长时间地测量9 0 0 以下的温度。若使用于还原性 介质中，则会很快地受到腐蚀，只能用于测量5 0 0 以下的温度。镍铬 镍硅热电偶具有复制性好，产生热电势大、线性好，价格便宜等优点， 它的测量精度稍偏低些。 镍铬考铜热电偶适用于还原性或中性介质，使用范围在2 0 0 - 6 0 0 之间，短期测量可达到8 0 0 ，低温测量可达到2 0 0 。镍铬考铜热 电偶的热电灵敏度高，价格便宜，不过其测温范围低且狭窄，考铜合金 丝易受氧化而变质。 铂铑3 0 铂铑6 热电偶使用范围在8 0 0 - 1 7 0 0 之间，可以长期用于 测量1 6 0 0 及以下的温度，短期可测量1 8 0 0 的温度，性能稳定、精度 高，适用于氧化性及中性介质中使用。但它产生的热电势小，且价格昂 虫 贝。 目前，接触式测温方法只能在传统的场合应用，尚不能满足许多领 域的要求，尤其是超高温测量领域。 1 1 2 非接触式测温 非接触式测温是利用物体的热辐射能随温度变化的原理测定物体温 度，其具有响应速度快、不破坏被测对象的温度场以及可在线检测某些 难以接触或禁止接触的被测目标等特点，理论上讲，测温上限是不受限 制的，因此该技术在各行业获得了广泛应用。目前超过1 6 0 0 的高温测 3 武汉工程大学硕士学位论文 量，一般采用非接触法测温。非接触法测温主要有成像法，声波法，激 光光谱法，辐射法等。 1 、基于彩色c c d 图像传感器的成像法测温 基于彩色c c d 图像传感器的成像法测温的原理是利用彩色c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，电荷耦合器件) 获取视频信号，经过图像卡量化 处理后送入计算机，再由计算机进行相应的处理，最后获得温度分布的 相关信息【8 1 。这种测温方法方便、可行，有着非接触测温法的所有优点， 以它为核心的火焰图像监测系统正日益成为火检系统发展的主流。彩色 c c d 摄像机是以c c d 图像传感芯片为核心部件，能将其光敏元上透过滤 色片所获得的光信号转换为电信号，并通过一系列处理电路后输出三基 色信号或复合视频信号，然后经图像采集卡输入计算机进行计算处理， 获得热辐射体的表面温度场。 文献9 1 1 所提出的基于彩色c c d 图像传感器的成像测温方法简单 可靠，能有效减小测温误差。但是，由于c c d 响应特性曲线不是理想冲 击函数，而且热辐射信号在经过各种变换之后，会引入误差，因此直接 使用c c d 的成像测温法有较大的测量误差。 2 、超声波自动测温 超声波自动测温的理论基础是超声波在气体、液体、固体中的传播 速度与介质温度有确定的函数关系，在理想气体中声速与绝对温度的平 方根成正比；在大多数液体中，声速与温度的关系呈线性；在一般固体 中，当温度升高时，声波在其中的传播速度减小，通过测量介质中的声 速，就可以得到介质温度。按实际测量参量的不同，超声波自动测温法 可分为两大类，即超声波谐振测温法及超声波应用脉冲技术测温法，两 类方法各有优势和不足。 随着超声波传感器的发展【1 2 1 ，人们开始探索把这种新型的超声波测 温技术应用于工业中，并在理论研究和实际应用中取得了一系列成果 1 3 - 1 5 】。但是，以上方法明显存在着自动化程度低、在线监测困难以及测 第1 章绪论 量精度差等缺点。超声波测温研究在我国尚属开始阶段，在工业与科学 应用中几乎是空白。 3 、多光谱辐射测温 多光谱辐射测温是在一个仪器中制成多个光谱通道，利用多个光谱 的物体辐射亮度测量信息，再经数据处理而得到物体温度和材料光谱发 射率。 电子技术的飞快发展，半导体材料的进步及计算机技术的发展与应 用，使得辐射温度计具有无测量上限，响应速度快及不接触被测对象， 不影响被测温度场等特点，使辐射测温技术得到长足的进步和发展。仪 器的制造水平、性能指标已有了显著提高，辐射真温测量研究、标定技 术研究及应用技术研究方面亦取得了丰硕成果。但是目前市场上售出的 温度计还没有完全解决目标发射影响问题，针对不同的对象，还要对不 同对象特性、环境特性进行研究，设计适合环境接口和发射率补偿方案， 所以在应用中出现了很多的问题【1 6 】。 4 、基于激光诊断技术的高温测量 激光诊断技术是一种快速、非接触式测量方法，应用于高温火焰温 度测量系统有效克服了传统测量方法的不足，具有以下独特的优点：测 量系统对测量对象的扰动小，测量方便准确；运用计算机可加快测量及数 据的处理速度，对测量结果可以保存以备日后分析；测量系统的光学部 分采用了光纤及窄带干滤波片，有效减小了外界光干扰，提高了系统测 量精度；测量系统电路部分采用高速高精度运放，并采用多种措施优化 电路设计，操作方便。文献【1 7 1 所提出的激光测温法的显著优点是待测基 板就是测温元件，系统误差很小，结果正确可靠，可以广泛的推广应用于很 多恶劣的测温环境。 1 2 铂电阻非线性校正方法 铂电阻以其测量精度高，耐压性好，性能可靠稳定等优点，在2 0 0 - 5 武汉上程大学硕士学位论文 6 5 0 。c 范围内主要用于高精度的温度测量。由于铂电阻阻值与温度的变化 存在非线性，加上引线电阻的非线性等因素的影响，使铂电阻温度传感 器的输出值与实际温度值存在偏差。为了消除或减弱铂电阻温度传感器 测温的非线性，提高测量精度，国内外的研究人员提出了很多铂电阻测。 温非线性校正方法。常用的铂电阻非线性校正方法有硬件校正法和软件 校正法。 硬件校正法是调整测量电路中的各种电路参数来进行校正补偿，特 点是简单、直观。比较常用的方法有：串并联补偿网络校正法、正反馈 校正法、有源电桥补偿法、精密线性化电路校正法、基于a d 转换原理 的函数电路法、四象限乘法器补偿法、温度频率变换器补偿法等。 文献 1 8 n 用串并联补偿网络校正法，使用元件少、成本低，最大非 线性误差在0 4 0 范围内为o 1 5 、0 , - - 一1 0 0 范围内为1 5 ，效果较 好，但校正范围较窄，否则校正准确度不高。文献 1 9 采用正反馈校正法 在o 5 0 0 范围内将非线性误差由最大2 降至0 1 左右，基本呈线性 特性。文献 2 0 】采用有源电桥补偿法在0 , - - - , 6 0 0 范围内将桥路非线性与 铂电阻非线性误差之和由最大4 5 降至0 1 。文献 2 1 2 2 采用有源电 桥补偿法实现非线性误差小于0 0 7 ，校正效果十分理想。文献【2 3 】所提 出的对铂电阻测温校正的精密线性化电路能够达到较高的测温精度，在 0 - - 2 0 0 内精度为0 0 1 ，1 0 0 - 5 0 0 内精度为o 1 ，满足一定的高精 度测量要求。文献【2 4 】采用基于a d 转换原理的函数电路可使非线性误 差不超过0 1 1 5 。 硬件校正法在简便、经济等方面具有相当大的优势，使其在工业生 产中得到广泛的应用。但其缺点是被校正的信号不太精确，阻值容易受 温度、湿度等环境因素的变化而产生测量误差，实际调试时零点、满度、 线性之间极易相互牵连影响。硬件校正法影响电路的因素太多，使用上 有很大的局限性。 非线性软件校正方法不需要借助复杂的电路设计，只需要测得一定 量的数据通过算法拟合即可求得补偿参数，计算出温度值，因而具有较 高的测量精度。软件校正法是利用微处理器，由测量出的铂电阻阻值的 数字量，根据事先计算的多项式算出温度值，以及基于温度函数进行迭 第1 章绪论 代计算等【2 5 1 。改善铂电阻非线性的软件校正方法主要有反向分度函数法、 牛顿迭代法、查表法等。这些方法无需借助复杂的计算工具，即可求得 补偿参数，而且具有较高的测量精度，大大拓展了铂电阻测量的应用范 围。 文献 2 6 2 9 禾u 用分度函数法对铂电阻温度传感器的输出曲线进行非 线性校正。文献 2 6 2 7 采用最小二乘法对铂电阻的电阻一温度曲线进行 拟合，使补偿后的精度等级达到0 1 。文献 2 8 2 9 1 采用遗传算法对输出 曲线进行拟合，经过研究和计算机仿真实验证明，其拟合精度明显高于 传统的最d x - - 乘法，并且鲁棒性强。文献【3 0 】采用牛顿迭代法对铂电阻进 行非线性校正，其结果已在智能仪表中得到应用，并达到良好的效果。 1 3 温度控制方法的研究现状 由于信息处理和传送速度的限制、有限计算时间和测量延迟等造成的 时滞现象广泛的存在于通讯系统、化工系统、电力系统等实际工业过程 中。对于时滞系统，时滞的存在往往是系统不稳定和系统性能变差的根 源。时滞系统中常常还存在一定程度的不确定性，诸如参数误差、数学 模型的不精确、及外部干扰等。通常会导致系统不稳定、引起振荡或产 生不良性能。因此，研究时滞不确定系统的控制问题具有极为重要的意 义。 温度是一种典型的时滞对象，温度控制具有工况复杂、参数多变、运 行惯性大、控制滞后等特点。实际应用和研究中，温度控制方法按其发 展可划分为传统控制方法和智能控制方法两大类。 1 3 1 传统控制方法 传统控制方法主要有常规p i d 控制方法，s m i t h 预估控制方法，白适 应控制方法和预测控制方法等。传统控制方法的特点是依赖于被控对象 的精确数学模型，建立的模型的精确程度决定控制品质的高低，被控对 象和干扰信号都必须用精确的数学表达式表示，控制任务和目的要求直 接明确，控制系统太依赖于被控对象的数学模型而缺乏灵活性和应变能 7 武汉工程人学硕士学位论文 力，控制效果往往难以满足要求。一旦系统的数学模型不精确，系统的 控制性能将大幅下降。但是，传统控制方法具有原理简单、实现容易、 技术成熟的优点，在工业控制中还是占有非常重要的地位。 在工业过程控制中，9 5 以上的控制回路具有p i d 结构 3 1 1 。p i d 控制 是一种典型的闭环反馈控制系统，基本控制原理是当要求被控对象达到 一定目标时，给定一个设定值，如果检测装置检测到的实际值与给定值 不相等，则通过放大、积分、微分等运算环节，产生控制作用，输出给 执行机构，使其减小偏差，只要偏差产生，控制系统就会发生作用【3 2 1 。 p i d 控制适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统，而实际工业生产 过程往往具有非线性、时变不确立性，难以建立精确的数学模型，应用 常规p i d 控制器不能达到理想的控制效果；而在实际应用中，由于受到 参数整定方法的困扰，常规p i d 控制参数往往整定不良、性能欠佳，对 运行工况的适应性较差【3 3 1 。传统p i d 控制方法虽然能够使系统获得较好 的适应性能和鲁棒性能，但是其参数整定工作不仅需要熟练的技巧，而 且往往相当费时，更重要的是当被控对象特性发生变化时，p i d 控制器不 具备相应的自适应能力。 1 9 5 9 年，s m i t ho j 提出用s m i t h 预估器来控制含有纯滞后环节的被 控对象，以此来消除纯滞后环节所带来的影响【3 4 1 。但是，s m i t h 预估控制 器需要知道被控对象的精确数学模型，而且它只能用于定常系统，这一 条件影响了s m i t h 预估控制器在实际应用中的控制性能。因此，很多学 者提出了s m i t h 预估控制器的各种改进方法，大致可以分为两种：一种 是基于结构上的改进，它们结合智能控制的各种方法，即通过在不同位 置增加一些并联或者串联环节进行补偿，a s t r o m 3 5 】提出了一种修正的 s m i t h 预估器，使给定点响应和负载扰动响应相解耦，从而改善了抗干扰 性能，但是需要整定的参数较多。m a t a u s e k | 3 6 】在a s t r o m 的基础上，提出 了一种新的s m i t h 预估器结构，在过程输出和模型输出的误差与控制变 量之问增加了一个反馈控制器，该结构具有良好的抗扰性；另一种就是 在参数整定上的改进。文献f 3 7 1 结合继电自整定技术将p i p d 型的s m i t h 预估器扩展到了不稳定时滞过程，并取得了良好的控制效果。c c h a n g 提出的改进s m i t h 预估器【3 8 】实质上是在反馈通道中加了一个滤波器，但 第1 章绪论 是当过程参数变化时，滤波器的参数也要调整，否则不能适应当前的系 统。总之，由于这些方法计算较复杂，因此对系统的适应能力不是很强。 文献 3 9 1 在煤气炉温度控制系统中用s m i t h 预估控制器作为一种模型加入 到反馈控制回路中，补偿过程的动态特性，使被控对象炉温的纯滞后时 间超前反映到控制器，有效地解决了温度的滞后问题，起到了减少系统 的超调量、加速系统调节过程的作用，对炉温的控制达到满意的效果。 预测控制是一种基于模型的先进控制技术，也称为模型预测控制。 它是2 0 世纪7 0 年代中后期在欧美工业领域出现的一类新型计算机控制 方法。预测控制是在工业实践过程中逐步发展起来的【加】。它最大限度地 结合工业实际的要求，综合控制质量高，很快便引起了工业控制界以及 理论界的广泛兴趣和重视。预测控制算法是一种基于模型的算法，该模 型被称为预测模型。预测控制采用基于脉冲相应的非参数模型作为内部 模型，用过去和未来的输入输出状态，根据内部模型，预测系统未来的 输出状态。经过用模型输出误差进行反馈校正以后，再与参考轨迹进行 比较，应用二次型性能指标进行滚动、优化，然后再计算当前时刻加于 系统的控制，完成整个动作循环。文献 4 1 将自适应预测控制用于煤气罩 式退火炉炉温控制系统中，使输出波动减少，控制系统的调节跟踪性能 增强，鲁棒性能增强，当控制过程参数或结构发生慢时变或环境变化时 系统有较好的白适应调整能力。文献 4 2 】研究了预测控制在烧结终点温度 控制系统中的应用。文献 4 3 】设计动态矩阵预测控制器，调节台车速度控 制烧结风箱废气温度，间接控制烧结终点。实际应用表明，设计的烧结 过程的预测控制系统显示了良好的控制效果。但是，预测控制和白适应 控制一样，需要建立系统精确的模型结构，根据当前的性能指标，得出 一种控制规律，确保被控系统达到预期的性能指标。 1 3 2 智能控制方法 智能控制方法是能够针对被控对象的当前状态来自动调节控制规律 的控制方法。它不需要建立系统的精确数学模型，仅通过自身的调节作 用，使实际控制效果达到预期的控制效果。智能控制具有自学习、自适 9 武汉- t 程大学硕十学位论文 应、白组织的能力，能够自动辨识被控对象参数、自整定控制参数、能 够适应被控对象参数变化，可以明显地提高系统的控制品质，引起了国 内外学者的广泛关注，已成为当前控制领域研究热点之一。智能控制方 法主要有模糊控制方法、神经网络控制方法、专家控制方法等。 近年来发展起来的模糊控制是模仿人的思维进行控制，对复杂的难 以建立数学模型的系统能进行简单而有效的控制。模糊控制由模糊语言 描述的控制规则来控制系统的工作，按照模糊控制规律组成的控制装置 称为模糊控制器。在实际应用中，许多系统和过程都十分复杂，难以建 立确切的数学模型，只能由熟练的操作人员凭借经验以手动的方式控制， 控制规则往往体现在操作人员的个人经验中，很难建立确切的数学表达 式。模糊理论的创始人l - a 扎德继1 9 6 5 年提出模糊集这个概念后，又在 1 9 6 8 - 1 9 7 3 年期间先后提出语言变量、模糊条件语句和模糊算法等概念 和方法，使得一些只能用自然语言描述的手动控制规则可以采用模糊条 件语句的形式来描述，从而使这些控制规则成为在计算机上可以实现的 算法。1 9 7 4 年e h 曼达尼和s 阿西里安把这种算法应用于小型汽轮机的 控制，使模糊控制算法理论真正应用于工业领域。此后，模糊控制方法 迅速得到推广。文献【4 4 1 采用日本生产的s r 7 0 智能模糊控制器对电阻加 热炉进行控制，系统稳定快、鲁棒性强，控制效果理想。文献【4 5 】介绍了 模糊控制方法在电厂主气温控制中的应用，模糊控制不仅动态性能好， 而且控制策略的品质和鲁棒性明显优于常规p i d 控制系统。模糊控制算 法的缺点对被控对象参数的变化比较敏感，系统会产生相应的稳态误差。 模糊控制无法使整个系统的稳态误差降到最小，系统的动态品质受到一 定的限制。 神经网络是近十年发展起来的一门新兴的交叉学科，它是以一种简 单计算处理单元为节点，采用某种网络拓扑结构构成的活性网络，具有 学习能力、记忆能力、计算能力以及各种智能处理能力，在不同程度和 层次上模仿人脑神经系统的信息处理、存储和检索的功能。神经网络控 制能够充分任意地逼近任何复杂的非线性系统，所有定量和定性分析都 等势分布储存于神经网络内的各种神经元中，能够学习和适应严重不确 定系统的动态特性，故有很强的鲁棒性和容错性，具有解决高度非线性 第1 章绪论 和严重不确定性系统方面的能力。基于神经网络的控制系统是指在控制 系统中采用神经网络这一工具对难以精确描述的复杂的非线性对象进行 建模，或充当控制器，或优化计算，或进行推理，或故障诊断等。神经 网络在控制中的作用可分为以下几种：在需要有精确数学模型的控制系 统中充当被控对象的数学模型；在反馈控制系统中充当控制器；在传统 控制方法中起优化算法作用；与其它智能控制方法如模糊控制、专家控 制及遗传算法等相互结合，为其提供非参数化对象模型、优化参数、推 理模型及故障诊断等。文献f 4 6 】将神经网络控制算法应用于热水锅炉的燃 烧控制，能够自动进行参数整定，具有抗干扰能力强和鲁棒性强的特点， 但对于确定模型的控制对象，其稳定精度不如常规p i d 控制算法。神经 网络控制方法的缺点是必须采用适宜方法调整优化控制参数，尽量保证 算法参数的最优化，提高控制的稳定精度，适用于被控对象模型存在较 大变动且不易进行人工参数整定的控制系统中【4 7 】。 随着被控系统的复杂程度不断加深，单一的控制方法已经不能满足 实际应用的要求。当前智能控制的发展，让更多的学者致力于研究智能 控制方法与传统控制方法的结合，取长补短，这种复合型控制方法的研 究已经成为控制领域研究的新的热点。 1 4 课题的来源、目的 本课题是在“高精度智能温度与温差测控系统的研究 的基础上， 针对目前温度测量中铂电阻测温的非线性校正问题及温度控制的方法而 进行的一项研究，主要是为了解决化工及其它相关行业中的高精度测温 和控温问题。 1 5 研究内容及文章结构 本课题的研究内容主要为铂电阻测温的软件非线性校正及温度控制 方法的研究，课题所要做的工作主要如下： 1 完善已有的温度测控系统实验平台，完成基于m o d b u s 协议的p c 机与d s p 串口通信软件的设计。 武汉t 程大学硕十学位论文 2 针对铂电阻的非线性特性，利用实测数据，在m a t l a b 仿真环境 下对主要的软件校正方法进行综合分析。 3 以电加热炉作为温度控制对象，对各主要的温度控制方法的控制性 能进行仿真分析，将模糊控制方法作为研究的重点，找出一种最优的温 度控制方法。 本文总体结构如下： 第1 章介绍主要的温度测量方法，铂电阻测温的非线性校正方法和 温度控制方法的发展现状，以及课题的主要研究内容。 第2 章在已有的温度测控系统实验平台的基础上，基于已有的 t m s 3 2 0 v c 3 3 型d s p 系统，设计系统的串口硬件电路。详细介绍了 m o d b u s 协议的内容，以及基于m o d b u s 协议的p c 机与d s p 串口通 信软件的设计方法。 第3 章铂电阻非线性校正方法的研究与仿真分析。主要对几种铂电 阻非线性软校正方法进行理论分析，根据已有的测量值和分度函数表， 对最小二乘法、遗传算法以及牛顿迭代法进行仿真分析和性能比较。 第4 章温度控制算法的研究与仿真分析。以电加热炉作为温度控制 对象，首先辨识出系统的数学模型，然后对当前工业中大量应用的常规 p i d 控制、s m i t h 预估补偿控制和模糊控制方法进行理论分析，并利用 m a t l a b s i m u l i n k 对它们的控制性能进行仿真对比分析，最后将模糊控 制与自适应控制相结合，取得了良好的控制效果。 第5 章对全文进行总结，指出了本课题研究中存在的一些不足和进 一步研究的方向。 第2 章系统硬件结构及通信软件的设计 第2 章系统硬件组成原理及通信软件的设计 基于d s p 控制技术的温度测控系统组成原理框图如图2 1 所示。系 统主要由d s p ，可编程逻辑器件c p l d ，信号采样电路，温度控制输出 电路，电源电路以及串口通信电路组成。铂电阻传感器将温度信号变为 电阻信号，通过信号采样电路转化为电压信号，经放大滤波、a d 采样 后，转换为数字信号进入d s p ，d s p 对所得到的数据进行非线性校正， 同时通过串口通信电路与p c 机实时通信，把所测温度在p c 机上实时、 准确地显示。c p u 根据温度控制方法通过温度控制输出电路的d a 转换， 把数字信号转为模拟信号给出控制加热回路的有效电压，通过移相调压 来达到精确、稳定控制温度的目的。下面主要介绍串口通信电路的组成 和上、下位机通信软件的设计方法。 2 1 串口通信电路 图2 1 系统原理框图 串口通信电路主要由d s p 、可编程逻辑器件c p l d 、电平转换芯片 7 4 l v t l 4 5 、串行通信芯片t l l 6 c 5 5 0 及通信接口芯片m a x 2 3 2 组成，电 路组成框图如图2 2 所示。其中d s p 利用n 公司于2 0 0 1 年推出的性价 比较高的3 2 位浮点d s p 芯片，它是一种高性能的c m o s 器件，特别适 合于信号处理、控制等应用领域，它具有体积小、成本低、功耗低、价 格低、接口方便等特点。其主要性能如下： 1 3 武汉t 程大学硕士学位论文 夺速度：t m s 3 2 0 v c 3 3 指令周期为1 3 n s ，每秒7 5 兆次指令( m i p s ) ， 1 5 0 兆次浮点运算( m f l o p s ) ； 令片内r a m ：3 4 k 3 2 位，共分为4 块，其中1 6 k 和1 k 各2 块； 令内置5 倍频锁相环时钟电路； 。 夺功耗：运行速度为1 5 0m f l o p s 时，功耗小于2 0 0 m w ； 3 2 位高性能c p u ，整数可用1 6 位短整型或3 2 位长整型表示，浮点 数可用3 2 位单精度或4 0 位扩展精度表示； 夺4 个内置的片选通译码电路，简化了i o 接口； 令采用引导方式可将存储在外部的8 位、1 6 位或3 2 位低速r o m 中的 程序加载到d s p 内部的3 2 位高速r a m 中指定的任何位置，实现高 速运行； 3 2 位指令字，2 4 位地址线可寻址1 6 m 空间； 2 8 个c p u 寄存器，其中有8 个扩展精度寄存器； 夺1 个全双工串口，可编程为3 2 位、2 4 位、1 6 位和8 位字长，有固定 和可变速率两种工作模式； 令两个3 2 位的定时器； 夺二操作数或三操作数指令； 夺两个地址发生器和两个辅助寄存器算术单元； 今两种低功耗工作模式； 夺并行算术和逻辑运算单元； 今单指令周期的乘法运算器； 夺支持多处理器联合工作的互锁指令； 夺可设置并自动插入等待状态的总线控制寄存器； 夺两种供电电压，内核供电电压为1 8 v ，i o 端口供电电压为3 3 v 。 串行通信芯片t l l 6 c 5 5 0 有1 1 个寄存器，通过地址线a 2 , - 一a 0 和线 路控制寄存器中的d l a b 位对它们进行寻址。t l l 6 c 5 5 0 的寄存器如表 2 1 所示。t l l 6 c 5 5 0 接收缓冲寄存器r b r 和发送保持寄存器t h r 共用 一个地址单元，接收数据的时候为r b r ，发送数据的时候为t h r 。 t l l 6 c 5 5 0 的波特率可通过除数寄存器d l m ，d l l 来设置，除数寄存器 值和波特率之间的换算公式为：除数值= 输入频率( 波特率 1 6 ) ， 第2 章系统硬件结构及通信软件的设计 t l l 6 c 5 5 0 的输入频率为3 6 8 6 4 m h z ，即可求得串行通信的波特率。 图2 2串口通信电路组成框图 表2 1t l l 6 c 5 5 0 的寄存器 寄存器 d l a ba 2a 1 a 0地址 操作 接收缓冲寄存器r b r 00o00 0 h 只读 发送保持寄存器t h r 00o00 0 h 只写 中断使能寄存器i e r oo010 1 h 读写 中断标志寄存器i i rx o100 1 h 只读 f i f o 控制寄存器f c rx o100 1 h 只读 线路控制寄存器l c r x0110 3 h 读写 m o d e m 控制寄存器m c rx 1o00 4 h 读写 线路状态寄存器l s rx 1 o 1 0 5 h读写 m o d e m 状态寄存器m s r x1 100 6 h 读写 暂存寄存器s c rx 1110 7 h 读写 低位除数寄存器d l l10o00 0 h 读写 高位除数寄存器d l m 10010 1 h 读写 表2 2 线路控制寄存器l c r d 7d 6d 5d 4d 3d 2d 2d 0 d l a bb r e a k s p be p sp e ns t bw l s lw l s 0 w l s lw l s 0 ：设置数据长度 o0：5 位 01：6 位 10：7 位 11：8 位 s t b ：设置停止