重力式毛细管粘度仪恒温水浴温度控制系统研究_图文

1、湖南师范大学硕士学位论文重力式毛细管粘度仪恒温水浴温度控制系统研究姓名：杨艳华申请学位级别：硕士专业：电路与系统指导教师：汪鲁才20100501摘要重力式毛细管粘度仪是测量流体粘度的设备，其广泛应用于石油、化工、化纤、食品、医药等许多部门。恒温水浴是重力式毛细管粘度仪的核心部件之一，其温度的准确、稳定控制为仪器的关键技术之一。本文结合长沙威特科技开发有限公司企业委托项目“智能粘度仪，主要开展了以下几方面的研究工作：介绍了流体粘度的基本概念，阐述了粘度与温度的关系，综述了重力式粘度仪恒温水浴温度控制方法的现状。以粘度测量国家标准粘度测试方法规定的恒温水浴温度误差为目标，针对恒温水浴非线性、大滞后

2、性、不易建模的特点，将改进型控制、自调整模糊控制和仿人智能控制有机融合，并结合处理器的控制方式，构建了一种温度复合智能控制方法：当目标温度与水浴实际温度的误差大时，系统采用改进型控制以减少温度上升时间；当目标温度与水浴实际温度的误差较小时，系统采用自调整模糊控制以减少温度超调；当目标温度与水浴实际温度的误差处于自调整模糊控制的控制死区时，系统采用仿人智能控制以减少自调整模糊控制的稳态误差。通过大量实验表明，采用这种方法的恒温水浴温度超调量小、稳定速度快，稳态误差郢，优于国家标准规定的技术指标。针对恒温水浴中数字温度传感器存在的非线性误差，建立了一种基于改进型集成的数字温度传感器误差补偿方法：首

3、先根据数字温度传感器的误差特征和成员网络生成器，构造多个相互独立的子网络，分别完成传感器额定量程各区间的误差补偿；然后利用输出估计器和权值调节器，确定集成结论权值，完成数字温度传感器全量程范围内的非线性误差补偿，获得准确的测温结果，并通过实验验证了这种方法的有效性。论述了重力式毛细管粘度仪的构成和工作原理，设计了恒温水浴温度采集与控制模块、人机接口模块的硬件电路，完成了复合智能控制、数字温度传感器非线性误差补偿软件设计。这种温控系统具有加热与制冷功能，控制范围为，温度采样分辨率为，温度控制精度小于。这些研究工作为重力式毛细管粘度仪恒温水浴工程化应用奠定了基础。关键词：恒温水浴；温度；复合智能控

4、制；数字温度传感器；误差补偿。，（“），（”），。，（疆州），。，：；湖南师范大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，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：栖辫劢年岁月弓湖南师范大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校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，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南师范大学可

5、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。本学位论文属于、保密口，在、不保密口。（请在以上相应方框内打“）年解密后适用本授权书。作者签名：鹤孑乞辫日期：历年夕月弓日期：（。年日日剧醛轹重力式毛细管粘度仪恒温水浴温度控制系统研究第一章绪论粘度是用来表征流体在外力作用下流动时，因存在分子间内聚力而沿其界面产生内摩擦力大小的物理量。流体的粘度与温度关系密切，受温度影响很大，因此为保证粘度测量的准确性，被测流体必须置于精确、稳定的恒温环境中。重力式毛细管粘度仪是测量流体粘度的设备，恒温装置（即恒温水浴）的温度准确、稳定控制是重力式毛细

6、管粘度仪的关键技术之一。本章首先介绍了流体粘度的基本概念，阐述了粘度与温度的关系，综述了重力式粘度仪恒温水浴温度控制方法的现状，指出了项目的来源与技术特点，介绍了本文研究的内容与意义。粘度测量原理粘度是用来表征流体在外力作用下流动时，因分子间内聚力的存在而沿其界面产生内摩擦力大小的物理量。粘度是表征流体性质的一项重要参数，是流体的重要物理特性，不同物质粘度不同。常用的粘度分为动力粘度、运动粘度等，。（）动力粘度动力粘度叩是稳态流体中的剪切应力与剪切速率之比值，单位是帕秒（），即刁一一厂，曼卜舍一妙式中，表示剪切应力（邢）；表示流动流体相邻层间的内摩擦力；表示液层接触面积；尹表示切变速率。（）运

7、动粘度硕士学位论文流体的动力粘度瑁与同温度下该流体的密度的比值称为运动粘度），即归瓦（）式（）表示了在温度死下，流体动力粘度与运动粘度的关系，其单位为。运动粘度通常可用毛细管粘度仪测定，由于运动粘度与被测流体的密度无关，因此在工程中应用广泛。流体粘度的测定方法很多，常用的可分为重力式毛细管法、旋转法、粘度杯法等，其测量原理不相同。粘度与浓度、温度、粒径等密切相关，不同测量方法的测量精度及测量单位是不同的，不能相互换算【¨。（）重力式毛细管法重力式毛细管法采用相对测量原理，即在一定温度下，测量一定体积流体在重力作用下流经毛细管所需时间于，然后按公式（）、（）计算获得运动粘度与动力粘度【

8、：，（）（）式（）中，为仪器常数，在出厂时标定。对于这类粘度仪，准确测定时间为其关键技术之一。重力式毛细管粘度仪结构精密，测量准确度高，广泛应用。（）旋转法当流体与浸于其中的物体（如圆筒、圆锥、圆板、球及其他形状的刚性体）作相对旋转运动时，物体将受到流体粘性力矩的作用而改变原来的转速或转矩，旋转法就是利用这一特性完成流体粘度的测量，。根据物体与容器的几何形状，旋转粘度仪可分为同轴桶式、单圆筒式、锥一板式、锥桶式、锥锥式，板一板式旋转粘度仪等。旋转式粘度仪主要应用于测量石油、聚酯等高粘度的流体。重力式毛细管粘度仪恒温水浴温度控制系统研究（）粘度杯法粘度杯属于短管粘度计，是类比较特别的粘度计，其主

9、体是一个杯子，杯子底部中央有一个小圆孔或一段小短管，有的杯子下面有专用接收瓶。试验时将试液装入杯中至一定高度或装满，测量杯中试液流完或流出一定体积（决定于接收瓶的容积）所需时间。粘度杯法直接用试液的流动时间或试液的流动时间与同体积粘度标准液的流动时间之比表示“粘度”。粘度杯结构简单，操作方便，但测量精度不高，主要用于工厂、现场及化验室做粗略的粘度分析。粘度与温度的关系粘度与温度的关系密切，在常温常压下，当温度变化时，流体的粘度变化为百分之几甚至百分之十几。然而流体的粘度与温度并不成线性关系，温度越高，流体粘度越小，且温度越低，粘度变化越大，】。例如在。、（、。下，当温度变化量时，水的粘度变化量

10、分别为、【。对于流体，一般可以用安德雷德式（式，即通用式）表示其粘度与温度的关系，即【羔刁（）式中，为动力粘度，为常数（通过实验求得）；为气体常数，依，丁为绝对温度，为粘流活化能量。特殊的，对于石油产品，其粘度与温度的关系可用双对数式表示，即（）（）式中，为运动粘度，、为实验常数，为绝对温度。对于极性溶液，其粘度与温度的关系可用福策方程（）表示，即例高（）式中，刁为动力粘度，彳、死为实验常数，丁为绝对温度。硕上学位论文由式（）（）可知，流体粘度（或）与温度丁关系密切，是温度的非线性函数，因此在粘度测试过程中，必须将被测流体置于准确、稳定的恒温环境。按照粘度测量的国家标准粘度测试方法的规定，粘度

11、仪恒温水浴的温度误差。因此作为重力式毛细管粘度仪重要部件的恒温水浴，其温度的准确、稳定控制是重力式毛细管粘度仪的关键技术之一。恒温水浴温度控制方法的现状恒温水浴能够提供一种稳定、准确的恒温环境，其广泛应用于医学设备、工业测试、食品加工、石油化工等领域。温度控制的高准确度、低超调、快速稳定是其基本要求。温度控制技术发展大约经历了三个阶段：一是开关控制；二是控制；三是智能控制【】。开关控制又称控制，其通过设定温度（即目标温度）与实时测量温度的比较值，控制开关（如继电器等）开启或关闭，这种控制方式简单，但超调量大，稳态误差大。控制是基于经典控制理论发展起来的，是一种线性控制器，它将目标温度与被控对象

12、实时温度的偏差比例（）、积分（）、微分（）通过线性组合构成控制量，控制被控对象的温度最终稳定在目标温度【母】。控制算法简单、可靠性高，应用广泛，其性能远远优于开关控制，对于可建立精确数学模型的控制对象，控制性能优越，但对于恒温水浴这样的非线性、大滞后的控制对象，难以建立精确的数字模型，因此的参数整定困难，且不能实现最优控制。智能控制是一类模仿人类思维方式、无需建立被控对象数学模型的自动控制方法。智能控制方法很多，一般包括专家控制、模糊控制、神经网络控制、仿人智能控制及其组合控制方法】。随着各种控制方法研究的深入，逐渐出现了开关控制、控制与各种智能控制方法相结合的控制方式，这种控制方式充分利用了

13、各种控制方法的优势，达到了最佳的控制效果，如模糊温度控重力式毛细管粘度仪恒温水浴温度控制系统研究制方法、模糊神经网络温度控制方法，智能温度控制方法等，】。在过程控制中、特别是温度控制领域，模糊控制及与其它控制方法的组合控制方式最为成功，取得了许多研究成果，对本文设计的恒温水浴温度控制最可借鉴。年，首先利用模糊逻辑和模糊推理实现了蒸汽机的控制【。年，和等人合作，利用模糊控制对反应器成功实现了温度控制，这是人类首次采用模糊控制实现温度控制【。从世纪年代至今，国内外模糊控制方面的研究方兴未艾，产生了诸多成果，出版了许多论文，并且在军事、工业控制、交通运输、家用电器等领域获得了极大的成功。文献】采用一

14、种柔性神经网络参数学习控制方法，实现了对医用恒温箱的温度控制。文献】提出了一种自适应模糊控制算法，并在热水供暖系统的温度控制中获得了成功。文献【】将一种模糊神经网络应用在高温计误差校正与高速加热处理系统的温度控制中，取得了良好的效果。文献】采用一种型反馈模糊神经网络，完成了水浴温度控制。文献禾用反馈模糊控制方法与实现了水浴温度控制。目前国内市场上供应的恒温水浴主要有三类【。第一类是普通的恒温水浴，其在水浴槽内配置一套匾温加热系统，并外带一机械搅拌装置，但由于没有制冷源，只能将温度控制在室温以上，限制了其使用范围。第二类是结构较复杂的所谓超级恒温水浴，它带有供外接循环水用的水泵，这种水浴虽然可以

15、较精确恒温，但升、降温时间较长，并且由于恒温容器内没有搅拌装置，其温度均匀性受到一定影响。第三类是利用半导体器件实现制冷和制热的恒温水浴，这种恒温水浴根据用户要求，通过改变流过半导体元件的电流方向，实现水浴的制冷或加热，但是由于半导体元件工作效率低，制冷或加热速度慢。此外，这三类恒温水浴一个明显的不足之处是温度稳定时间长，这是因为恒温水浴一旦出现温度超调，要稳定到目标温度，需要通过自然冷却（第一类恒温水浴），或更换大量的水并重新加热（第二类恒温水浴），或改变流经半导体元件的电流（第三类恒温水浴，但半导体元件制冷速度慢）。硕上学位论文本文设计的恒温水浴利用电加热器加热与机械压缩机制冷相结合的恒温

16、方式，采用复合智能控制方法，以实现恒温水浴温度准确、快速控制的目的。项目来源与技术特点本论文以工程实践中常用的重力式毛细管粘度仪恒温水浴为研究对象，并结合长沙威特科技开发有限公司企业委托项目“智能粘度仪”，开展了一系列的研究工作。本论文的总体研究目标是：以粘度测量国家标准粘度测试方法规定的恒温水浴温度误差为目标，针对恒温水浴非线性、大滞后性、不易建模的特点，构建一种恒温水浴温度的复合智能控制方法，以完成水浴温度的稳定、快速、准确控制，其稳态误差；针对恒温水浴中数字温度传感器存在的非线性误差，建立一种基于改进型集成的数字温度传感器误差补偿方法，以实现恒温水浴温度的准确测量，为恒温水浴精密温控奠定

17、基础；利用公司的处理器为信息处理与控制单元，设计重力式毛细管恒温水浴样机，要求其稳态误差郢。本论文设计的恒温水浴为流体粘度测量提供了保证，同时提出的复合智能温度控制方法对其它恒温装置具有重要的参考价值，因此本论文研究具有广阔的工程应用前景。重力式毛细管粘度仪恒温水浴的技术指标如下：（）具有加热与制冷功能，可实现目标温度高于或低于环境温度的控制要求；（）温度控制范围：；（）温度采样分辨率：；（）温度稳态误差：；（）温度超调率：翌；（）加热器功率：；制冷功率：。重力式毛细管粘度仪恒温水浴温度控制系统研究本文的研究内容本论文以重力式毛细管粘度仪恒温水浴为研究对象，开展了一系列研究，取得了相关成果。全

18、文共分章，论文的结构内容安排如下：第一章为绪论部分，本章较为全面地介绍流体粘度的基本概念，阐述粘度与温度的关系，综述恒温水浴温度控制方法的现状，介绍本文的主要研究内容与各章节的结构安排。第二章针对恒温水浴的非线性、大滞后性、不易建模的特点，构建一种水浴温度复合智能控制方法，以水浴实时温度、目标温度与环境温度为输入，将改进型控制、自调整模糊控制与仿人智能控制有机结合，以实现恒温水浴温度的准确、稳定、快速控制，达到在。范围内，稳态误差的控制要求。通过现场试验验证这种复合智能控制方法的有效性。第三章针对恒温水浴温度采集中的数字温度传感器存在的零点误差与非线性误差，提出一种改进型神经网络集成的数字温度

19、传感器误差补偿方法，首先根据数字温度传感器的误差特征和子生成器，构造两个相互独立的的成员网络，然后根据特征阈值、数字温度传感器的输出估计器和权值调节器，获得改进型神经网络集成输出融合权值，从而完成数字温度传感器的误差补偿，获得准确的测温结果。通过与算法、单算法的比较，验证改进型集成方法的有效性。第四章在复合智能控制方法研究与基于改进型神经网路集成的数字温度传感器误差补偿方法研究基础上，以公司的处理器为信息处理与控制单元，完成重力式毛细管粘度仪恒温水浴的设计。本章首先阐述重力式毛细管粘度仪的构成及工作原理，设计恒温水浴温度采集电路，并结合的功能，完成恒温水浴温度的控制，同时完成恒温水浴的软件设计

20、。第五章对全文的研究工作进行总结，指出了下一步研究工作的重点。第二章恒温水浴温度复合智能控制方法本章首先介绍了恒温水浴的控制方法、仿人智能控制方法，然后针对开关控制、控制与基本模糊控制的不足，为满足粘度测量的要求，将改进型控制、自调整模糊控制和仿人智能控制有机融合，并结合处理器的控制方式，构建了一种复合智能控制方法：当目标温度与水浴实际温度的误差大时，系统采用改进型控制以减少温度上升时间；当目标温度与水浴实际温度的误差较小时，系统采用自调整模糊控制以减少温度超调；当目标温度与水浴实际温度的误差处于自调整模糊控制的控制死区时（即温度误差小于等于自调整模糊控制的稳态误差），系统采用仿人智能控制以减

21、少自调整模糊控制的稳态误差，并通过实验验证了该控制方法的有效性与准确性。恒温水浴温度的控制方法控制器是一种线性控制器，它将目标温度与水浴实时温度的偏差比例（）、积分（）、微分（）通过线性组合构成控制量，控制水浴温度最终稳定在目标温度。恒温水浴的控制框图如图所示。图中，（，）西为积分环节，生婴为微分环节，为比例环节，以力水浴目标温度，硪力为水浴实时温度，）为水浴目标温度与水浴实时温度的误差，以力为恒温水浴的控制量。参考图，恒温水浴的模拟控制算法为】：邝卜扣捌式中，为比例系数，乃为积分时间，而为微分时间，误差（为像，）重力式毛细管粘度仪恒温水浴温度控制系统研究（）乃）一（，）（）图恒温水浴的控制框

22、图随着数字技术的发展，数字控制应用越来越广泛。数字控制方法首先对控制规律进行离散化设计，将“积分用“求和”代替，将“微分用“差分代替，因此式（一）可改写为（刀）（疗）争（¨材（刀）一（刀音和和矿咖）厂（）（）（一）【式中，苁，）为”时刻水浴控制控制量，为采样周期，（以）为刀时刻的误差，火）为偏差为时的初值。式（）为位置型控制算法，实际应用中，通常采用一种增量型控制算法，即矽（疗）【（刀）一（一）】。（）（）（）（）】口（甩）（刀一）口（）（）式中，颈）为”时刻控制增量，（一）、（一）分别为刀一、刀时刻的误差，、口、分别为：等）一（睁）协，铲等控制算法原理简单，易于编程，当被控对象数学

23、模型已知时，控制效果优良。恒温水浴作为一个大滞后、非线性系统，不易建模，因此利用控制方法存在参数不易整定等问题，同时由于受环境温度等因素影响，单纯的算法很难实现最优控制。恒温水浴温度的仿人智能控制方法恒温水浴温度仿人智能控制方法的基本思想是在温度控制过程中模拟人的控制行为功能，最大限度地识别和利用控制水浴温度的动态过程中所提供的特征信息，进行启发和直觉推理，从而实现对水浴温度进行有效的控制仿人智能控制的特征信息呐屹。吮朵二弓苌三二一！。一一参见图所示的温度误差变化曲线，其中，、分别为第一、二个误差极值，、尬为温度误差阈值。设乃为水浴目标温度，硪聆）为时刻水浴实际温度，文，）为刀时刻温度误差，（

24、）为聆时刻温度误差变化率，即（，）乃一（以）（）（）（）（）（一）（一）（）参见图，在段，误差（门）、（），因此具有特征（，）（刀）；此时系统的动态过程向误差减小的方向变化，即误差逐渐减小。在段，误差（刀）、（），因此具有特征（，）（，）；此时系重力式毛细管粘度仪恒温水浴温度控制系统研究统的动态过程向误差增大的方向变化，即误差的绝对值逐渐增大。在点（误差极值点，实际上是在点之后一个采样周期的间隔之间，而非极值的顶点），误差（刀）、（），（），因此具有特征（）（）。如果（）（），则表示无极点。在段，误差（刀）、（），因此具有特征（，）（，）；此时系统的动态过程向误差减小的方向变化，即误差的绝对值

25、逐渐减小。在段，误差（玎）、（），因此具有特征加）（纷）；此时系统的动态过程向误差增大的方向变化，即误差逐渐增大。在点（误差极值点，实际上是在点之后一个采样周期的间隔之间，而非极值的顶点），误差刀）、（），（），因此具有特征（）（）。如果（）（），则表示无极点。在段，误差（以）、（），因此具有特征（圪）（玎）；此时系统的动态过程向误差减小的方向变化，即误差逐渐减小。仿人智能控制算法恒温水浴温度仿人智能控制方法根据节所述的特征信息，进行模式识别与决策，从而决定控制器的输出，其基本算法描述如表所示”。表中，久船）、火，）分别为力时刻和力时刻的控制量。表仿人智能控制算法序号如果下述条件成立（：则输出

26、等下最人值或最小值（）臣模式名称开关（胛）踟（一卜，（）比例或且氓”），咖的（）（硌（疗）厂）可（，一）保持保持（珂）（），（玎）（），或（）“刀）“力）（）（）且（）巨（）（卜垅砭印“玎）石（玎一卜恐印御（甩）由表可以看出，当误差（）！时，用开关控制，只有当（）之后，才考虑别的特征和相应的控制模式。当误差的趋势增大时，应加大控制量以便尽快纠正偏差，此时用比例模式。比例增益可以取得相当大。而当（）时，再将峰乘以增益放大系数，使控制量更大。误差一旦达到极值（如图中、点），则其在原来的保持值基础上增加一个不太大的值（保持模式），以后便保持这一输出直到（胛）反号为止（保持模式）。恒温水浴温度的复合智

27、能控制方法恒温水浴复合智能控制方法将改进的控制、自调整模糊控制和仿人智能控制有机融合，以解决开关控制、控制与基本模糊控制的不足，获得快速、稳定、超调量小的控制效果。恒温水浴温度复合智能控制器结构复合智能控制由改进型控制、自调整模糊控制与仿人智能控制组成，以水浴目标温度乃、水浴实时温度乃与水浴目标温度乃的偏差（萨乃一功、温度偏差变化率（甙刀）（）、以及水浴目标温度乃与水浴外部环境温度疋的差值（一瓦）为决策变量。当时，加热器工作；反之，制冷器与加热器同时工作，即参鬈；砌厶厶薅龃§（）嘲讪七哂式中，为温度阈值（通过实验确定值），为加热方式，工砌为制冷方式，厶，为控制器的输出。如果（即加热工

28、作方式），当温度误差大时，系统采用改进型控制石（力）；当温度误差较小时，采用自调整模糊控制以（刀）；当温度误差小于自调整模糊控制器的稳态误差时，系统采用仿人智能控￥（）。重力式毛细管粘度仪恒温水浴温度控制系统研究恒温水浴温度复合智能控制的结构如图所示。图恒温水浴温度复合智能控制结构图中，时刻复合智能控制的输出为石（刀）厶硎五（，）（）【（）心式中，、必为温度误差阈值，其可通过实验确定，且尬必。改进型控制环节式（）中，石（”）为改进型控制，即晓一彳（门）尸一毛冬“也一式中，尸为加热器全功率加热方式；为加热器半功率加热方式；、为温度误差阈值，其可通过实验确定。自调整模糊控制环节基本模糊控制器一般采

29、用二维模型，以误差与误差变化率为输入，其控制性能由输入输出变量及其论域和模糊变量的隶属度函数决定，当这些因素确定后，基本模糊控制器的控制规则就完全固定。由于控制过程不断变化，因此这种基本模糊控制器并不能达到最优控制。如果在控制过程中根据误差与误差变化率修正模糊控制规则，将使系统性能不断改善，从而获得更优良硕士学位论文的控制效果。因此，当水浴温度误差满足条件时，本节采用一种自调整模糊控制方法，实时修正模糊控制规则，以获得较好的温度控制效田木设恒温水浴温度偏差的模糊输入变量为，温度偏差变化率的模糊输入变量为，即（屯）（）（）（事）式（）、（）中，表示取整，表示四舍五入，屯、岛分别为温度偏差、温度偏

30、差变化率的模糊化因子。当水浴温度误差满足条件也时，复合智能控制工作在自调整模糊控制方式，即（）奉，怛：厶（），【（一）】（）肘；且（）。（，），（）式中三为模糊控制步长；为自调整模糊控制的调节因子，与、有关，其可利用模糊决策的方法确定，仅的取值范围为鱼；“门）、（）分别为、刀一时刻的误差；、必为温度误差阈值。自调整模糊控制采用常用的二维结构形式，以、为输入变量，以为模糊输出。、和凡的语言变量均采用七级负大，负中，负小，零，正小，正中，正大），即，）；设、的论域均为，一，），凡的论域为，）。为了简便而不失良好的控制效果，语言变量的隶属度函数均采用三角形函数，分别如图、图、图所示。重力式毛细管粘度

31、仪恒温水浴温度控制系统研究义啾冷汀。图的隶属度函数义啾冷。一图的隶属度函数冷灯。图的隶属度函数自调整模糊控制采用的推理方式，考虑到控制器超调小和响应速度快的要求以及水的热惯性大等因素，的推理规则如表所示。表凡的推理规则表考虑到、和凡的论域，经模糊推理、解模糊后（采用最大隶属度原则），获得模糊控制表如表所示。表的模糊控制表凡根据表，即可获得调节因子仅，即丝：笠口兰一兰（）口：（）么一，模糊判决规则表存入恒温水浴的控制器中（），通过查表，可得到相应的模糊判决输出；然后根据式（）、（）获得最终的控制量。由表可知，自调整模糊控制的调节因子仅随温度偏差和温度偏差变化率的改变而自适应调节，即水浴温度控制阶

32、段不同，仅值不同，从而自适应改变温度的控制量，达到响应速度快、超调小的控制目的。根据式（）、（）和表，自调整模糊控制的输出控制量可由表表示。表中，三为模糊控制步长。表自调整模糊控制的输出控制量正（玎）幸三工睨（）（）奉（）事三（）奉（）（）幸（）（）（）（）（）（）（）恒温水浴复合智能控制的自调整模糊控制环节的结构框图如图所重力式毛细管粘度仪随温水浴温度控制系统研究不：纂翼叫归一化降。模糊模艮，输出糊调整。，化图自调整模糊控制环节结构框图图中，恒温水浴温度误差与误差变化率经模糊化后得到模糊输入变量、，通过模糊推理、归一化后获得调节因子；以、与仅为输入，通过模糊输出调整，获得自调整模糊控制的控制

33、量（）。式（）中的控制修正量石（，。是瓦、的函数，死为水浴实际温度与水浴外部环境温度的偏差，为水浴槽的散热面积，为水浴槽的散热系数。仿人智能控制环节式（）中，石）为仿人智能控制，其控制方法描述如下：（一）毛吒（）（心收）六（，）五（刀一）（）（心）（一）（）（收）（）（）（一）乞（血）（心丝）式中，仿人智能控制方法以、及它们的各种组合为输入特征信息，通过模式识别和控制决策，对式（）进行合适的补充；同时，式（）中的控制修正量瓦，）为式（）所示的仿人智能控制提供了初始值。通过这种修正，可大大减少系统静差，提高控制响应速度，实现高精度、高稳定度的温度控制。其中，五加）为控制器的当前输出，石（刀）为控

34、制器前一时刻的输出：为系统的最近一个偏差极值；为比例系数；为增益放大倍数（后）；恕为抑制系数（骗）；必、必为温度误差阈值，坛矧以。图为恒温水浴温度复合智能控制解析示意图。图中，坛、必、硕上学位论文均为温度误差阈值（坛坦）。由图可知，当温度误差！时，系统工作在石（门）方式；当温度误差时，系统工作在五伽）方式；当温度误差刈坯时，系统工作在石（刀）方式；即系统工作满足式（）。弋一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一二二二二二二二二二：专二尹一一三图复合智能温度控制解析不意图式（）（）即为恒温水浴温度复合智能控制算法模型。值得注意的是，当设定的水浴目标温度与环境温度的差值低于阈值秒时（即玩臼），由于

35、采用压缩机制冷不能频繁启动，无法通过制冷量控制实现温度下降过程中的水浴温度准确控制，因此采用压缩机不间断制冷降温与加热升温相结合的方式，通过精确控制加热器的加热量，从而实现水浴温度的准确控制，其加热控制算法如同式（）（）。基于的恒温水浴温度复合智能控制方法实现恒温水浴采用公司的芯片作为信息处理单元，其具有控制功能。本文将的功能与复合智能控制方法有机结合，以实现水浴温度的稳定、便捷控制。内部的定时器具有位重力式毛细管粘度仪恒温水浴温度控制系统研究的周期寄存器兀袱和比较寄存器乃，兀朋用于设置的周期，用于设置的占空比【。通过的周期恒定不变，在线修改的占空比的方法（即乃朋值恒定，在线修改的值），改变水

36、浴加热器在一个周期内的加热时间，以达到温度的精确控制。当死咿兀艘时，占空比为：，加热器在整个周期内都加热，即加热器全功率加热；当时，的占空比为：，加热器在半个周期内加热，即加热器半功率加热；当！时，的占空比为：，加热器不加热。结合控制，式（）可改写为五朋，五哪竽，眠（）一对于式（）所示的自调整模糊控制，由于采用了七级判决方式，同时考虑到控制与自调整模糊控制良好的“接口，自调整模糊控制的控制步长（），结合的控制方式，式（）可改写为百陋（一口）嬲】，。马。，【（）（）（瓦，），（丝）且（）障。）结合的控制方式，式（）中的石（以一）应为船一时刻的值，其初始值为石（）顶（死，反），式（）中的应改为温度

37、偏差所对应的值，即宰（术也）（包为的模糊化因子；为模糊控制步长），则式（）可改为（刀一）二（），（）（心马心）（）（川）警（肌）（），（刀一）二（）（收），（伽。）（心马水丝）式中，（）为前一时刻值。复合智能控制的参数整定式（）所示的控制方法中，、如、乞都为待整定的参数，这些参数除了必须满足文献【。中所提出的原则外，还必须实现五（刀）与石）的“无缝接口，即满足下面关系式馘（）丑：五（。，（）式中，劬（）为按照石（刀）推理得到的控制量的增量；为时刻的系统输入特征信息；为输入特征信息，所对应的特征状态；嘞（一）为控制方式（）应的特征状态集，。式（）表明，对于任意属于石（刀）控制方式的输入特征信息，

38、经识别、推理得到控制量的增量小于或等于（）中的白调整模糊控制步长三。式（）为水浴温度复合智能控制方法参数整定提供了一个准绳。将式（）中各控制量的增量（即（），（，）一（，）代入式（），此时，并考虑、也的定义域，当取上界值时，（忍）最大，则有竽毛包等（）竽如【¨七，毛重力式毛细管粘度仪恒温水浴温度控制系统研究设计中，当必、坛和忽的确定后，即可确定、恕、乞的取值范围。温度阈值、必、舰的取值大小与控制器所要求的动态响应速度、稳态误差有关。一般情况下，、越小，复合智能控制的动态响应速度越快，温度的上升时间越短，但超调量也会增大；必、坛通过影响自调整模糊控制方式修正量的大小，从而影响控制器的稳

39、态误差，在设计中，必为自调整模糊控制步长，为系统要求的稳态误差，并根据上述原则，综合考虑各因素的影响，通过实验确定加以适当调整。恒温水浴温度的复合智能控制方法实验构建复合智能控制算法后，利用重力式毛细管粘度仪恒温水浴装置进行了大量的实验，根据重力式毛细管粘度仪恒温水浴温度上升时间、超调量和控制精度的要求，通过大量实验并考虑裕量，确定修正量，），取，蚴。，蜘（，坛。时，计算得到，获得了满意的温度控制效果。当水浴外部环境温度、水浴初始温度为。，水浴目标温度为时，图为水浴温度的控制、基本模糊控制与复合智能控制曲线比较；图一为水浴初始温度为、不同水浴目标温度下，水浴温度复合智能控制曲线；图一为当有强干扰信号时（掺入适量温度为的水），智能粘度仪水浴温度复合智能控制曲线；图为不同如时，复合智能控制温度曲线（为铲；为铲）。由图可以看出，水浴温度复合智能控制的性能优于基本模糊控制，其超调量远小于（。），稳态误差，优于国家标准规定的技术指标；由图可以看出，不同目标温度下水浴温度复合智能控制的性能基本一致，都能获得很小的稳态误差且超调量都很小；由图可以看出，水浴温度复合智能控制方法抗干扰能力强，鲁棒性好；图显示了不同参数对控制作用的影响，由图可以看出，当参数合适时（如），水浴温硕士学位论文度复合智能控制的效果良好，达到了控制要求，当参数偏大时（如驴），此时参数已不满足式（），复合智能