CN102880204A - 一种基于大时滞被控对象的数字式温度控制*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于大时滞被控对象的数字式温度控制***，其主要技术特点是：包括多个温度检测电路、DSP模块、功率放大器和数字PID控制装置，DSP模块包括A/D转换单元、CPU单元和PWM输出单元，每个温度检测电路一端连接被控对象的热敏器，另一端通过A/D转换单元连接到CPU单元，该CPU单元通过PWM输出单元连接到功率放大器上，该功率放大器的输出端连接到被控对象的加热器上，该CPU单元还与数字PID控制装置相连接实现对多个温控区的联合控制功能。本发明将被控对象分为多个温控区,DSP模块通过采集每个温控区的温度数据并进行数据处理实现对被控对象的联合控制功能，具有精度高、反应灵敏、可靠性高、体积小等特点。

Description

一种基于大时滞被控对象的数字式温度控制***

技术领域

本发明属于温度控制技术领域，特别是一种基于大时滞被控对象的数字式温度控制***。

背景技术

在温控技术领域，根据热传导速度的快慢，被控对象主要分为两种：一种是小时滞的，另一种是大时滞的。与小时滞被控对象相比较，大时滞被控对象的温度控制较为复杂，不但温控精度难以提高，而且温度梯度也比较大，因此，针对被控对象存在较大纯时滞环节时，难以实现精准的控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于大时滞被控对象的数字式温度控制***，解决了较大纯时滞环节难以精准控制的问题。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于大时滞被控对象的数字式温度控制***，包括多个温度检测电路、DSP模块、功率放大器和数字PID控制装置，每个温度检测电路由温度检测桥路模块、前置放大器模块和电压转换模块依次连接构成，DSP模块包括A/D转换单元、CPU单元和PWM输出单元，每个温度检测桥路模块一端连接被控对象的热敏器，另一端连接前置放大器模块的一端，前置放大器模块的输出端连接电压转换模块，该电压转换模块的另一端通过A/D转换单元连接到CPU单元，该CPU单元通过PWM输出单元连接到功率放大器上，该功率放大器的输出端连接到被控对象的加热器上，该CPU单元还与数字PID控制装置相连接实现对多个温控区的联合控制功能。。

而且，所述的温度检测桥路模块由两个标准电阻、一个调温电阻和一个测温用热敏电阻构成，热敏电阻安装在被控对象的测温部位，调温电阻外接，两个标准电阻的一端相连并接地，另外一端分别连接调温电阻和热敏电阻，调温电阻和热敏电阻的另外一端相连并接+5V电源，两个标准电阻和调温电阻及热敏电阻的连接端连接前置放大模块的两个输入端。

而且，所述的前置放大器模块采用差动放大器INA118构建而成。

而且，所述的电压转换模块采用了四运算放大器TLC2274。

而且，所述的DSP模块采用TMS320F28335芯片。

而且，所述的功率放大模块由开关功率放大器IRLML2502和运放芯片OP295连接构成。

而且，所述的数字PID控制装置采用的是带史密斯预估器的数字PID控制装置。

本发明的优点和积极效果是：

本发明将被控对象分为多个温控区,每个温控区采用惠斯顿电桥对被控对象进行温度检测,DSP模块通过采集每个温控区的温度数据并进行数据处理实现对被控对象的联合控制功能，当被控对象温度远低于预设温度时，加温电流较大，实现了快速升温；当接近预设温度时，加温电流较小，实现了精准温控的同时还避免了温控***的振荡，使整个调整过程快速准确。不仅精准控制温度梯度，而且提高了温控精度，在环境界面温度波动±1℃的条件下，温控精度优于百分之一度。本发明具有精度高、反应灵敏、可靠性高、体积小等特点。

附图说明

图1是本发明的***连接示意图；

图2是一个温控区的温控回路示意图；

图3是带史密斯预估器的数字PID控制装置的原理框图。

具体实施方式

以下结合附图对发明做进一步详述：

一种基于大时滞被控对象的数字式温度控制***，如图1所示，包括多个温度检测电路、DSP模块、功率放大器和带史密斯预估器的数字PID控制装置，根据被控对象的温度梯度特点，可将被控对象分为多个温控区进行联合控制，本实施例给出被控对象被分为八个温控区。每个温度检测电路由温度检测桥路模块、前置放大器模块和电压转换模块依次连接构成，DSP模块包括A/D转换单元、CPU单元和PWM输出单元，由于DSP模块需要采集八路温度检测电路的温度，因此，AD转换单元也为八个分别连接到CPU单元上。控制***中各部分电路的连接方式为：每个温度检测桥路模块一端连接被控对象的热敏器上，另一端连接前置放大器模块的一端，前置放大器模块的输出端连接电压转换模块，该电压转换模块的另一端通过DSP模块中的A/D转换单元连接到CPU单元，该CPU单元通过PWM输出单元连接到功率放大器上，该功率放大器的输出端连接被控对象的加热器上。DSP模块中的CPU单元还与带史密斯预估器的数字PID控制装置相连接，通过该数字PID控制装置的数字PID控制算法对转换存储的数据进行处理，以实现八个温控区的联合控制。下面对控制***中的各个部分分别进行说明：

如图2所示，温度检测桥路模块采用惠斯顿电桥结构，其优点是精度高，反应灵敏。每个温度检测桥路模块由两个标准电阻、一个调温电阻和一个测温用热敏电阻构成，热敏电阻安装在被控对象的测温部位，调温电阻外接。两个标准电阻的一端相连并接地，另外一端分别连接调温电阻和热敏电阻，调温电阻和热敏电阻的另外一端相连并接+5V电源。标准电阻和调温电阻及热敏电阻的连接端连接前置放大模块的两个输入端。

前置放大器模块采用差动放大器INA118构建而成，通过调整电阻值来调整前置放大模块的放大倍数，该INA118放大器可以实现对放大倍数的精确控制，该器件的引入使得不但电压放大倍数调节方便，还有效的简化了电路结构，利于提高控制***的可靠性。

电压转换模块采用了四运算放大器TLC2274，电压转换模块的输入信号由前置放大模块提供，其电压范围为-5V～+5V，输出信号供给DSP模块的A/D转换单元，其电压范围为0V～3V。

DSP模块选用TI公司新型的浮点运算DSP TMS320F28335，该芯片集成了16路12位的高精度A/D转换单元和16路的PWM输出单元，而且其CPU主频高、运算速度快，便于实现各种控制算法。

功率放大模块包括开关功率放大器IRLML2502和运放OP295，开关功率放大器IRLML2502控制加温电流的通断，该开关功率放大器不但有效降低了功率放大模块的功耗，而且显著缩小了该模块的体积，有利于整个温控***线路的集成，同时，该功率放大模块采用运放OP295构成电压跟随器，实现隔离信号的作用，避免功率放大模块对DSP造成影响。

本数字式温度控制***的工作原理是：

1、温度检测原理

如图1所示，当被控对象的某区域温度低于该区域预设温度时，其热敏电阻的阻值小于调温电阻的阻值，该检测桥路未达到平衡，其输出信号由前置放大模块进行差动放大，得出不平衡信号，该不平衡信号作为此温控区温度闭环控制的反馈信号。

当被控对象的温度达到预设温度时，热敏电阻的阻值应该等于调温电阻的阻值。这时，温度检测桥路的灵敏度最高，信号差值为:

$\mathrm{\ΔU}=\frac{\mathrm{\ΔR}}{\mathrm{\ΔR}+R+\mathrm{Rt}}U$

因为ΔR〈〈Rt，所以信号差值可近似表示为:

$\mathrm{\ΔU}=\frac{\mathrm{\ΔR}}{R+\mathrm{Rt}}U$

其中：

R为标准电阻的阻值，U表示电源电压。

2、数据处理原理

数据处理是以DSP模块为核心的，其A/D转换单元对前置放大模块提供的信号进行采样及转换，并将转换后的数据进行存储。

采用带史密斯预估器的数字PID控制装置对转换存储的数据进行处理，以实现八个温控区的联合控制。如图3所示，带史密斯预估器的数字PID控制装置，u(k)是数字PID控制器的输出，yτ(k)是史密斯预估器的输出。

e_τ(k)=e(k)-y_τ(k)=r(k)-y(k)-y_τ(k)

带史密斯预估器的数字PID控制的输出为：

u(k)=u(k-1)+Δu(k)=u(k-1)+K_p(e_τ(k)-e_τ(k-1))+K_ie_τ(k)

+K_d(e_τ(k)-2e_τ(k-1)+e_τ(k-2))

式中，K_p为数字PID控制的比例系数，K_i=K_pT/T_i为积分系数，K_d=K_pT_d/T为微分系数。

经带史密斯预估器的数字PID控制算法后，DSP将处理的结果转化为相应的PWM输出的占空比。

3、温度控制原理

DSP模块输出PWM信号至功率放大模块，由该模块转化为控制电流信号施加于被控对象的加热器，由此实现温度控制，使得被控对象的温度趋近于预设温度。

需要强调的是，本发明所述的实施方式是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于大时滞被控对象的数字式温度控制***，其特征在于：包括多个温度检测电路、DSP模块、功率放大器和数字PID控制装置，每个温度检测电路由温度检测桥路模块、前置放大器模块和电压转换模块依次连接构成，DSP模块包括A/D转换单元、CPU单元和PWM输出单元，每个温度检测桥路模块一端连接被控对象的热敏器，另一端连接前置放大器模块的一端，前置放大器模块的输出端连接电压转换模块，该电压转换模块的另一端通过A/D转换单元连接到CPU单元，该CPU单元通过PWM输出单元连接到功率放大器上，该功率放大器的输出端连接到被控对象的加热器上，该CPU单元还与数字PID控制装置相连接实现对多个温控区的联合控制功能。

2.根据权利要求1所述的一种基于大时滞被控对象的数字式温度控制***，其特征在于：所述的温度检测桥路模块由两个标准电阻、一个调温电阻和一个测温用热敏电阻构成，热敏电阻安装在被控对象的测温部位，调温电阻外接，两个标准电阻的一端相连并接地，另外一端分别连接调温电阻和热敏电阻，调温电阻和热敏电阻的另外一端相连并接+5V电源，两个标准电阻和调温电阻及热敏电阻的连接端连接前置放大模块的两个输入端。

3.根据权利要求1所述的一种基于大时滞被控对象的数字式温度控制***，其特征在于：所述的前置放大器模块采用差动放大器INA118构建而成。

4.根据权利要求1所述的一种基于大时滞被控对象的数字式温度控制***，其特征在于：所述的电压转换模块采用了四运算放大器TLC2274。

5.根据权利要求1所述的一种基于大时滞被控对象的数字式温度控制***，其特征在于：所述的DSP模块采用TMS320F28335芯片。

6.根据权利要求1所述的一种基于大时滞被控对象的数字式温度控制***，其特征在于：所述的功率放大模块由开关功率放大器IRLML2502和运放芯片OP295连接构成。

7.根据权利要求1所述的一种基于大时滞被控对象的数字式温度控制***，其特征在于：所述的数字PID控制装置采用的是带史密斯预估器的数字PID控制装置。

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