CN202661793U - 基于模糊pid的智能温度传感器 - Google Patents

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陈俊凤
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Abstract

本实用新型公开了一种基于模糊PID的智能温度传感器，由温度检测单元测量出TEC的模拟量实际温度值，经光电隔离器、A/D转换电路处理后成为数字量温度值送入模糊PID控制器接口；模糊PID控制器将该数字量温度值与一设定温度值之间的差值作为所述模糊PID控制器的输入量，由模糊PID控制器进行比例、微分及积分算法后，输出一控制信号，该控制信号通过D/A转换电路转换成数字信号，并经光电隔离器和驱动电路对TEC进行温度控制。本实用新型通过模糊PID控制器构成闭环的智能温度传感器，提高了测量精度和稳定性，适用于需要测量精度较高的环境，且测量方便，可以从LED显示器随时得到被测温度。

Description

基于模糊PID的智能温度传感器
技术领域
本实用新型涉及一种基于模糊PID的智能温度传感器，属于温度计量检测技术领域。
背景技术
随着智能温度传感器的发展，其对温度的测量精度和稳定性要求越来越高。PID参数具有随温度而变化的时变特性，温度计量***具有强烈的非线性、强耦合、大时滞和时变等特点。常规的PID 控制技术控制精度高，但要求精确的数学模型，对于时变和非线性等复杂***处理困难，当温度大范围变化时采用常规PID控制方法不能满足较高工艺要求；模糊控制不需要精确的数学模型，能较好的处理时变、非线性、滞后等问题，有很好的鲁棒性，响应速度快，但模糊控制的控制精度较低。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于模糊PID的智能温度传感器，具有较高的温度测量精度和稳定性。
为解决上述技术问题，本实用新型的技术解决方案：
一种基于模糊PID控制器的智能温度传感器，其特征在于，包括模糊PID控制器、D/A转换电路、光电隔离器、驱动电路、TEC（半导体致冷器）、温度检测单元和A/D转换电路多个模块，
温度检测单元测量出TEC的模拟量实际温度值，经光电隔离器、A/D转换电路处理后成为数字量温度值送入模糊PID控制器接口；
所述模糊PID控制器将该数字量温度值与一设定温度值之间的差值作为所述模糊PID控制器的输入量，由模糊PID控制器进行比例、微分及积分算法后，输出一控制信号，该控制信号通过D/A转换电路转换成数字信号，并经光电隔离器和驱动电路对TEC进行温度控制。
还包含一与所述模糊PID控制器连接的键盘，通过所述键盘输入所述设定温度值，并将该设定温度值传输给所述模糊PID控制器。
所述的LED显示器可显示键盘输入的设定温度值和实际测量的数字量温度值。
LED显示器和模糊PID控制器相接，模糊PID控制器和D/A转换电路相接，D/A转换电路和光电隔离器相接，光电隔离器和驱动电路相接、驱动电路和TEC相接，TEC同时和温度检测单元相接，温度检测单元和另一光电隔离器相接，光电隔离器和A/D转换电路相接。
所述的模糊PID控制器是以单片机或者DSP为核心器件构成的温度控制***，可根据不同测量精度的要求选择不同的单片机或者DSP。它具有测量控制精度高、成本低、体积小、功耗低等优点，可制成单机，广泛应用于冶金、化工、食品加工等行业对温度进行精确控制。
所述的TEC（半导体致冷器），是致冷还是加热，以及致冷、加热的速率，由通过它的电流方向和大小来决定。
所述的驱动电路由可控硅整流器组成。本专利选用双向可控硅作为光电隔离器的中间驱动电路,考虑到双向光电耦合器误触发对后续电路的误差影响，可在驱动电路与TEC之间加上低通滤波电路。同时采用双向光电耦合器隔离了强弱电路，使模糊PID控制器芯片不会受到大功率器件的干扰。以智能模糊PID控制器为核心的电源功率控制电器，具有效率高、无机械噪声和磨损、响应速度快、体积小、重量轻等诸多优点。 
所述的光电隔离器为双向光电隔离器，以光为媒介传输电信号，它对输入、输出电信号有良好的隔离作用。
由键盘的输入量为设定温度值与模糊PID控制器采样得到的实际温度计算得到偏差值。
D/A和A/D转换电路可按照实际测量精度要求来选择不同的分辨率，同时选择D/A和A/D转换电路的工作频率。
所述的温度检测单元一般可由热电偶、热敏电阻或半导体电阻组成，用热电偶检测TEC内温度，经温度变送器转换成标准信号, A/D转换电路处理后变成数字量送入模糊PID控制器。
本实用新型的模糊PID控制器主要涉及到3个PID参数：比例系数Kp、微分系数Ki和积分系数Kd，比例、微分和积分3个参数可以通过模糊控制规则和模糊推理确定模糊推理规则表，再通过模糊推理规则表设置模糊PID控制器中的这3个控制参数。
一般在调试过程中增大开环比例系数Kp, 一般将加快***的影响速度, 在有静差的情况下则有利于减小静差；但过大的比例系数又会加大***超调，甚至产生振荡，使***不稳定。在现场实验整定法时，实行先比例、后积分、再微分的反复调整。积分时间和比例时间成反比，积分系数大，即积分时间短，导致超调过大。微分系数和微分时间成正比，微分系数过大，即微分时间过大，导致***不稳定。
本实用新型所达到的有益效果：
本实用新型基于模糊PID控制器的智能温度传感器构成闭环的智能温度传感器，既保留了传统PID的优点，又结合了模糊控制的优点，先通过键盘设定温度，通过温度检测单元实时检测实际温度，再通过模糊PID控制器实现温度的实时调节控制，达到与设定温度一致，能达到较高的测量精度和稳定性。适用于需要测量精度较高的环境，且测量方便，可以从LED显示器随时得到被测温度。
附图说明
图1是本实用新型提供的基于模糊PID控制器的智能温度传感器模块结构框图；
图2是本实用新型提供的基于模糊PID控制器的智能温度传感器另一实施例结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
实施例1
如图1所示，本实用新型基于模糊PID控制器的智能温度传感器的模块结构图中，温度检测单元测量出TEC的实际温度，经光电隔离器、A/D转换电路处理后送入模糊PID控制器接口。由键盘敲入设定温度值，此值与经 A/D转换过的温度信号存在一定的差值，由模糊PID控制器进行比例、微分及积分算法后，其输出信号通过D/A转换电路、光电隔离器、放大电路和驱动电路对TEC进行温度控制。键盘输入的温度及控制过程中检测的实际温度可以实时地由LED显示器显示出来。
实施例2
如图2为本实用新型的另一优选实施方式，图2中的温度检测单元、温度变送器、光电隔离器和A/D转换电路共同构成实施方式中的温度信号采集，经滤波、放大、采样和A/D转换后送入单片机或DSP，与给定电压信号进行比较和计算偏差。单片机或DSP完成了模糊PID控制器的功能，同时其输出信号通过D/A转化电路、光电隔离器、放大电路和可控硅整流器对TEC进行温度控制，从而完成温度的动态调整。整个***构成了一个闭环***，从而本实用新型基于模糊PID控制器的智能温度传感器具有在线参数自整定能力强，具有较好的抗干扰性，可获得较好的动态特性，还具有较强的自适应能力。
如图2的实施例，工作时由操作人员通过键盘设定温度，可以通过LED显示器显示设定温度，由温度检测单元检测TEC温度值，经温度变送器、光电隔离器、A/D转换处理后送入单片机或DSP接口，并实时显示实际温度值。单片机或DSP求出输入的当前温度值与设定温度的偏差，按照单片机或DSP中设计的模糊PID控制算法进行比例、微分及积分运算后，输出信号通过D/A转换电路、光电隔离器、放大电路和可控硅整流器对TEC进行温度控制。
D/A、A/D转换电路按照实际测量精度要求来选择不同的分辨率，同时选择D/A和A/D转换电路的工作频率，为提高精度可选择尽可能高的工作频率。温度检测单元一般可由热电偶 、热敏电阻或半导体电阻之一构成，温度检测单元检测TEC内温度，经温度变送器、光电隔离器和A/D转换电路处理后变成数字量送入单片机或DSP。
单片机或DSP可外接存储器来储存断电后仍需保存的代码和数据，可作为数据交换单元，同时存储器接一掉电保护电路，它解决了本专利中实时参数掉电后长时间保存的难题。同时单片机或DSP通过串行口RS232 与上位机相连，串行口RS232可实现单片机或DSP与上位机之间采集到的数据通信，可以加强对数据的存储和分析处理。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。 

Claims (8)

1.一种基于模糊PID的智能温度传感器，其特征在于，包括模糊PID控制器、D/A转换电路、光电隔离器、驱动电路、TEC、温度检测单元和A/D转换电路多个模块，
温度检测单元测量出TEC的模拟量实际温度值，经光电隔离器、A/D转换电路处理后成为数字量温度值送入模糊PID控制器接口；
所述模糊PID控制器将该数字量温度值与一设定温度值之间的差值作为所述模糊PID控制器的输入量，由模糊PID控制器进行比例、微分及积分算法后，输出一控制信号，该控制信号通过D/A转换电路转换成数字信号，并经光电隔离器和驱动电路对TEC进行温度控制。
2.根据权利要求1所述的基于模糊PID的智能温度传感器，其特征在于，还包含一与所述模糊PID控制器连接的键盘，通过所述键盘输入所述设定温度值，并将该设定温度值传输给所述模糊PID控制器。
3.根据权利要求2所述的基于模糊PID的智能温度传感器，其特征在于，还包含一与模糊PID控制器连接的LED显示器。
4.根据权利要求3所述的基于模糊PID的智能温度传感器，其特征在于，所述的LED显示器显示键盘输入的设定温度值和实际测量的数字量温度值。
5.根据权利要求1所述的基于模糊PID的智能温度传感器，其特征在于，模糊PID控制器是以单片机或者DSP为核心器件构成的温度控制***。
6.根据权利要求1所述的基于模糊PID的智能温度传感器，其特征在于，所述驱动电路由可控硅整流器组成，或在驱动电路与TEC之间加上低通滤波电路。
7.根据权利要求1所述的基于模糊PID的智能温度传感器，其特征在于，所述光电隔离器为双向光电隔离器。
8.根据权利要求1所述的基于模糊PID的智能温度传感器，其特征在于，所述温度检测单元包含热电偶、热敏电阻或半导体电阻。
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