【導(dǎo)讀】熱電偶是一種常用的溫度傳感器，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。在長(zhǎng)期工作過(guò)程中，熱電偶性。能會(huì)發(fā)生改變，產(chǎn)生測(cè)溫誤差。我國(guó)計(jì)量法規(guī)定，在熱電偶的使用過(guò)程中需要進(jìn)行周。期性的檢定和修正，以確保熱電偶溫度計(jì)測(cè)溫的準(zhǔn)確性。案、硬件組成、軟件設(shè)計(jì)和主要技術(shù)問(wèn)題的解決方法。選用HH54P小型繼電器和開(kāi)關(guān)。溫效果好；系統(tǒng)監(jiān)控軟件采用模塊設(shè)計(jì)方法，功能齊全，界面友好，操作靈活方便。本論文所設(shè)計(jì)的熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)，工作穩(wěn)定，符合熱電偶檢定規(guī)程的要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)充性，可以方便簡(jiǎn)單地增加新的熱電偶檢定類型；

　　

【正文】 傳統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)定精度等各方來(lái)來(lái)考慮 KP、 KI、 KD的作用如下： (1)比例系數(shù) KP的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 KP越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。KP取值過(guò)小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度變慢，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。 (2)積分作用系數(shù) KI的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。 KI越大，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但 KI過(guò)大，在響應(yīng)過(guò)程的初期會(huì)產(chǎn)生積分 飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過(guò)程的較大超調(diào)。若 KI過(guò)小，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 (3)微分作用系數(shù) KD的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，其作用主要是在響應(yīng)過(guò)程中抑制偏差向任何方向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。但 KD過(guò)大，會(huì)使響應(yīng)過(guò)程提前制動(dòng)，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。 PID參數(shù)的整定必須考慮到不同時(shí)刻三個(gè)參數(shù)的作用及相互之間的關(guān)系。由經(jīng)驗(yàn)得知控制過(guò)程對(duì)參數(shù) KP、 KI、 KD的自整定要求如下： (1)當(dāng)偏差 |e|較大時(shí)，為了加速系統(tǒng)的響應(yīng)速度，應(yīng)取較大的 KP；為了避免由于開(kāi)始時(shí)，偏差 e的瞬間變大可能出現(xiàn)的微分過(guò)飽和，使控制作用超出范圍，應(yīng)取較小的 KD；為了防止系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，產(chǎn)生積分飽和，應(yīng)對(duì)積分作用加以限制，通常取 KI=0，去掉積分作用。 (2)當(dāng) |e|和 |ec|處于中等大小時(shí)，為了使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào) ,KP應(yīng)取小一些， KI取值適當(dāng)， KD的取值對(duì)系統(tǒng)影響較大，取值適中，以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度。 (3)當(dāng) |e|較小即接近于設(shè)定值時(shí)，為使系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)增加 KP和 KI的取值，為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干 擾性， KD的取值相當(dāng)重要。一般 |ec|較小時(shí)， KD取值較大些；當(dāng) |ec|較大時(shí)， KD取值應(yīng)該較小些。 (4)偏差變化量 |ec|的大小表明偏差的變化率， |ec|值較大， KP的取值越小， KI 31 取值越大 ［ 13］ 。 模糊推理及解模糊化 模糊推理是不確定性推理方法的一種，其基礎(chǔ)是模糊邏輯，推理方法有 Zadeh方法、 Mamdani方法和 Baldwin方法等，采用 Mamdani方法推理方法進(jìn)行推理 (極大極小值法 )。 規(guī)則如果 Ai且 Bi，那么 Ci的模糊關(guān)系可以表示為： CiBiAi ??? ?? ][ （ ） 在推理計(jì)算過(guò)程中可以寫成并集形式。由此推理結(jié)果為： 39。39。339。239。111139。39。39。 ])[])([()( nnnn CCCCCA N D BACA N D BAA N D BAC ??????????????? ? （ ） 其中 ])[()( 39。39。39。 iiii CA N D BAA N D BAC ?? ? 可以寫成 )]()([ iiii CBBCAA ?? ??? 其隸屬度函數(shù)為： ]}[{]}[{ 39。39。39。39。 CBiBCAiA ??????? ??????? ? （ ） 幾何意義為：分別在不同的規(guī)則中 ，用各自推理前件的總隸屬度，去切割本推理規(guī)則中后件的隸屬度函數(shù)，以得到輸出結(jié)果，最后對(duì)所有的結(jié)論進(jìn)行模糊邏輯和，即并運(yùn)算，得到總的推理結(jié)果 (前件選最小值 )。 由于模糊控制器輸出是一個(gè)模糊集合，它無(wú)法對(duì)精確的模擬或數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行控制，必須進(jìn)行精確化計(jì)算，得出此模糊集中最有代表意義的確定值，作為系統(tǒng)的輸出控制，采用重心法，即加權(quán)平均法 ［ 14］ 。 按以上方法計(jì)算出在不同的偏差和偏差變化率時(shí)， PID參數(shù)的調(diào)整量的輸入值， 32 也就是模糊控制表對(duì)應(yīng)的數(shù)值，由此可以計(jì)算出△ KP的模糊控制器的查詢表。同理，可以計(jì)算出△ KI、 AKD的模糊控制器的查詢表，下面分別是△ KP、△ KI、△ KD的模糊控制表。 表 △ KP模糊查詢表 ec 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 e 6 6 6 6 5 4 4 4 3 3 2 0 0 0 5 6 6 6 5 4 3 3 3 3 2 0 1 1 4 6 6 6 5 4 3 3 3 3 2 0 1 2 3 5 5 5 5 4 3 3 2 2 0 1 1 2 2 4 4 4 4 4 3 3 2 0 1 2 2 2 1 4 4 4 3 3 2 2 0 1 1 3 3 3 0 4 4 4 3 3 2 0 1 2 3 3 3 3 1 3 3 3 2 2 0 1 1 2 3 3 3 3 2 3 3 3 2 0 1 2 2 2 3 3 3 3 3 3 2 2 0 1 1 3 3 3 3 3 4 4 4 3 2 0 1 2 3 3 3 3 3 3 4 6 5 2 2 0 1 3 3 3 3 3 4 4 4 5 6 0 0 0 1 3 3 3 3 3 4 6 5 6 表 △ KI模糊查詢表 ec 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 e 6 6 5 6 4 3 3 3 3 2 1 0 0 0 33 5 5 5 5 4 3 3 3 3 2 1 0 0 0 4 6 5 6 4 3 3 2 2 2 1 0 0 0 3 5 4 4 3 3 3 2 1 1 0 2 2 2 2 6 4 3 3 2 2 2 1 0 2 3 3 3 1 4 4 3 3 2 1 1 0 2 2 3 3 3 0 3 3 3 3 2 1 0 2 3 3 4 4 4 1 3 3 3 1 1 0 2 2 3 3 4 5 5 2 3 3 2 1 0 2 3 3 3 3 4 5 6 3 1 1 1 0 2 2 3 3 3 4 5 5 6 4 0 0 0 2 3 3 3 3 4 5 6 6 6 5 0 0 0 2 3 3 3 3 4 5 6 6 6 6 0 0 0 2 3 3 4 4 4 5 6 6 6 表 △ KD模糊查詢表 ec 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 e 6 3 0 2 3 6 5 6 5 6 4 3 0 3 5 3 0 2 3 5 4 4 4 4 3 3 0 2 4 3 0 2 3 6 4 3 3 3 3 2 1 0 3 2 0 2 3 4 4 3 3 3 3 2 1 0 2 0 1 2 3 3 3 3 3 2 2 2 1 0 1 0 1 2 3 3 3 3 3 2 2 2 1 0 0 0 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 0 34 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 2 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 3 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 4 6 1 2 0 3 3 3 3 3 3 3 4 6 5 6 2 1 2 3 3 3 3 3 3 3 4 6 6 6 5 4 4 4 4 4 3 3 3 3 4 6 將以上三張模糊控制表裝入單片機(jī)控制系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中，根據(jù)誤差 E與誤差變化率 EC查找表中相應(yīng)的值 {Ei， ECi)，將這些參數(shù)代入 PID控制器的位置型公式可以得到公式： piipp ECEKK },{?? diidd ECEKK },{?? iiiii ECEKK },{?? )]1()([)()()( 0 ????? ?? kEkEKjEKkEKkU dkjiP （ ） 35 第 5 章 工業(yè)熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 軟件系統(tǒng)組成 本系統(tǒng)軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，圖 。 圖 上位機(jī)軟件功能結(jié)構(gòu)框圖 上位機(jī)軟件主要由以下功能模塊組成： (1)檢定過(guò)程控制模塊 該模塊主要實(shí)現(xiàn)整個(gè)檢定過(guò)程的自動(dòng)化操作。包括檢定參數(shù)的輸入，檢定過(guò)程中爐溫、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)、實(shí)時(shí)溫度 曲線等的動(dòng)態(tài)顯示，數(shù)據(jù)記錄 ［ 15］ 。 (2)通信處理模塊 該模塊完成計(jì)算機(jī)與數(shù)字測(cè)量?jī)x之間的通信處理，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字測(cè)量?jī)x測(cè)量電量信號(hào)及量程切換，完成采樣數(shù)據(jù)的讀取。 (3)數(shù)據(jù)處理模塊 36 該模塊完成熱電勢(shì)與溫度之間、鉑電阻阻值與溫度之間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，冷端補(bǔ)償以及檢定結(jié)果計(jì)算等功能。 (4)控溫算法實(shí)現(xiàn)模塊 該模塊根據(jù)不同輸入偏差 e和偏差變化率 ec，通過(guò)檢索模糊控制查詢表，在線修正 PID控制器的參數(shù)，再計(jì)算 PID控制器的輸出值，由計(jì)算機(jī)的 D／ A接口輸出 4～ 20mA信號(hào)，控制檢定爐的加熱電壓，達(dá)到檢定爐溫度自動(dòng)控制。 (5)系統(tǒng)管理模塊 該模塊完成系統(tǒng)管理上的一些工作，包括使用者權(quán)限設(shè)置、檢定證書的打印、歷史數(shù)據(jù)查詢、各類型熱電偶和鉑電阻分度表的管理等 ［ 16］ 。 自動(dòng)檢定過(guò)程 熱電偶自動(dòng)檢定過(guò)程的軟件流程圖如圖 。整個(gè)檢定過(guò)程按以下步驟自動(dòng)進(jìn)行： 37 圖 熱電偶檢定過(guò)程控制流程圖 (1)檢定參數(shù)輸入 輸入的參數(shù)包括：檢定點(diǎn)溫度值、日期、被檢熱電偶類型 、支數(shù)、檢定曲線、初始 PID參數(shù)、上下限幅、標(biāo)準(zhǔn)熱電偶修正值。 (2)計(jì)算機(jī)檢查熱電偶連接情況 計(jì)算機(jī)輸出控制信號(hào)，依次導(dǎo)通多路開(kāi)關(guān)中各繼電器，同時(shí)向發(fā)出測(cè)量信號(hào)，判斷標(biāo)準(zhǔn)熱電偶、被檢熱電偶連線是否斷路或反相。 (3)升溫 當(dāng)各熱電偶連線正確無(wú)誤后，系統(tǒng)開(kāi)始按照輸入的檢定曲線升溫，同時(shí)周期性地 38 讀取程控調(diào)節(jié)儀檢測(cè)到的爐溫實(shí)時(shí)溫度，送顯示器顯示。 (4)檢定 當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到第一個(gè)檢定點(diǎn)設(shè)定值時(shí)，計(jì)算機(jī)判斷爐溫是否已達(dá)到檢定要求，如果爐溫不夠穩(wěn)定，繼續(xù)保溫。如果爐溫已經(jīng)穩(wěn)定， 則開(kāi)始檢定，計(jì)算機(jī)依次導(dǎo)通多路開(kāi)關(guān)中各通道，同時(shí)向測(cè)量?jī)x福祿克 FLUCK289發(fā)讀數(shù)信號(hào)，測(cè)量?jī)x依次讀取冷端電阻阻值、各熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)，并送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)再對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)換，保存在計(jì)算機(jī)中。第一個(gè)檢定點(diǎn)檢定完畢后，繼續(xù)升溫，又重復(fù)上述 (3)、 (4)步，直到所有檢定點(diǎn)檢定完畢 ［ 17］ 。 在本系統(tǒng)中，采取直接查分度表的方法。這樣，要計(jì)算出熱電偶檢測(cè)的溫度值，必須查三次分度表。第一次，用測(cè)得的電阻值去查 Ptl00熱電阻的分度表，得到冷端溫度；第二次，用冷端溫度值去查相應(yīng)熱電偶的分度表，得到冷端補(bǔ)償電 勢(shì)，與直接檢測(cè)到的熱電偶電勢(shì)相加，進(jìn)行冷端補(bǔ)償；第三次，用經(jīng)過(guò)冷端補(bǔ)償之后的熱電勢(shì)，去查熱電偶分度表，得到熱電偶實(shí)際檢測(cè)的溫度值。 檢定數(shù)據(jù)處理程序流程圖如圖 。 模糊自適應(yīng) PID控制算法的軟件實(shí)現(xiàn) 控制算法的軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖 。 39 圖 熱電偶檢定數(shù)據(jù)處理流程圖 圖 控制算法程序流程圖 40 第 6 章 結(jié)論 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、檢測(cè)控制技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)硬件成本的下降，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在各種領(lǐng)域中得到 了飛速的發(fā)展，以前靠人工或常規(guī)儀器儀表完成的工作逐漸被計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)取代。檢定系統(tǒng)在技術(shù)要求和性能指標(biāo)等方面基本符合國(guó)家熱電偶檢定規(guī)程，實(shí)現(xiàn)了熱電偶的溫標(biāo)量值傳遞的自動(dòng)化。系統(tǒng)一次可同時(shí)檢定八支熱電偶，對(duì)于熱電偶可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便快捷、大批量、高精度的有效測(cè)試和檢定。主要有： (1)用冷端電阻取代恒溫槽 (或冰點(diǎn)槽 )，實(shí)現(xiàn)熱電偶檢定的冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償，節(jié)約了系統(tǒng)成本 (2)設(shè)計(jì)了高分辨率、多通道測(cè)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了熱電阻信號(hào)和熱電偶信號(hào)的同時(shí)采集。在硬件和軟件設(shè)計(jì)上采用以下多項(xiàng)措施，保證數(shù)據(jù)采 集精度。 ①設(shè)計(jì)了低寄生電勢(shì)的多路通道切換裝置。 ②用高精度的多功能數(shù)字測(cè)量?jī)x直接讀取熱電阻信號(hào)和熱電偶信號(hào)，上位機(jī)與數(shù)字測(cè)量?jī)x之間采用 RS． 232