智能測(cè)控系統(tǒng)

黨俊藝

（平頂山中平能化集團(tuán)簾子布公司，河南 平頂山 467000）

1 智能測(cè)控系統(tǒng)圖

1.1 pt100 溫度傳感器工作原理

電阻式溫度檢測(cè)器是一種物質(zhì)材料做成的電阻，它會(huì)隨溫度的上升而改變電阻值，如果它隨溫度的上升而電阻值也隨著上升就稱為正電阻系數(shù)，如果它隨溫度的上升而電阻值反而下降就稱為負(fù)電阻系數(shù)。鉑熱電阻是應(yīng)用廣泛的溫度傳感器，它具有體積小、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好測(cè)、溫范圍寬、正的溫度系數(shù)等特點(diǎn)。

傳感器的接入非常簡(jiǎn)單，從系統(tǒng)的5V 供電端僅僅通過一支3K92的電阻就連接到PT100 了，這種接法通常會(huì)引起嚴(yán)重的非線性問題。但是由于有了單片機(jī)的軟件校正作為后盾，因此就簡(jiǎn)化了傳感器的接入方式。

1.2 Pt100 的特性

按鉑熱電阻技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，鉑電阻Pt100 在0～650℃范圍內(nèi)的符合國(guó)際分度表函數(shù)Rt可用下式表示:

Rt＝R0（1＋At－Bt2）

其中:Rt，R0分別是t℃和0℃時(shí)的鉑電阻阻值，R0=100 Ω，A＝3.90802×10－3℃－1，B＝5.80195×10－7℃－2。該函數(shù)的特點(diǎn)是精度高、覆蓋溫度范圍寬。以經(jīng)常使用的分度值(10℃為間隔)作比較，可以看出在0～650 ℃范圍內(nèi)擬合值與實(shí)際阻值的最大絕對(duì)誤差為0.0049Ω，平均絕對(duì)誤差為0.0026Ω，這時(shí)的最大相對(duì)誤差僅為1.487×10－5，因此該函數(shù)滿足高測(cè)量精度的要求.但由于函數(shù)中存在非線性項(xiàng)Bt2，要消除鉑電阻非線性對(duì)輸出的影響，就需要想法補(bǔ)償在不同溫度點(diǎn)時(shí)由于電阻的變化率降低而導(dǎo)致測(cè)量輸出信號(hào)減少或增大的那部分。

一般使用單片機(jī)來進(jìn)行溫度等的計(jì)算，由于該表達(dá)式比較復(fù)雜，用單片機(jī)處理這樣的計(jì)算過程，將會(huì)占用大量的資源，程序的編寫上相當(dāng)復(fù)雜，所以一般采用先查表，再插值的方法換算處溫度。

1.3 pt100 測(cè)溫原理

Pt100 式溫度傳感器，測(cè)溫的本質(zhì)其實(shí)是測(cè)量傳感器的電阻，是將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電流或電壓等信號(hào)，再將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再經(jīng)處理器算出相應(yīng)溫度值。采用pt100 測(cè)量溫度，一個(gè)用pt100 熱電阻，當(dāng)pt100 阻值變化時(shí)，測(cè)量端將產(chǎn)生電勢(shì)差，再由電勢(shì)差換算出對(duì)應(yīng)的溫度值。

1.4 提高pt100 測(cè)溫精度的方案

1.4.1 通過改善pt100 接線方式對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償

鉑熱電阻的使用，一般有三種解法，分別是二線制接法、三線直接法和四線制接法，不同的接法是應(yīng)用于不同的精度要求。

1.4.2 通過插值算法校正pt100 的非線性度

由pt100 的特性可知，雖然pt100 的線性較好，但是由于電阻—溫度函數(shù)是非線性的，單片機(jī)運(yùn)算則占用時(shí)間和資源較多。常用線性插值算法和查表進(jìn)行標(biāo)度變換計(jì)算溫度，運(yùn)算快占用單片機(jī)資源少，并且可以對(duì)pt100 進(jìn)行線性校正，達(dá)到相當(dāng)精確地溫度測(cè)量結(jié)果。

查表要在單片機(jī)的ROM 區(qū)建立電阻與溫度分度表，在檢測(cè)值內(nèi)均勻地選擇幾個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，標(biāo)定的點(diǎn)越多則表格越大。在0-100 度之間每隔5 度標(biāo)定一個(gè)pt100 的電阻值，共20個(gè)點(diǎn)，分別記作R[i]，對(duì)應(yīng)的溫度記作T[i]，i 取0-2，采用線性差值算法進(jìn)行標(biāo)度變換時(shí)，將檢測(cè)值Rx 通過順序查表，與標(biāo)定點(diǎn)R[i]比較，確定區(qū)間R[i]＜Rx＜R[i+1]，然后進(jìn)行線性插值算法球的溫度值Tx；

因?yàn)槭敲扛?℃標(biāo)定一個(gè)電阻值，所以T[i+1]-T[i]=5，即：

1.5 程序設(shè)計(jì)

1.5.1 程序流程圖

1.5.2 程序設(shè)計(jì)

2 控制器設(shè)計(jì)

2.1 PID 原理

2.1.1 PID 控制的原理和特點(diǎn)

當(dāng)今的自動(dòng)控制技術(shù)都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測(cè)量、比較和執(zhí)行。把測(cè)量關(guān)心的變量與期望值相比較得到系統(tǒng)誤差，再用這個(gè)誤差來糾正調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)。這個(gè)理論應(yīng)用自動(dòng)控制的關(guān)鍵是，做出正確的測(cè)量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。

PID 控制算法的基本原理:簡(jiǎn)單地說，就是運(yùn)用比例、積分、微分算法，來對(duì)回路中的偏差進(jìn)行修正，通過執(zhí)行器調(diào)節(jié)參數(shù)，使測(cè)量值穩(wěn)定在設(shè)定值附近，達(dá)到控制某一參數(shù)的目的。

2.1.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象的輸出值會(huì)反饋影響控制器的輸出值。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正、負(fù)反饋，若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值相反，則稱為負(fù)反饋，若相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制均采用負(fù)反饋控制系統(tǒng)。

PID 控制器由比例單元、微分單元、和積分單元組成。（1）比例調(diào)節(jié)按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差的大小來進(jìn)行調(diào)節(jié)的，系統(tǒng)出現(xiàn)偏差，比例調(diào)節(jié)產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用減少偏差。比例作用大能加快調(diào)節(jié)速度，減少誤差，但比例作用過大，會(huì)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。（2）積分調(diào)節(jié)可以使消除或降低系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，積分調(diào)節(jié)常與微分比例規(guī)律相結(jié)合。（3）微分調(diào)節(jié)能夠反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，能夠預(yù)見偏差變化的趨勢(shì)，能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差形成之前，就被消除。

2.2 PID 控制器的參數(shù)整定

PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。

PID 控制器參數(shù)的整定步驟：

（1）首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；

（2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；

（3）在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到PID 控制器的參數(shù)。

2.3 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計(jì)

2.3.1 簡(jiǎn)介

BP 網(wǎng)絡(luò)是多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，BP 網(wǎng)絡(luò)能學(xué)習(xí)和存貯大量的輸入-輸出模式映射關(guān)系，而無(wú)需事前揭示描述這種映射關(guān)系的數(shù)學(xué)方程。它的學(xué)習(xí)規(guī)則是使用最速下降法，通過反向傳播來調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的閾值和權(quán)值，使網(wǎng)絡(luò)的誤差平方和最小。

2.3.2 BP 算法基本原理

某個(gè)樣本被（設(shè)為第P個(gè)樣本）輸入網(wǎng)絡(luò)，且有輸出時(shí)，均方誤差為所有輸出單元誤差平方的和，即所有樣本都被輸入后，總誤差為，設(shè)WSP為一個(gè)連接權(quán)值時(shí)按梯度下降放法，批處理下權(quán)值修正量為增量方式下權(quán)值修正量為輸 出層w″kl（n0+1）=w″kl，中間隱層

其中BP 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)的確定問題尚沒有固定算法，也沒有理論支持，通常是靠經(jīng)驗(yàn)來確定。

3 控制系統(tǒng)仿真

3.1 常規(guī)PID 控制器設(shè)計(jì)仿真

3.1.1 軟件程序仿真

PID 控制方法進(jìn)行校正程序如下：

校正后如圖4 所示

4 結(jié)束語(yǔ)

在測(cè)控系統(tǒng)中，如何減少測(cè)量誤差，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)控一直是被關(guān)注的但尚未解決的問題。本文介紹了一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)溫與顯示功能，利用PID 算法、PB 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行矯正，實(shí)現(xiàn)智能穩(wěn)快準(zhǔn)的預(yù)期效果。

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