专利名称：基于arm的高精度温度校验方法及仪器的制作方法
技术领域：
本发明属于温度计量检测技术领域，尤其涉及一种基于ARM的高精度温度校验方 法及仪器。
背景技术：
各类温度计都需要定期由计量检定机构进行校准，而以往温度计都要被送到计量 机构进行校验，这一过程费时、费事，而且费用比较高。而目前对于用于现场控制需要在线 校验的温度控制设备也不尽理想，由于工业上电加热炉是一个大惯性、大延时、大时变的非 线性受控对象，采用常规的控制方法的用于工业现场的温度校验设备，目前还难以达到理 想的控制目的。如中国实用新型专利ZL200620093696. 8公开了 一种在线温度校准仪，该温 度校准仪采用温度传感器、温度仪表和补偿导线连成一体进行温度校准，在一定程度上克 服了分立元件在温度校验设备使用中存在的问题。但是该温度校准采用的控制方法对于温 度控制精度和稳定度高，尤其需要快速动态调节和要求较高的抗干扰能力的温度校验来说 仍达不到要求。另外，在控制领域也常使用比例积分微分(PID)控制，但是传统的PID控制 由于存在不适应参数变化、超调大、抗干扰性能差等原因，在工业电加热炉的实际温度控制 中仍存在问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明基于ARM的高精度温度校验方法及仪器既保留了传统 PID控制的优点，同时又结合了�：刂频慕∽承郧�、干扰和参数变化对控制效果的影响弱 的优点，通过采用先设定温度输入，再通过PtlOO热电阻实时检测实际温度，通过比例-模 糊自整定PID控制器实现温度的实时调节控制达到与设定温度一致，且能达到高的精度和 稳定性。 本发明基于ARM的高精度温度校验方法及仪器采用的技术方案
—种基于ARM的高精度温度校验方法，包括
步骤一，输入设定的温度并检测实际温度操作； 步骤二，设定温度与实际温度进行比较，得到温度偏差信号并进行预处理操作； 步骤三，基于温度偏差信号进行控制运算操作，获得控制信号； 步骤四，由获得的控制信号对可控硅的导通角进行控制，可控硅的输出进一步控
制外部加热器， 所述的控制运算操作为比例_�：哉ū壤治⒎挚刂�。所述的控制运算操作由移植了 Li皿x2. 6操作系统并开发了系统软件的基于ARM9
的硬件平台完成的。 所述的控制运算操作包括比例控制运算和�：哉ū壤治⒎挚刂圃怂恪�
所述的�：哉ū壤治⒎挚刂圃怂憬徊桨ǹ刂票淞磕：炕�、建 立�：刂乒嬖�、选择查询�：刂乒嬖蚝徒饽：聿僮�。
—种基于ARM的高精度温度校验仪器主要包括温度输入设备、温度显示设备、检 测实际温度的传感器、信号调理电路、模/数(A/D)转换器、可控硅�？楹屯獠考尤绕鳎拱� 括比例_�：哉ū壤治⒎挚刂破鳎渲形露仁淙肷璞负臀露认允旧璞阜直鹆拥� 比例_�：哉ū壤治⒎挚刂破鳎觳馐导饰露鹊拇衅饕来瓮ü藕诺骼淼缏泛� 模/数转换器连接到比例_�：哉ū壤治⒎挚刂破鳎壤齙�：哉ū壤� 微分控制器的输出控制信号连接到可控硅�？椋煽毓枘？榈氖涑鲇胪獠考尤绕髁印�
所述的比例-�：哉ū壤治⒎挚刂破饔梢浦擦� Li皿x2. 6操作系统的 ARM920T内核构成，包括比例控制器和模糊自整定比例积分微分控制器两部分。
所述的检测实际温度的传感器为Ptl00热电阻传感器，且为三线制的。
所述的信号调理电路包括差分电压放大器和低通滤波器。
所述的模/数转换器的采样时钟频率为2. 4576MHz 。 所述的比例-模糊自整定比例积分微分控制器输出信号为脉冲宽度调制(P丽)信 号。 本发明基于ARM的高精度温度校验方法及仪器的有益效果本发明将比例_模 糊自整定PID控制器用于电加热炉的温度控制，不仅具有很高的精度和稳定性，而且具有 较高的抗干扰能力，尤其适合于无超调的温度控制系统；本发明的控制部分使用移植了 Linux2. 6操作系统并开发了系统软件的基于ARM9的硬件平台来完成，从而使得本发明实 用性更强。
图1为本发明中基于ARM的高精度温度校验仪器的�？榻峁雇迹�
图2为本发明中基于ARM的高精度温度校验方法的温控过程的流程图；
图3为本发明基于ARM的高精度温度校验方法及仪器的实施例结构图。
具体实施例方式
如图1的本发明的�？榻峁雇贾校晌露仁淙肷璞甘淙肷瓒ㄎ露群螅觳馐导饰� 度的传感器检测的温度信号由信号调理电路和模/数转换器处理成为数字信号送到比 例-�：哉≒ID控制器，由该控制器输出P丽信号控制可控硅的导通时间，从而控制外 部加热器的加热情况。输入的温度及控制过程中检测的实际温度可以实时地由温度显示设 备显示出来。 如图2的本发明的温控过程的流程图中，实施操作过程为，首先输入设定温度并 检测实际温度；其次对获得的温度偏差信号进行预处理；再次，当获得的温度绝对偏差|e < E时，采用�：哉≒ID控制，过程为先对控制变量�：炕恚俑萁⒌哪：� 控制规则进行查询并解模糊化处理和PID调节控制，当温度绝对偏差|e| ^E时，采用比例 控制；最后由两部分控制输出信号控制可控硅的导通情况，从而控制外部加热器加热温度 监测对象。 在实际中，控制对象多用在高温场合，为加快加热速度，可以采用比例控制算法， 即当|e| 〉E时，采用比例控制算法，有利于加快调节速度，系统响应快；当0《|e| <E 时，采用选择�：哉≒ID控制，有利于消除系统静态误差和抑制干扰，根据实验结果本发明中选用E = 50°C。 本发明中使用不依赖对象模型的�：刂仆评淼腜ID参数自整定方法，包括如下 操作 1.控制变量的�：炕� 根据仪器用途特点，取定e和ec的范围，并对其进行�：炕恚贸鰁和ec 论域为e， ec = {-5， -4， _3， _2， -l，O， 1， 2， 3， 4， 5}，其模糊子集e， ec = {NB， NM， NS， 0， PS， PM， PBh其子集各语言值分别为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。
2.建立模糊控制规则 从系统的稳定性、超调量和响应速度等方面考虑，在不同的e和ec值下，PID控制 器的比例参数Kp、积分参数&和微分参数Kd的自整定规则可归纳为 (1)当|e|较大时，为了加快系统的升温速度，应取较大的Kp、较小的Kd，同时为了 防止积分饱和以及避免系统响应出现较大的超调量，应限制积分的作用，一般Ki的值取为 0 ; (2)当|e|和I ec|的值为中等大小时，Kp的值取小一些，同时为减少系统相应的 超调量，&的值也应取小一些。因Kd值与系统响应速度成正比，为保证系统的响应速度，& 的值要适中； (3)当I e I较小时，为使系统具有较好的稳态性能，同时为抑制偏差向任何方向变 化，避免系统在设定值附近出现振荡，并结合|ec|的值选取Kd值，Kp与Ki的值取大一些。
通过以上对系统输入、输出参数之间的相互影B向，并结合�：齈ID控制算法中Kp、 Kd这三个控制参数对控制系统的影响，设计出系统的�：刂乒嬖虮恚云頴和偏差 变化率ec作为输入，分别以Kp、Ki、Kd作为输出变量建立三个�：嬖虮恚咛迦缦卤�1、表 2和表3 : 表lkp的�：嬖虮�
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PBPBPMPMPMPSPSPB 3.查询�：刂乒嬖虮聿⒔饽：髡砗蚉ID控制 在参数的�：刂乒嬖虮斫⒑螅菔导是榭鲅≡癫檠竦肒p、Ki、Kd，再运用模 糊合成推理设计出PID参数模糊调整矩阵，最后将其存入程序存储器中供查询。在实际应 用中，由误差e和误差变化ec，并对其进行�：恚⒏菽：刂乒嬖虮恚来蔚贸� Kp、 Kd的语言值，再进行解�：蠹纯墒迪諴 ID参数的在线模糊自整定功能。
如图3为本发明的实施例结构图，图3中的电桥及Ptl00热电阻、仪表放大器 INA114、低通滤波器和A/D转换器共同构成本实施方式中的温度信号采集、调理及转换部 分。S3C2410A控制器完成比例_�：哉≒ID控制器的功能，输出P丽控制信号对加热 执行单元进行控制，从而完成温度的动态调节，图3中的加热执行单元可由三极管运放电 路、可控硅�？楹屯獠考尤绕鞯裙钩�。 如图3的实施例，工作时，由操作人员通过键盘设定温度，并通过LCD显示设定的 温度值，由Ptl00热电阻检测控制对象实际温度值，通过仪表放大器INA114、低通滤波器 及A/D转换器将温度信号由S3C2410A的串行外围设备接口 (SPI)送入控制器中，并实时 显示实际温度值。控制器求出输入的当前温度值与设定值的偏差，按照比例-�：哉� 定PID控制算法进行运算，确定下一时间输出P丽信号占空比，以控制可控硅的导通时间， 从而控制外部加热器的平均输出功率，实现温度控制。图3中的A/D转换器的外接晶振的 频率可设置为2. 4576MHz和1. 024MHz两种，使用时可进行频率选择，本实施例中采用频率 2. 4576MHz，有利于提高信号的转换精度。Pt100热电阻传感器采用铂电阻为A级薄膜工业 铂电阻PtlOO，并选用三线制的，采用三线制可以大大减小导线电阻带来的附加误差。仪 表放大器INA114采用差动式双端输入，单端输出方式，以利于获得很低的失调电压与很小 的温度漂移，高的共模抑制比及极高的输入阻抗。S3C2410A控制器采用ARM920T内核，并
6移植了 Li皿x2. 6操作系统，ARM920T内核具有32位地址总线，ARM920T内核外接两个并 接的16位数据宽度的SDRAM存储器，利用SDRAM作为系统运行中的交换数据单元，外接的 NandFlash具有极高的单元密度和很快的写入擦出速度，作为执行代码启动、程序以及数据 存储空间，外接的JTAG主要用于对芯片内部进行测试，另外实施例中还接有RS232接口 ，连 接PC机，可以大大加强对校验数据的存储、分析处理和显示功能。
权利要求
一种基于ARM的高精度温度校验方法，包括步骤一，输入设定的温度并检测实际温度操作；步骤二，设定温度与实际温度进行比较，得到温度偏差信号并进行预处理操作；步骤三，基于温度偏差信号进行控制运算操作，获得控制信号；步骤四，由获得的控制信号对可控硅的导通角进行控制，可控硅的输出进一步控制外部加热器，其特征在于，所述的控制运算操作为比例-�：哉ū壤治⒎挚刂啤�
2. 根据权利要求1所述的基于ARM的高精度温度校验方法，其特征在于，所述的控制运 算操作由移植了 Li皿x2. 6操作系统并开发了系统软件的基于ARM9的硬件平台完成的。
3. 根据权利要求1或2之一所述的基于ARM的高精度温度校验方法，其特征在于，所述 的控制运算操作包括比例控制运算和�：哉ū壤治⒎挚刂圃怂�。
4. 根据权利要求3所述的基于ARM的高精度温度校验方法，其特征在于，所述的�：� 整定比例积分微分控制运算进一步包括控制变量�：炕�、建立�：刂乒嬖�、选择 查询�：刂乒嬖蚝徒饽：聿僮�。
5. —种基于ARM的高精度温度校验仪器主要包括温度输入设备、温度显示设备、检测 实际温度的传感器、信号调理电路、模/数转换器、可控硅�？楹屯獠考尤绕鳎涮卣髟谟冢� 还包括比例-�：哉ū壤治⒎挚刂破鳎渲形露仁淙肷璞负臀露认允旧璞阜直鹆� 接到比例-�：哉ū壤治⒎挚刂破鳎觳馐导饰露鹊拇衅饕来瓮ü藕诺骼淼� 路和模/数转换器连接到比例_�：哉ū壤治⒎挚刂破鳎壤齙模糊自整定比例 积分微分控制器的输出控制信号连接到可控硅�？椋煽毓枘？榈氖涑鲇胪獠考尤绕髁� 接。
6. 根据权利要求5所述的基于ARM的高精度温度校验仪器，其特征在于，所述的比 例-�：哉ū壤治⒎挚刂破饔梢浦擦� Li皿x2. 6操作系统的ARM920T内核构成，包 括比例控制器和�：哉ū壤治⒎挚刂破髁讲糠帧�
7. 根据权利要求5所述的基于ARM的高精度温度校验仪器，其特征在于，所述的检测实 际温度的传感器为Pt100热电阻传感器，且为三线制的。
8. 根据权利要求5所述的基于ARM的高精度温度校验仪器，其特征在于，所述的信号调 理电路包括差分电压放大器和低通滤波器。
9. 根据权利要求5所述的基于ARM的高精度温度校验仪器，其特征在于，所述的模/数 转换器的采样时钟频率为2. 4576MHz。
10. 根据权利要求5所述的基于ARM的高精度温度校验仪器，其特征在于，所述的比 例_�：哉ū壤治⒎挚刂破魇涑鲂藕盼龀蹇矶鹊髦菩藕�。
全文摘要
本发明基于ARM的高精度温度校验方法及仪器涉及温度计量检测技术领域，本发明采用了比例-�：哉≒ID控制方式从而解决目前工业电加热炉温度控制中精度和稳定度低，抗干扰能力不佳等问题。本发明主要包括设定温度并检测实际温度获得温度偏差，基于温度偏差进行比例-�：哉≒ID控制外部加热，本发明的比例-模糊自整定PID控制部分由移植了Linux2.6操作系统并开发了系统软件的基于ARM9的硬件平台完成。本发明特别适用于对滞后及无超调系统，且要求高精度、高稳定性的工业温度控制系统。
文档编号G01K7/18GK101769800SQ201010112130
公开日2010年7月7日 申请日期2010年2月4日 优先权日2010年2月4日
发明者李晋尧 申请人:北京印刷学院
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
