X射线荧光光谱仪恒温控制模块设计

2014-03-08党红文

自动化与仪表 2014年7期

谢鹏，麻硕，党红文

（冶金自动化研究设计院，北京 100071）

高精度的温度控制是波谱-能谱X射线荧光光谱仪的关键技术之一，提高恒温精度有助于提高光谱仪的性能。光谱仪检测被测量时需要精确定位，而能精确定位的前提是保持转角仪等各设备的高度稳定。设备在不同的温度环境下弹性形变会发生变化，当检测同一个被测量时，不同的温度会使转角仪的角度发生改变，从而影响反射光谱的强度，导致不同的检测结果。因此需要一个高精度高稳定度的恒温控制系统来提高设备的测量精度。本文提出了一种基于TMS320F28335控制芯片，结合PIDFuzzy控制算法的设计，使荧光光谱仪的控制目标温度为36℃，控制精度为±0.1℃，目前该系统正处于试验阶段。

设计高精度恒温控制系统必须注意[1]：①热敏元件精度高；②前置放大电路保持高输入阻抗；③控制算法稳态误差小稳定度高；④执行器灵敏度高；⑤系统的热结构合理。

1 高精度恒温控制系统模块的设计

1.1 温控模块的系统结构

温控模块的系统结构如图1所示。系统总的结构可分为测温和控温两个模块。

图1 温控模块的系统结构图Fig.1 Structure diagram of system control module

温度测量电路采用PT1000铂电阻传感器，采集到的温度信号经测量转换电路转化为电信号，信号经处理后作为控制芯片的输入量。输入量和设定量进行差值预算，最终决定是选用PID控制还是模糊控制。利用控制算法的控制量可调节输出量PWM波形的占空比，通过改变PWM波形占空比来调节加热电阻丝两端的电压。执行器以加热电阻丝为核心，结合调压驱动电路，可得到精确的执行量，并且反应迅速控制简单。系统采用多点测温和表面贴片技术，测温准确、反应灵敏、结构简单，技术参数（分析精度0.01℃，控制精度0.1℃）。

1.2 测温方案实现

测温与转换电路结构图如图2所示。综合考虑灵敏度、精准度、线性度、传导方式等因素，本系统选用正温度系数的贴片式PT1000铂电阻作为温度传感器。为了充分利用PT1000铂电阻的优良特性，需要设计相应的测温与转换电路。利用基准电压电路和恒流源电路生成精准的0.5 mA的恒流源，误差为0.1%，很大程度上减小了电阻的自热误差。改造传统的桥式测量电路，利用单臂桥式测温电路和差动放大电路相结合得到输出电压。使输出电压和环境温度保持高度的线性关系。

图2 测温与转换电路结构图Fig.2 Temperature and conversion circuit diagram

1.3 控温方案实现

1.3.1 系统的数学模型

系统的执行器发热电阻丝和测温传感器都存在惯性作用，系统建模如图 3所示[2]。Go（s）为受控对象发热电阻丝；Gc（s）为 PID-Fuzzy 控制部件；Gp（s）为辅助部件；H（s）为反馈系数，由PT1000铂电阻温度传感器充当；R（s）为设定的温度值 36 ℃；Y（s）为实际输出量。

图3 系统数学模型结构图Fig.3 Structure diagram for mathematical model of the system

1.3.2 PID-Fuzzy控制

Fuzzy-PID复合控制是模糊技术与常规PID控制算法相结合，以达到较高的控制精度[3]。当温度偏差较大时采用Fuzzy控制，响应速度快，动态性能好；当温度偏差较小时采用PID控制，满足系统控制精度要求。因此它比单个的模糊控制器和单个的PID调节器均有更好的控制性能。

PID数学模型表达式[4]为式中：Kp为比例系数；Ti为积分系数；Td为微分系数。

PID控制编程表达式为

式中：Kp=为比例系数；Ki=Kp为积分系数；Kd=Kp为微分系数。

模糊控制原理如图4所示[5]。以温度的误差值（error）和误差值的变化量（deviation）作为输入，经模糊量化后（Fuzzy quantifying）得到两个模糊量E和EC。通过建立好的模糊控制规则（control rules）对模糊量进行处理可得到模糊控制量（Fuzzy control volume）。最后经过模糊判决（Fuzzy decision）得到精确的控制量。

图4 模糊控制原理图Fig.4 PID control principle diagram

模糊控制器得以实际应用的关键在于模糊控制器的设计，模糊控制器的关键在于模糊控制规则[6]。选取控制量变化的原则是：当偏差较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主要出发点；当偏差大或较大时，选择控制量以尽快消除偏差为主。偏差为正时与偏差为负时相同。建立控制规则如表1所示。

表1 控制规则Tab.1 Control rules principle

采用面积重心法将控制器的模糊输出去模糊化，得到加热控制器的占空比的增量输出。

式中：Hi为每一规则输出面积的高；CUi为重心的横坐标。在这里控制输出部分，采用单值函数作为隶属度函数，面积重心的横坐标是每个语言值对应的横坐标值。

1.3.3 调压驱动电路

工频220 V电压频率为50 Hz，如果把发热电阻丝接在工频电压上，1 s内即可导通50个正弦波的电压。假设在一个控制周期内（Control cycle），存在部分时间发热电阻丝导通而部分时间发热电阻丝关断，那么在一个控制周期内电阻丝的发热功率即由导通时间来控制。如图5所示，利用生成的PWM波形，把控制周期设定为1 s，高电平设定为导通区间（Conduction interval），通过改变占空比即可控制发热电阻丝的功率。

图5 PWM波形控制原理图Fig.5 PWM waveform control principle diagram

2 恒温控制系统的应用

恒温控制系统的目标就是使光谱仪腔体内的温度恒定，为了完成这一工作，控制系统需要根据实际很好地与被控对象相结合。如图6所示，恒温腔体是一个结构复杂、内含大量精密设备的腔体，体积约0.7 m3。考虑到热传导延时和特定的结构等因素，需要对腔体的不同位置进行温度采集。采用PT1000贴片式温度传感器嵌入在腔体的外壳中，保证良好的温度传导，并且在箱体外壳内部也分布多个传感器。在控制过程中，利用发热电阻丝对腔体进行升温，利用内部小功率风扇进行均热，根据控制算法来调节电阻丝的发热量。由于恒温精度高，传感器反应灵敏，在控制时容易出现温度波动。这时要求给各个位置的传感器设定一个权值，把最终的判定值作为反馈量，利用腔体自身的温度传导延迟，可缓和温度的小幅度波动。当温度达到平衡时保证内部发热量和箱体外壳的散热量相等。

图6 模块应用原理图Fig.6 Module principle diagram

3 实验与分析

执行器发热电阻丝接工频电压时，功率为500W。在温差大于0.5℃时采用模糊控制，温差小于0.5℃时采用PID控制。为了使在目标温度36℃时尽可能小地产生波动，对PID产生的控制量进行严格限定，经过多次调试得到良好的实验结果。

TMS320F28335芯片采样后，利用线性拟合标定得到相应的温度值。当系统达到稳定时，进行短期温控精度测量。以1 min为基准，测量1 h，共获得60个测量数据。最大温度值为36.05882℃，最小温度值为35.96973℃，平均值为36.01049℃，均方误差为6.31×10-4℃。很好地把温度误差控制在0.1℃以内，达到预期控制精度要求。

为测量系统的长期稳定性，以10 min为基准，测量10 h，共获得60个测量数据。最大温度值为36.05956℃，最小温度值为35.96469℃，平均值为36.01287℃，均方误差为6.43×10-4℃。在长时间内，系统保持了良好的稳定性，达到指标要求。

为测量系统的抗干扰性，在系统稳定时打开箱体外壳，使箱体内部温度下降至室温，然后封闭箱体让系统继续运行。升温时间约1 min，调节时间5 min，超调量4.17%。经多次测量证实了系统的抗干扰性。