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恒温箱控制系统毕业设计论文.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.40M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    摘要 高精度温度控制对于现代精密测量系统来说具有基础性的重要地位，为此研 究一种有效的高精度温度控制系统就具有重大意义。现在一般是使用恒温箱或恒 温室为精密仪器提供恒温环境，但是由于其所采用的控制算法不能满足精度要 求，所以必须在深入学习现有控制算法的基础上，研究出新的有效的控制策略。 本文中主要以 PID 算法为主要研究对象，为克服 PID 算法适应能力弱的缺 点，结合模糊理论研究了一种基于模糊推理的自适应 PID 控制算法。文中利用 Mat lab 对不同的控制算法进行了仿真实验，发现基本 PID 控制最大的缺点就是 控制器参数不能随被控对象的改变而改变，因此不能满足在高精度控制领域中时 变系统的控制精度要求;而模糊控制以其鲁棒性强，对参数变化不敏感等优点已 经在多个领域有着广泛的应用。为此将模糊推理引入到 PID 控制策略中，仿真试 验证明基于模糊推理的自适应 PID 控制算法提高了传统 PID 算法的适应能力及控 制精度。 另外结合项目要求进行了恒温箱的机械结构部分和测量控制部分软硬件的 设计。经过机械结构设计使恒温箱内的空气流动变为活塞式气流，保证了恒温箱 工作区域内温度场的均匀性。同时结合 Lab view 和 Mat lab 软件，编写出恒温 箱温度测量控制软件。编程中使用了 Lab view 的 ActiveX 技术调用 Mat lab 的 脚本节点，利用 Mat lab 强大的数据处理和控制系统工具箱实现了在 Lab view 中刘-恒温箱进行高级算法控制的目的。 最后针对己建立恒温箱系统利用不同的控制策略进行了实验研究。通过对实 验数据的研究和分析表明恒温箱内温度的控制稳定性小于 0.05℃，证明本文中 所使用的模糊自适应 PID 控制算法和恒温箱系统设计的合理性和有效性。 关键词:恒温控制 PID 模糊自适应 PID 模糊控制 lab view Mat lab
    Title: The research of the High precision control theory and the system design of constant temperature box The high precision temperature control in the modern precision measurement system; therefore, the research of high precision temperature control makes lots of sense. But the normal control tactics can not suffice the demand, so the new tactics must be studied on the exiting ones. is very important the study of fuzzy self-adapting control arithmetic is done. By the Mat The PLD control arithmetic is the main research object in this thesis. To get over the PID’S lab shortcoming, simulation, the main disadvantage of the PID arithmetic is found, which is the parameter of PID control can not adapt the variety of object. So the control precision is limited when the object is time-variational. The fuzzy control theory is applied in many fields because of its robustness and insensitivity. Therefore the two arithmetic are combined to be a fuzzy self-adapting control arithmetic, which is proved by the emulator that can improve the normal PID’S adaptability and precision. The mechanical structure of the box is designed and the program of the temperature and control is compiled according to the demand of the project. By the mechanical design, the air in the box turn to be a piston distribution, which makes the temperature’s equality is improved. . The program is combined the strongpoint of Mat lab and Lab view, which uses the Mat lab script in the Lab view to improve the ability of data operation in the program. So the advanced control arithmetic can be applied in the Lab view G program. The different tactics are applied in the constant temperature box control system. The experiment data shows that the stability is less than 0.05℃, which proves the rationality and the fuzzy self-adapting control arithmetic and constant temperature control system design. Key words: constant temperature control; PID; fuzzy self-adapting control arithmetic; fuzzy control; Mat lab; Lab view
    第一章绪论 1.1 课题来源及研究意义 本课题来源于国家自然科学基金、国际合作与交流项目资助测量关键技术与 系统研究。 随着现代纳米科学的发展，测量系统的精度也必须达到纳米级。而纳米三维测量 系 统 中 的 基 础 技 术 就 是 环 境 控 制 。 测量环境的控制是达到纳米级测量精度的基础。这是因为所有的物体都存在 热胀冷缩现象，如果被测物体和测量仪器在一个温度波动范围很大的环境中工 作，其测量误差会非常的大。如普通钢材的热膨胀系数为 20x10 一“/℃。对于 0.01m 的钢材在温度变化 1℃的时候其变形量可以达到 20Onm。即使是锢钢合金 (INVAR 认 R，Invariable Alloy，膨胀系数仅为 1.2 只 10 一 6/℃)在相同的条件 下变形量也达到 12nm。因此环境控制，特别是温度控制是纳米级精密测试系统 的基础，进行高精度的温度控制机理的研究就具有基础性的研究意义。 目前，一般采用的温度控制措施是将高精密纳米测量仪器放置在恒温室或者 恒温箱内。这种恒温装置一般是用压缩机组作为温控元件来控制温度的。这种方 式不仅造价昂贵而且其控制精度和稳定性都不理想。这是由于压缩机的工作不能 达到零点启动，造成恒温室内温度的波动.比较大;而且压缩机的启动和停止会带 来很大的振动，这种振动会给纳米级测量带来更大的测量误差。同时普通的恒温 装置中所使用的控制算法一般为开关控制和 PID(Proportional Integral Derivative 比例积分微分)控制。这种控制算法也不能满足纳米级测量系统对温度控制的精 度要求。 如果将这个恒温室小型化为一个恒温箱，并采用没有机械振动的半导体制冷 片作为制冷元件，这样不仅能减少温度的控制误差也可以消除振动的干扰，同时 可以降低高精度测量环境的建设成本。‘综上所述研究小型的超高精密的恒温纳 米测量箱具有重要的科研意义。 1.2 国内外研究现状 微观尺度的测量系统早期是采用光学显微镜，尔后出现了扫描电子显微镜。 1982 年 G. Binnig、H.R0hrer 等人发明了扫描隧道显微，将纳米尺度的二维测量
    与一维位移的测量相结合，首次实现了纳米尺度的三维测量。根据扫描隧道显微 镜的基木原理，现在已发展了一系列具有纳米级精度的扫描探针显微镜，如原子 力显微镜、激光力显微镜、磁力显微镜、静电力显微镜、导弹电子发射显微镜、 扫描离子导电显微镜、扫描近场光学显微镜、光子扫描隧道显微镜、扫描热显微 镜等。这些新型的显微镜技术都利用探针与样品的不同的相互作用来探测表面在 纳米尺度上表现出来的物理和化学性质，而这些物理化学性质可以在众多的学科 中带来深层次的影响。所以进行精确的纳米，尺度的测量和计量是世界各个国家 重点研究的方向，其中一些国家已经取得了一些成果。 1.2.1 美国 NIST 的 MMM 美国国家标准技术研究院(NIST)于 1987 年在 Teague 博士的领导下开始进行研究 分子测量机(Molecular Measuring Machine，MMM)的计划，主要是希望建立国家 级线栅尺的校正标准。希望达到分辨率小于 1nm 及总体精度 10nm 的指标。其内 核测试环境温度控制达到 20℃士 0.005℃。控制系统采用了基于 VME 总线的以 DSP 为 核 心 的 高 精 度 多 通 道 测 控 系 统 ， 以 保 证 高 精 密 的 纳 米 测 量 环 境 。 图 l 一 2 分子测量机(MMM)结构图 图 1 一 2 为其实物照片及结构图，可以看出测量内核是在重重环境保护罩内工作 的。在这些保护罩下可以得到隔振、隔音、真空、恒温、恒湿等功能。MMM 在 设计上采用球形结构，其优点是刚性好和易于控温。其测量核心.部分的材料是 直径为 35。m 空心高导无氧铜球结构。选择这种材料和结构的原因为: (1)平衡稳定热梯度的能力由其热传导性与其热膨胀系数之比所确定; (2)平衡瞬间热效应，由其扩散性，即热传导率与其密度与热乘积之比所确定。 (3)刚性材料弹性模量与其密度之比确定。要求对于静态和动态载荷的响应最 小。 (4)对于瞬间激励由其阻尼能力确定其响应。 (5) 在 点 或 小 局 部 区 载 荷 下 的 材 料 变 形 ， 由 材 料 的 弹 性 模 量 确 定 。
    图 1 一 3 分子测量机(MMM) 如图 1 一 3 所示其环境隔离系统。系统包括温度控制壳和核心机构中的振 动声隔离壳。其中温度隔离壳是保证核心机构能够工作在恒温区域的重要部分。 整个仪器的外部工作温度是 24’C，对于放置核心机构和样品的工作空间(真空 1Om℃的温度稳定性。核心机械和控制壳都是由空心高导无氧铜制成，并且电镀 金，以改进热辐射偶合的表面的长期抗腐蚀。为保护整个仪器，并为样品提供干 净的测量环境，仪器建于 10 级超净区内。区内包括计算机控制间、超净测量间、 样品准备间、样品准备安装室、超净隔离间等 128m2 的工作面积。超净区位于 地下实验室的封闭空间的水泥块防震地基上。工作时要关掉所有通风扇，以避免 机械振动所带来的测量环境干扰。这样提供了安静的、振动最小的恒温测量环境。 1.2.2 东京大学的 Nano 一 CMM141 日本东京大学的.KTkaamasu 教授等学者在研究纳米三坐标测量机 Nnao 一 CMM 系统时也充分考虑到了环境对测量仪器及测量过程的影响。他们的实验数 据表明:Nnao 一 CMM 放置在恒温箱内时，如果其测量环境的温度变化在 0.11℃ 的情况下，仪器水平位置变化 30nm;而如果 Nna。一 CMM 不在恒温箱中时，当 温度变化了.056℃，工作台会产生 180nm 的变形。由此可见纳米测量环境的建立 是对高精密测量具有重要的作用。 1.2.3 韩 国 BupE 的 超 高 精 度 eMMI ’ l 韩 国 BUpE(BillionthuneertaintyPreeisionEngineering) 施 UpCMM(UlrtaPrecisoinCMM)研究计划时也提出了设计制造小型的恒温恒湿抗振 洁结构，即绝热层、隔音层、真空层和测试层，控温目标要达到 20”C 士 0.001℃。 其研究表明:当温度变化 1℃的时候，由于系统的机械热变形所引起的相对不确定 度的误差就可以达到 10 一 sm。此外，温度的不稳定会导致空气折射率的变化， 从而使外差式双频激光干涉仪的额外误差达到 10 一 6m/℃。图 1 一 4 所示为 24 小时温度的波动与干涉仪相位变化曲线图。可见温度的漂移对测量精度有 在 实 。
    很大的影响 图 1 一 4 双频激光干涉仪温度漂移 为此其温度控制上采用的方案为多层小型箱式温度控制系统。如图 1 一 5。图 1 一 5BUPE 恒温箱结构图 可以看出其第一层箱体可以提供给整个仪器一个相对低波动性的温度环境。 其波动范围为 0.1℃。 第二层是作为控制环节的中间层。使用一个可以产生热量的马达，并在激光 光源上固定热管，以传递所产生的热量。这一层的温度波动范围为 0.01℃。 最后一层是工作核心层，在这一层内实现高精度的定位测量。其内部为真空环境。 所有的热量都从这个层内移走，最终达到 0.001℃的温度波动性。 整个的三层温度控制是一个系统化的控制过程，从而达到最终的控制目标。 另外，每一个隔离层上都镀膜并抽成真空状态，这样不仅可以隔热，同时也可以 达到隔声和隔振的功能。 1.3 课题研究目标及主要研究内容 1.3.1 高精密温度控制机理研究
    课题所要求的研究目标为恒温箱内温度的控制稳定性小于 0.05℃。 为实现对环境温度的高精密控制就必须研究高精密温度控制的理论及方 法。因此首先要着重研究高准确度的温度控制理论以及对温度实施高准确度的闭 坏控制技术，以利用先进可靠的控制算法来实现对温度的高精密控制。 1.3.2 测控系统的设计 由于整个温度控制系统必须有很多的仪器组成，如制冷器、温度传感器以 及控制器组成，其中有很多的数据采集、处理以及输出通讯功能，所以必须设计 一个先进的智能人性化的测控系统来协调各个部分，包括各种器件的选择以及信 号调理电路的设计等。 1.3.3 实验研究 最后以一个恒温箱为实验对象，利用 Lbaview 和 Matalb 软件对几种控制算 法进行评定，通过分析实验数据判_断各个控制算法的效果。 第二章 PID 控制及模糊控制概述 2.1PID 控制概述 PID(比例 Pproportional、积分 1Integral 和微分 DDerivative)控制方法是经典控 制算法中的典型代表。在实际的过程控制和运动控制中，PID 家族占有相当的地 位。据统计，工业控制的控制器中 PID 类占有 90%以上。PID 控制策略是最早发 展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，所以适用面很 广，使用也很方便简单。尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。然 而实际被控过程往往具有非线性、时变不确定性，难以建立精确的数学模型，应 用常规的 PID 控制算法不能达到理想的控制效果。随着计算机技术和智能控制理 论的发展为复杂动态不确定系统的控制提供了新的途径。2.1.1 模拟 PID 控制原理 模拟 PID 控制系统的原理框图如图 2 一 1 所示，系统由模拟 PID 控制器和被控对 象 组 . 成 理想的 PID 控制器根据给定值(rt)与实际输出值 c()t 构成的控制偏差：
    将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。其 控制规律为： 或写成传递函数的形式: G(s)=U(s)E(s)_K(l+上十 T，、、F、尸 r~“1 一含(2 一 3) 式中:Kp 是比例系数，Ti 是积分时间常数，Td 是微分时间常数。 简单说其比例、积分和微分环节的作用为: 比例环节:即时成比例的反应控制系统的偏差信号(e)t，偏差一旦产生，制器 立即动作以减小误差。 积分环节:主要作用是消除静差，提高系统的控制精度，积分作用的强弱取 决于积分时间常数 Ti, T1 越大，积分作用越弱，反之越强。 微分环节:能反应偏差信号的变化趋势(变化速率) 并能在偏差信号值变得太 大之前引入一个修正信号，从而减小系统的超调，加快系统的过渡过程，从而减 小调节时间。 2.1.2 数字 PID 控制原理 模拟 PID 控制器的输入输出量均为模拟量，如电压、电流。而当使用计算 机实现控制算法时其输出必须为数字离散量。所有首先必须将上述的 PID 控制 规律的连续形式变成离散形式, 然后才能编程实现。PID 控制器算法的离散形式 为: 或者; 式中： T K 采样周期 采样序号
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