一、课题背景： 医疗仪器中的温度控制器 在医疗仪器中，对人体生物组织的活性测量必须在与人的体温相同的恒温环境中进行。 并且对于温度的准确度和稳定性均有较高的要求。然而由于医疗仪器本身的构造，要求温度 控制器的体积较小。且需要恒温的空间保温条件不太好，易受环境温度影响。以 89c52 单 片机为核心的温度控制系统可实现上述环境的温度控制。本文通过对该系统进行分析，建立 数学模型，推导该系统的状态空间方程，分析系统的能控能观性，并给出相关控制方案。 二、硬件系统： 键 盘 输 入 液 晶 显 示 89c52 单 片机 加 热 冷 却 单 元 恒 温 箱 前置放大抗混滤 波器 温 度 检 测 硬件系统结构图 温度传感器测量恒温箱内的温度，产生的信号经前置放大器和抗混滤波器后作为反馈信 号输出给单片机。单片机通过对信号进行采样和数字化处理后，一方面通过液晶显示恒温箱 内的温度，另一方面通过一定的控制算法输出信号控制加热冷却单元给恒温箱输入热量，使 恒温箱温度稳定在用户键盘输入目标温度上。 三、数学模型 设加热冷却单元、 恒温箱、 温度传感器、 前置放大器与抗混滤波器的传递函数分别  t  2  1 为 G1、 G2、 G3、 G4。均可假设为一阶惯性环节。 )( sTG u )( su )( sT )( sT u )( su 1 )( sT )( su 1 )( sT K 1 st  1 K 2  2 K 3 st  3 K 3 st  3 1 G        G   G   3 3      1 1 1 式中 )(tu 为单片机输出的控制信号； )(tTu 为加热冷却单元输出的热风温度； )(tT 为恒温箱 内的温度； )(1 tu 为温度传感器输出的信号； K4 为比例系数，t1、t2、t3、t4 为时间常数。 )(2 tu 抗混滤波器输出的信号。K1、K2、K3、 

这里取        1 2 1K  K 2  1K  1K  3 4 ， 2 t  1  t   t  3  t  4 30  180  6.14  1.0  。  故状态空间方程为 1 30 1 180 0 0   T  u   T   u  1   u                     x   2  0 1 180 1 6.14 0 0 0 1 6.14 10 0 0 0 10            T  u  T   u 1  u  2        1 30 0 0 0                )( tu  Ax  Bu 输出方程为 y     )( ty 1 )( ty 2    0010 1000       T  u  T   u 1  u  2        Cx 四、系统能控能观性分析 利用 Matlab，输入控制矩阵、输入矩阵、输出矩阵，得到能控矩阵和能观矩阵如下： 根据能控矩阵和能观矩阵都为满秩矩阵可知系统完全能控且能观。这表示可使用一定的 控制算法通过单片机输入信号使恒温箱保持在目标温度上。同时也可观测到恒温箱的温度并 将其在显示器上输出。 

五、系统的稳定性： 利用李雅普诺夫第一法确定系统的稳定性。求得状态矩阵的 A 的特征值为   1    2    3    4 由 A 的特征值均为负，可知系统是渐进稳定的。 0685 0056 0333     10 .0 .0 .0 六、状态的观测： 由输出信号 u2 估计状态 T，将状态空间方程离散化可得： tt 43 2 T s 2 tt 43 2 T s  T s   u    u           1  t t 3 4 t t   1 T k        T s tt 43 2 T s 式中：Ts 为采样周期。  ,2 k ,2 k 3 4   u  ,2 k  2     / KK 3 4 七、控制方案： 一种常用的控制方案是在目标温度区间内设置多个温度段。控制信号 u 与测量值 u2 的 关系为 式中 Tmax、Tmin 分别为加热冷却单元输出热风的最高最低温度，u2*为目标温度 Td 所对应的 测量值。Δ是设置的比例区间范围。 当Δ值较大时，温度可以较快稳定，但是最终温度受加热的最高温度和冷却的最低温度 影响较大，最终温度不准。当Δ值较小时，最终温度较准确，但过渡过程较长，且当Δ值过 小时，将出现较大幅度的振荡。因此可通过对系统的数学模型进行仿真，选择使值最小的Δ 最佳值。 为了利用Δ较大时系统温度的稳定性又同时使最终温度较准确，引入一个修正参数δ。 修正后的控制方案如下： 

该控制方案的系统方块图下图所示： 八、总结 此次大作业，首先是对课本知识全面复习巩固的过程，使得我们对于课本知识有更加深 入的理解，其次是对课题相关知识的查阅与探索的过程，使得我们有机会将课本知识与课题 知识紧密的联系起来。更重要的是，在完成大作业的过程中，通过课内课外与同学的交流， 我有机会进一步拓宽自己知识，欣赏同学的作品，看到自己与他们之间的差距，增加了自己 的紧迫感。总之，这种形式的大作业使我受益匪浅。