X射線熒光光譜儀恒溫控制模塊設(shè)計(jì)

謝 鵬，麻 碩，黨紅文

（冶金自動化研究設(shè)計(jì)院，北京 100071）

高精度的溫度控制是波譜-能譜X射線熒光光譜儀的關(guān)鍵技術(shù)之一，提高恒溫精度有助于提高光譜儀的性能。光譜儀檢測被測量時(shí)需要精確定位，而能精確定位的前提是保持轉(zhuǎn)角儀等各設(shè)備的高度穩(wěn)定。設(shè)備在不同的溫度環(huán)境下彈性形變會發(fā)生變化，當(dāng)檢測同一個(gè)被測量時(shí)，不同的溫度會使轉(zhuǎn)角儀的角度發(fā)生改變，從而影響反射光譜的強(qiáng)度，導(dǎo)致不同的檢測結(jié)果。因此需要一個(gè)高精度高穩(wěn)定度的恒溫控制系統(tǒng)來提高設(shè)備的測量精度。本文提出了一種基于TMS320F28335控制芯片，結(jié)合PIDFuzzy控制算法的設(shè)計(jì)，使熒光光譜儀的控制目標(biāo)溫度為36℃，控制精度為±0.1℃，目前該系統(tǒng)正處于試驗(yàn)階段。

設(shè)計(jì)高精度恒溫控制系統(tǒng)必須注意[1]：①熱敏元件精度高；②前置放大電路保持高輸入阻抗；③控制算法穩(wěn)態(tài)誤差小穩(wěn)定度高；④執(zhí)行器靈敏度高；⑤系統(tǒng)的熱結(jié)構(gòu)合理。

1 高精度恒溫控制系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)

1.1 溫控模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

溫控模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)總的結(jié)構(gòu)可分為測溫和控溫兩個(gè)模塊。

圖1 溫控模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of system control module

溫度測量電路采用PT1000鉑電阻傳感器，采集到的溫度信號經(jīng)測量轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為電信號，信號經(jīng)處理后作為控制芯片的輸入量。輸入量和設(shè)定量進(jìn)行差值預(yù)算，最終決定是選用PID控制還是模糊控制。利用控制算法的控制量可調(diào)節(jié)輸出量PWM波形的占空比，通過改變PWM波形占空比來調(diào)節(jié)加熱電阻絲兩端的電壓。執(zhí)行器以加熱電阻絲為核心，結(jié)合調(diào)壓驅(qū)動電路，可得到精確的執(zhí)行量，并且反應(yīng)迅速控制簡單。系統(tǒng)采用多點(diǎn)測溫和表面貼片技術(shù)，測溫準(zhǔn)確、反應(yīng)靈敏、結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)參數(shù)（分析精度0.01℃，控制精度0.1℃）。

1.2 測溫方案實(shí)現(xiàn)

測溫與轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。綜合考慮靈敏度、精準(zhǔn)度、線性度、傳導(dǎo)方式等因素，本系統(tǒng)選用正溫度系數(shù)的貼片式PT1000鉑電阻作為溫度傳感器。為了充分利用PT1000鉑電阻的優(yōu)良特性，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的測溫與轉(zhuǎn)換電路。利用基準(zhǔn)電壓電路和恒流源電路生成精準(zhǔn)的0.5 mA的恒流源，誤差為0.1%，很大程度上減小了電阻的自熱誤差。改造傳統(tǒng)的橋式測量電路，利用單臂橋式測溫電路和差動放大電路相結(jié)合得到輸出電壓。使輸出電壓和環(huán)境溫度保持高度的線性關(guān)系。

圖2 測溫與轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Temperature and conversion circuit diagram

1.3 控溫方案實(shí)現(xiàn)

1.3.1 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

系統(tǒng)的執(zhí)行器發(fā)熱電阻絲和測溫傳感器都存在慣性作用，系統(tǒng)建模如圖 3所示[2]。Go（s）為受控對象發(fā)熱電阻絲；Gc（s）為 PID-Fuzzy 控制部件；Gp（s）為輔助部件；H（s）為反饋系數(shù)，由PT1000鉑電阻溫度傳感器充當(dāng)；R（s）為設(shè)定的溫度值 36 ℃；Y（s）為實(shí)際輸出量。

圖3 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram for mathematical model of the system

1.3.2 PID-Fuzzy控制

Fuzzy-PID復(fù)合控制是模糊技術(shù)與常規(guī)PID控制算法相結(jié)合，以達(dá)到較高的控制精度[3]。當(dāng)溫度偏差較大時(shí)采用Fuzzy控制，響應(yīng)速度快，動態(tài)性能好；當(dāng)溫度偏差較小時(shí)采用PID控制，滿足系統(tǒng)控制精度要求。因此它比單個(gè)的模糊控制器和單個(gè)的PID調(diào)節(jié)器均有更好的控制性能。

PID數(shù)學(xué)模型表達(dá)式[4]為式中：Kp為比例系數(shù)；Ti為積分系數(shù)；Td為微分系數(shù)。

PID控制編程表達(dá)式為

式中：Kp=為比例系數(shù)；Ki=Kp為積分系數(shù)；Kd=Kp為微分系數(shù)。

模糊控制原理如圖4所示[5]。以溫度的誤差值（error）和誤差值的變化量（deviation）作為輸入，經(jīng)模糊量化后（Fuzzy quantifying）得到兩個(gè)模糊量E和EC。通過建立好的模糊控制規(guī)則（control rules）對模糊量進(jìn)行處理可得到模糊控制量（Fuzzy control volume）。最后經(jīng)過模糊判決（Fuzzy decision）得到精確的控制量。

圖4 模糊控制原理圖Fig.4 PID control principle diagram

模糊控制器得以實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵在于模糊控制器的設(shè)計(jì)，模糊控制器的關(guān)鍵在于模糊控制規(guī)則[6]。選取控制量變化的原則是：當(dāng)偏差較小時(shí)，選擇控制量要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點(diǎn)；當(dāng)偏差大或較大時(shí)，選擇控制量以盡快消除偏差為主。偏差為正時(shí)與偏差為負(fù)時(shí)相同。建立控制規(guī)則如表1所示。

表1 控制規(guī)則Tab.1 Control rules principle

采用面積重心法將控制器的模糊輸出去模糊化，得到加熱控制器的占空比的增量輸出。

式中：Hi為每一規(guī)則輸出面積的高；CUi為重心的橫坐標(biāo)。在這里控制輸出部分，采用單值函數(shù)作為隸屬度函數(shù)，面積重心的橫坐標(biāo)是每個(gè)語言值對應(yīng)的橫坐標(biāo)值。

1.3.3 調(diào)壓驅(qū)動電路

工頻220 V電壓頻率為50 Hz，如果把發(fā)熱電阻絲接在工頻電壓上，1 s內(nèi)即可導(dǎo)通50個(gè)正弦波的電壓。假設(shè)在一個(gè)控制周期內(nèi)（Control cycle），存在部分時(shí)間發(fā)熱電阻絲導(dǎo)通而部分時(shí)間發(fā)熱電阻絲關(guān)斷，那么在一個(gè)控制周期內(nèi)電阻絲的發(fā)熱功率即由導(dǎo)通時(shí)間來控制。如圖5所示，利用生成的PWM波形，把控制周期設(shè)定為1 s，高電平設(shè)定為導(dǎo)通區(qū)間（Conduction interval），通過改變占空比即可控制發(fā)熱電阻絲的功率。

圖5 PWM波形控制原理圖Fig.5 PWM waveform control principle diagram

2 恒溫控制系統(tǒng)的應(yīng)用

恒溫控制系統(tǒng)的目標(biāo)就是使光譜儀腔體內(nèi)的溫度恒定，為了完成這一工作，控制系統(tǒng)需要根據(jù)實(shí)際很好地與被控對象相結(jié)合。如圖6所示，恒溫腔體是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、內(nèi)含大量精密設(shè)備的腔體，體積約0.7 m3。考慮到熱傳導(dǎo)延時(shí)和特定的結(jié)構(gòu)等因素，需要對腔體的不同位置進(jìn)行溫度采集。采用PT1000貼片式溫度傳感器嵌入在腔體的外殼中，保證良好的溫度傳導(dǎo)，并且在箱體外殼內(nèi)部也分布多個(gè)傳感器。在控制過程中，利用發(fā)熱電阻絲對腔體進(jìn)行升溫，利用內(nèi)部小功率風(fēng)扇進(jìn)行均熱，根據(jù)控制算法來調(diào)節(jié)電阻絲的發(fā)熱量。由于恒溫精度高，傳感器反應(yīng)靈敏，在控制時(shí)容易出現(xiàn)溫度波動。這時(shí)要求給各個(gè)位置的傳感器設(shè)定一個(gè)權(quán)值，把最終的判定值作為反饋量，利用腔體自身的溫度傳導(dǎo)延遲，可緩和溫度的小幅度波動。當(dāng)溫度達(dá)到平衡時(shí)保證內(nèi)部發(fā)熱量和箱體外殼的散熱量相等。

圖6 模塊應(yīng)用原理圖Fig.6 Module principle diagram

3 實(shí)驗(yàn)與分析

執(zhí)行器發(fā)熱電阻絲接工頻電壓時(shí)，功率為500W。在溫差大于0.5℃時(shí)采用模糊控制，溫差小于0.5℃時(shí)采用PID控制。為了使在目標(biāo)溫度36℃時(shí)盡可能小地產(chǎn)生波動，對PID產(chǎn)生的控制量進(jìn)行嚴(yán)格限定，經(jīng)過多次調(diào)試得到良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

TMS320F28335芯片采樣后，利用線性擬合標(biāo)定得到相應(yīng)的溫度值。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，進(jìn)行短期溫控精度測量。以1 min為基準(zhǔn)，測量1 h，共獲得60個(gè)測量數(shù)據(jù)。最大溫度值為36.05882℃，最小溫度值為35.96973℃，平均值為36.01049℃，均方誤差為6.31×10-4℃。很好地把溫度誤差控制在0.1℃以內(nèi)，達(dá)到預(yù)期控制精度要求。

為測量系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性，以10 min為基準(zhǔn)，測量10 h，共獲得60個(gè)測量數(shù)據(jù)。最大溫度值為36.05956℃，最小溫度值為35.96469℃，平均值為36.01287℃，均方誤差為6.43×10-4℃。在長時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)保持了良好的穩(wěn)定性，達(dá)到指標(biāo)要求。

為測量系統(tǒng)的抗干擾性，在系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)打開箱體外殼，使箱體內(nèi)部溫度下降至室溫，然后封閉箱體讓系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。升溫時(shí)間約1 min，調(diào)節(jié)時(shí)間5 min，超調(diào)量4.17%。經(jīng)多次測量證實(shí)了系統(tǒng)的抗干擾性。

4 結(jié)語

經(jīng)多次試驗(yàn)論證，恒溫控制模塊在波譜-能譜復(fù)合型X熒光光譜分析儀內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，達(dá)到了恒溫控制要求，為設(shè)備的運(yùn)行提供了良好的恒溫條件。

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[2] 楊孟琢.反饋放大器的穩(wěn)定性理論及應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，1992.

[3] 劉紅波.一種新型模糊-PID復(fù)合控制器的設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用[C]//第二十一屆中國控制會議論文集，2002.

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