基于平衡點增量模糊控制的水溫傳感器測控平臺設計

程登良， 蔣偉榮， 黃志文， 張 凱， 王衛華

(湖北汽車工業學院 電氣與信息工程學院， 湖北 十堰 442002)

市場上缺乏較合適的發動機水溫傳感器測試標定裝置。文獻[1]提出了汽車發動機熱敏電阻型水溫傳感器性能測試儀設計方案，結構較復雜，體積不夠小巧，加熱開環控制不便精確控溫，不便作為測試標定平臺。我們之前一直以簡易的實驗器材來開發 “發動機冷卻水溫傳感器”實驗，用電熱壺加熱水來模擬發動機冷卻液，用手動調壓器結合玻璃溫度計控制溫度，某個溫度大致平穩后再測量電阻值。實驗過程繁瑣，尤其調溫不好掌控，且多個實驗組同時實驗時，容易噴灑水，安全性也不好把握。學生也不能直觀地認識熱敏電阻的參數特性如靈敏度、線性度等，不便理解標定的過程和標定在系統中的作用，也不便于規模化、重復化實驗。

針對傳統溫度模糊控制在逼近穩態的調節過程中需要經歷較長的調整時間這個缺點，提出了基于平衡點增量的溫度模糊控制策略，開發了結構緊湊、測控方便的實驗裝置，投入使用后效果良好。可應用于水溫傳感器及汽車水溫儀表產品的標定以及輸出特性、靈敏度、線性度、重復度等檢測[2]，可用于汽車電子專業的實踐教學、相關技術培訓等。

1 測控平臺工作原理

圖1為測控平臺工作原理框圖。其中發動機冷卻水溫度工況采用內嵌加熱棒的銅棒模擬實現。選擇片內外設豐富的TI公司TMS320LF2407為主控芯片。選用國內先進的全數字A01型東風小霸王輕型車組合儀表[3]。與A01型汽車儀表配套,采用了東風襄樊儀表有限公司的NTC型熱敏電阻式冷卻液溫度傳感器(3825A01—010型)[4-5]。溫度傳感器的參數值可以實時地通過測量端口用萬用表測量，并結合玻璃溫度計、汽車儀表的水溫表以及上位PC機Labview開發的虛擬水溫表進行多位一體的顯示。

圖1 測控平臺工作原理

2 硬件設計

外圍硬件電路由DSP主控芯片基礎上的NTC型熱敏電阻式冷卻液溫度傳感器調理電路和加熱棒驅動電路組成，如圖2所示。

圖2 測控平臺硬件設計

2.1 冷卻液溫度傳感器調理電路

溫度傳感器信號作為一個跟溫度相關的電阻接入水溫儀表B15端進行溫度測量顯示，同時信號電壓也經SW-IN插接端子送往DSP。通過外部輸入實驗來確定其電壓范圍：在儀表的B15和B1端接入一個滑阻，儀表獨立供電。參數測量結果如表1所示。用一階線性插值得到T-R、T-V關系,見圖3，可以看出其變化趨勢關系。

當電阻無窮大(即斷開)時，測得信號電壓為5 V，內部AD模塊參考電壓為3.3 V，所以經過兩次反相比例電路得到0.6倍的信號電壓，送往DSP的AD口。比例運放阻抗匹配特性，減少了外接電路對儀表內部傳感器調理電路的影響[6]。ADCIN15口并聯一個0.1 μF的小電容，起到濾除干擾雜波的作用。在信號輸出端串聯一個自鎖按鈕開關，斷開時測量電阻，閉合時進行在線閉環溫度調控、測量穩態信號電壓。

表1 外接電阻測量結果

圖3 T-R、T-V一階線性插值關系圖

2.2 加熱棒驅動電路

實時測量溫度并與設定溫度比較后，利用DSP控制算法后經過IOPE6，實時生成相應的PWM波以驅動加熱棒。PWM波首先經兩級反相器同相驅動后送往4N25型開關光耦U10進行隔離驅動，去控制IRF540N型MOS管Q10的柵極，使JGX-5F型固態繼電器與地的通路進行通斷控制，從而控制加熱棒與220 V交流電的通斷。

其中R101為下拉電阻，避免懸浮電平造成的誤開操作；R102為限流電阻，保護IOPE6口以防拉電流過大；R103為限流匹配電阻，確保光耦U10的輸入電流驅動發光二極管在額定發光區間內；R104為光耦輸出端匹配電阻，取值較大以確保光敏晶體管導通時工作在飽和狀態，同時R104也為MOS管Q10提供柵極偏置電壓，在光耦導通時開啟MOS管Q10，光耦不導通時起到下拉電阻的作用，防止懸浮電平誤導通MOS管；R105為限流及匹配電阻，確保MOS管Q10導通時工作在可變電阻區；反并的硅二極管D10起到續流二極管的作用，當固態繼電器突然斷開時，生成的感生電勢能量通過續流二極管釋放，避免擊穿MOS管。

3 下位機軟件設計

3.1 溫度傳感器標定

根據NTC電阻負溫度特性，在溫度較高區域，溫度-電阻曲線的坡度變化陡峭，信號電壓的稍許誤差就可能引起較大的溫度誤差。為此AD精度要盡可能高。首先采用中值平均濾波對AD轉換值進行誤差校正，即128個連續AD采樣數據用排序效率較高的希爾排序法進行排序后，取中間32個數據進行求和平均，這樣使得AD輸出穩定。然后再進行分段線性擬合，去除系統誤差[7]。

其次開環手動調壓方式給加熱棒輸入工作電壓，穩態時記錄對應信號電壓值。得到標定時的系列測量值，如表2示。

表2 溫度傳感器標定測量值

VD為AD口電壓，VD=0.6V。用最小二乘法原理，采用4次多項式擬合，得到T-VD的擬合關系式：

250.1VD+191.8

(1)

對應的擬合曲線圖如圖4所示。

圖4 T-VD擬合曲線圖

3.2 基于平衡點增量的溫度模糊控制策略

JGX-5F為雙向晶閘管結構，若要精細地輸出控制量，必須增加220 V過零檢測，配合精確的導通角輸入才能達到此目的[8-10]，這將增加系統的復雜程度。本方案采用更加簡潔易行的方案：雙向晶閘管在1 s內正負共能導通100次，即1s內有0～100個波頭可以進行自由支配。PWM輸出周期為1 s的波形，占空比為m%，m即為1 s內預期控制導通的波頭數。實際控制中，除非PWM上升沿恰好在220 V交流電的過零點附近，否則導通的波頭數為m+1，雖然最多可能有1個波頭的誤差，但控制策略的魯棒性可以使其影響忽略不計。圖5顯示了m=2時晶閘管導通情況。

圖5 m=2時雙向晶閘管導通情況

經典的模糊控制策略考慮誤差e和誤差變化率ec的輸入來進行溫度控制決策，由于系統慣性較大，在逼近穩態的調節過程中，需要經歷較長的探尋調整時間[11]，尤其作為衡量溫度變化趨勢的ec，因為慣性延遲而較大滯后于輸入控制量。這樣在調節過程中容易引起系統過沖、穩態誤差大等缺點。為提高系統調節速度、減小系統穩態誤差，可以在開環實驗確定系統輸出平衡點的基礎上，進行增量模糊控制。

首先根據實驗，溫度T范圍劃分為12個段Ti。開環送占空比為mi%的PWM波形，穩態后得到每個溫度段大致需要的波頭數mi，此即平衡點粗估值，如表3中所示。各溫度段基本平衡點的事先確定，能為后續輸出量的合理取值提供確切參考。當前溫度Tt屬于上述的某個溫度段Ti時，對應波頭數為mi。表3是室溫為23 ℃時的結果，所以后續輸出將根據具體室溫進行修正。

表3 室溫為23 ℃時平衡點波頭數粗估值

然后將溫度偏差e(T)模糊化為7個區間(記為E)，偏差率ec(T)模糊化為7個區間(記為EC)，模糊集論域都為[-6,6]。設e(T)的范圍為(e(T)min,e(T)max)，ec(T)的范圍為(ec(T)min,ec(T)max)，通過線性變換使它們的范圍歸一化到論域[-6,6]，即：

(2)

(3)

由實驗中溫度運行特性建立的模糊規則見表4。

表4 控制規則表

隸屬函數采用對稱均勻分布全交疊的三角形形式[12]，采用“最大隸屬度”方法求解加權系數kU模糊化的輸出U，U論域為[-1,1]。設模糊控制器輸出平衡點加權系數kU的范圍為(kUmin,kUmax)，通過線性變換去模糊化，得到模糊決策的平衡點加權系數kU，即：

(4)

根據實驗確定kUmin=-1，kUmax=5，代入上式得

kU=2+3U

(5)

最終波頭數m輸出為

m=miKT(1+kU)

(6)

其中，mi為當前溫度Tt屬于上述的某個溫度段Ti時對應的平衡點波頭數，kU為某個偏差區間內結合偏差率、模糊推導出的基于平衡點的加權系數。KT為室溫溫度修正系數。

根據模糊控制規則表，kU的加權原則是：在欠溫遠離平衡區域時kU取值較大，特別當欠溫偏差屬于NB區間時，kU取最大值5，這時最終輸出由公式(6)得到波頭數m為6mikT；在超溫遠離平衡區域時kU取值較小，特別當超溫偏差屬于PB區間時，kU取最小值-1，這時最終輸出波頭數m為0；在平衡區域時偏差屬于ZO區間，kU取值在0附近，這時最終輸出波頭數m在mikT附近。其他區間則需要結合偏差率對應的控制規則表進行取值。

KT作為室溫溫度修正系數是為了考慮環境溫度對系統散熱的影響。KT的加權原則是：假設在環境溫度為23 ℃時開環送占空比得到了平衡點粗估值。當初始態是從低于35 ℃開始，一般室內環境溫度不會高于35 ℃，所以認為初始溫度即為環境溫度T0；否則若初始溫度大于35 ℃，則認為是在加熱棒沒有完全冷卻時重新啟動，屬于熱啟動，則默認環境溫度T0=23 ℃。后種情況會引入一定的環境溫度誤差、影響上升曲線，但模糊控制系統的魯棒性會最終使溫度進入穩態。這樣處理就省略了環境溫度檢測傳感器。由于系統穩態時散熱率與設定溫度TS和環境溫度T0的梯度相關，則

(7)

顯然，環境溫度T0越高，KT越小，反之KT越高。當T0=23 ℃時，KT=1。

4 實驗結果

圖6是用labview開發的上位機上的實驗結果界面。通過對話框或旋鈕輸入的設定溫度，實驗過程中能直觀地看到溫度響應記錄曲線和溫度設定曲線的吻合程度。右側的虛擬溫度計也可以直觀地顯示當前溫度值，并對照實際的汽車水溫儀表、傳感器所在銅棒小孔放置溫度計的溫度值來觀測模擬水溫。操作者通過溫度測量端子用萬用表測量穩態時水溫傳感器的當前信號電壓及電阻值，結合測量溫度進行標定。實際水溫表、虛擬溫度計、玻璃溫度計、萬用表等多種測量方式保證了測量的可靠性。為了測量數據的記錄連續性、完整性，上位機實時把下位機送來的測量結果保存到實驗者預先設置路徑里面的Excel文件里，便于操作者進行后續數據處理。實驗完成后，可以右鍵保存提取的實驗過程曲線。從記錄曲線可以看到，通過DSP的基于平衡點的增量模糊控制調節，實驗臺能夠較快的達到期望水溫，且超調量小，穩態誤差小于0.5%。

圖6 溫度實驗界面

5 結束語

該測控平臺人機界面友好，操作簡單方便，可進行溫度傳感器參數測量與標定、調理及驅動電路設計、控制策略驗證、儀表技術研究等，不僅能滿足相關的實驗教學，也是很好的畢業設計和課余電子設計應用的實踐平臺。針對傳統溫度模糊控制在逼近穩態的調節過程中需要經歷較長的探尋調整時間這個缺點，提出了基于平衡點增量的溫度模糊控制策略，并考慮了環境溫度梯度影響。在相應的溫度控制平臺上進行了算法設計和驗證。實際測試表明，控制效果良好，魯棒性強，該控制策略可適合慣性較大系統的動態控制。

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