基于平衡點(diǎn)增量模糊控制的水溫傳感器測控平臺設(shè)計(jì)

程登良， 蔣偉榮， 黃志文， 張 凱， 王衛(wèi)華

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院， 湖北 十堰 442002)

市場上缺乏較合適的發(fā)動機(jī)水溫傳感器測試標(biāo)定裝置。文獻(xiàn)[1]提出了汽車發(fā)動機(jī)熱敏電阻型水溫傳感器性能測試儀設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，體積不夠小巧，加熱開環(huán)控制不便精確控溫，不便作為測試標(biāo)定平臺。我們之前一直以簡易的實(shí)驗(yàn)器材來開發(fā) “發(fā)動機(jī)冷卻水溫傳感器”實(shí)驗(yàn)，用電熱壺加熱水來模擬發(fā)動機(jī)冷卻液，用手動調(diào)壓器結(jié)合玻璃溫度計(jì)控制溫度，某個(gè)溫度大致平穩(wěn)后再測量電阻值。實(shí)驗(yàn)過程繁瑣，尤其調(diào)溫不好掌控，且多個(gè)實(shí)驗(yàn)組同時(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)，容易噴灑水，安全性也不好把握。學(xué)生也不能直觀地認(rèn)識熱敏電阻的參數(shù)特性如靈敏度、線性度等，不便理解標(biāo)定的過程和標(biāo)定在系統(tǒng)中的作用，也不便于規(guī)模化、重復(fù)化實(shí)驗(yàn)。

針對傳統(tǒng)溫度模糊控制在逼近穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)過程中需要經(jīng)歷較長的調(diào)整時(shí)間這個(gè)缺點(diǎn)，提出了基于平衡點(diǎn)增量的溫度模糊控制策略，開發(fā)了結(jié)構(gòu)緊湊、測控方便的實(shí)驗(yàn)裝置，投入使用后效果良好?？蓱?yīng)用于水溫傳感器及汽車水溫儀表產(chǎn)品的標(biāo)定以及輸出特性、靈敏度、線性度、重復(fù)度等檢測[2]，可用于汽車電子專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)、相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)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(fā)動機(jī)冷卻水溫度工況采用內(nèi)嵌加熱棒的銅棒模擬實(shí)現(xiàn)。選擇片內(nèi)外設(shè)豐富的TI公司TMS320LF2407為主控芯片。選用國內(nèi)先進(jìn)的全數(shù)字A01型東風(fēng)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(fēng)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(shù)值可以實(shí)時(shí)地通過測量端口用萬用表測量，并結(jié)合玻璃溫度計(jì)、汽車儀表的水溫表以及上位PC機(jī)Labview開發(fā)的虛擬水溫表進(jìn)行多位一體的顯示。

圖1 測控平臺工作原理

2 硬件設(shè)計(jì)

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

圖2 測控平臺硬件設(shè)計(jì)

2.1 冷卻液溫度傳感器調(diào)理電路

溫度傳感器信號作為一個(gè)跟溫度相關(guān)的電阻接入水溫儀表B15端進(jìn)行溫度測量顯示，同時(shí)信號電壓也經(jīng)SW-IN插接端子送往DSP。通過外部輸入實(shí)驗(yàn)來確定其電壓范圍：在儀表的B15和B1端接入一個(gè)滑阻，儀表獨(dú)立供電。參數(shù)測量結(jié)果如表1所示。用一階線性插值得到T-R、T-V關(guān)系,見圖3，可以看出其變化趨勢關(guān)系。

當(dāng)電阻無窮大(即斷開)時(shí)，測得信號電壓為5 V，內(nèi)部AD模塊參考電壓為3.3 V，所以經(jīng)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(yùn)放阻抗匹配特性，減少了外接電路對儀表內(nèi)部傳感器調(diào)理電路的影響[6]。ADCIN15口并聯(lián)一個(gè)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(lián)一個(gè)自鎖按鈕開關(guān)，斷開時(shí)測量電阻，閉合時(shí)進(jìn)行在線閉環(huán)溫度調(diào)控、測量穩(wěn)態(tài)信號電壓。

表1 外接電阻測量結(jié)果

圖3 T-R、T-V一階線性插值關(guān)系圖

2.2 加熱棒驅(qū)動電路

實(shí)時(shí)測量溫度并與設(shè)定溫度比較后，利用DSP控制算法后經(jīng)過IOPE6，實(shí)時(shí)生成相應(yīng)的PWM波以驅(qū)動加熱棒。PWM波首先經(jīng)兩級反相器同相驅(qū)動后送往4N25型開關(guān)光耦U10進(jìn)行隔離驅(qū)動，去控制IRF540N型MOS管Q10的柵極，使JGX-5F型固態(tài)繼電器與地的通路進(jìn)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(hù)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(qū)動發(fā)光二極管在額定發(fā)光區(qū)間內(nèi)；R104為光耦輸出端匹配電阻，取值較大以確保光敏晶體管導(dǎo)通時(shí)工作在飽和狀態(tài)，同時(shí)R104也為MOS管Q10提供柵極偏置電壓，在光耦導(dǎo)通時(shí)開啟MOS管Q10，光耦不導(dǎo)通時(shí)起到下拉電阻的作用，防止懸浮電平誤導(dǎo)通MOS管；R105為限流及匹配電阻，確保MOS管Q10導(dǎo)通時(shí)工作在可變電阻區(qū)；反并的硅二極管D10起到續(xù)流二極管的作用，當(dāng)固態(tài)繼電器突然斷開時(shí)，生成的感生電勢能量通過續(xù)流二極管釋放，避免擊穿MOS管。

3 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.1 溫度傳感器標(biāo)定

根據(jù)NTC電阻負(fù)溫度特性，在溫度較高區(qū)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(zhuǎn)換值進(jìn)行誤差校正，即128個(gè)連續(xù)AD采樣數(shù)據(jù)用排序效率較高的希爾排序法進(jìn)行排序后，取中間32個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行求和平均，這樣使得AD輸出穩(wěn)定。然后再進(jìn)行分段線性擬合，去除系統(tǒng)誤差[7]。

其次開環(huán)手動調(diào)壓方式給加熱棒輸入工作電壓，穩(wěn)態(tài)時(shí)記錄對應(yīng)信號電壓值。得到標(biāo)定時(shí)的系列測量值，如表2示。

表2 溫度傳感器標(biāo)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(xiàng)式擬合，得到T-VD的擬合關(guān)系式：

250.1VD+191.8

(1)

對應(yīng)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(diǎn)增量的溫度模糊控制策略

JGX-5F為雙向晶閘管結(jié)構(gòu)，若要精細(xì)地輸出控制量，必須增加220 V過零檢測，配合精確的導(dǎo)通角輸入才能達(dá)到此目的[8-10]，這將增加系統(tǒng)的復(fù)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(nèi)正負(fù)共能導(dǎo)通100次，即1s內(nèi)有0～100個(gè)波頭可以進(jìn)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(nèi)預(yù)期控制導(dǎo)通的波頭數(shù)。實(shí)際控制中，除非PWM上升沿恰好在220 V交流電的過零點(diǎn)附近，否則導(dǎo)通的波頭數(shù)為m+1，雖然最多可能有1個(gè)波頭的誤差，但控制策略的魯棒性可以使其影響忽略不計(jì)。圖5顯示了m=2時(shí)晶閘管導(dǎo)通情況。

圖5 m=2時(shí)雙向晶閘管導(dǎo)通情況

經(jīng)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(jìn)行溫度控制決策，由于系統(tǒng)慣性較大，在逼近穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)過程中，需要經(jīng)歷較長的探尋調(diào)整時(shí)間[11]，尤其作為衡量溫度變化趨勢的ec，因?yàn)閼T性延遲而較大滯后于輸入控制量。這樣在調(diào)節(jié)過程中容易引起系統(tǒng)過沖、穩(wěn)態(tài)誤差大等缺點(diǎn)。為提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度、減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，可以在開環(huán)實(shí)驗(yàn)確定系統(tǒng)輸出平衡點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行增量模糊控制。

首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)，溫度T范圍劃分為12個(gè)段Ti。開環(huán)送占空比為mi%的PWM波形，穩(wěn)態(tài)后得到每個(gè)溫度段大致需要的波頭數(shù)mi，此即平衡點(diǎn)粗估值，如表3中所示。各溫度段基本平衡點(diǎn)的事先確定，能為后續(xù)輸出量的合理取值提供確切參考。當(dāng)前溫度Tt屬于上述的某個(gè)溫度段Ti時(shí)，對應(yīng)波頭數(shù)為mi。表3是室溫為23 ℃時(shí)的結(jié)果，所以后續(xù)輸出將根據(jù)具體室溫進(jìn)行修正。

表3 室溫為23 ℃時(shí)平衡點(diǎn)波頭數(shù)粗估值

然后將溫度偏差e(T)模糊化為7個(gè)區(qū)間(記為E)，偏差率ec(T)模糊化為7個(gè)區(qū)間(記為EC)，模糊集論域都為[-6,6]。設(shè)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(shí)驗(yàn)中溫度運(yùn)行特性建立的模糊規(guī)則見表4。

表4 控制規(guī)則表

隸屬函數(shù)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(quán)系數(shù)kU模糊化的輸出U，U論域?yàn)閇-1,1]。設(shè)模糊控制器輸出平衡點(diǎn)加權(quán)系數(shù)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(diǎn)加權(quán)系數(shù)kU，即：

(4)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定kUmin=-1，kUmax=5，代入上式得

kU=2+3U

(5)

最終波頭數(shù)m輸出為

m=miKT(1+kU)

(6)

其中，mi為當(dāng)前溫度Tt屬于上述的某個(gè)溫度段Ti時(shí)對應(yīng)的平衡點(diǎn)波頭數(shù)，kU為某個(gè)偏差區(qū)間內(nèi)結(jié)合偏差率、模糊推導(dǎo)出的基于平衡點(diǎn)的加權(quán)系數(shù)。KT為室溫溫度修正系數(shù)。

根據(jù)模糊控制規(guī)則表，kU的加權(quán)原則是：在欠溫遠(yuǎn)離平衡區(qū)域時(shí)kU取值較大，特別當(dāng)欠溫偏差屬于NB區(qū)間時(shí)，kU取最大值5，這時(shí)最終輸出由公式(6)得到波頭數(shù)m為6mikT；在超溫遠(yuǎn)離平衡區(qū)域時(shí)kU取值較小，特別當(dāng)超溫偏差屬于PB區(qū)間時(shí)，kU取最小值-1，這時(shí)最終輸出波頭數(shù)m為0；在平衡區(qū)域時(shí)偏差屬于ZO區(qū)間，kU取值在0附近，這時(shí)最終輸出波頭數(shù)m在mikT附近。其他區(qū)間則需要結(jié)合偏差率對應(yīng)的控制規(guī)則表進(jìn)行取值。

KT作為室溫溫度修正系數(shù)是為了考慮環(huán)境溫度對系統(tǒng)散熱的影響。KT的加權(quán)原則是：假設(shè)在環(huán)境溫度為23 ℃時(shí)開環(huán)送占空比得到了平衡點(diǎn)粗估值。當(dāng)初始態(tài)是從低于35 ℃開始，一般室內(nèi)環(huán)境溫度不會高于35 ℃，所以認(rèn)為初始溫度即為環(huán)境溫度T0；否則若初始溫度大于35 ℃，則認(rèn)為是在加熱棒沒有完全冷卻時(shí)重新啟動，屬于熱啟動，則默認(rèn)環(huán)境溫度T0=23 ℃。后種情況會引入一定的環(huán)境溫度誤差、影響上升曲線，但模糊控制系統(tǒng)的魯棒性會最終使溫度進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。這樣處理就省略了環(huán)境溫度檢測傳感器。由于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)散熱率與設(shè)定溫度TS和環(huán)境溫度T0的梯度相關(guān)，則

(7)

顯然，環(huán)境溫度T0越高，KT越小，反之KT越高。當(dāng)T0=23 ℃時(shí)，KT=1。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6是用labview開發(fā)的上位機(jī)上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果界面。通過對話框或旋鈕輸入的設(shè)定溫度，實(shí)驗(yàn)過程中能直觀地看到溫度響應(yīng)記錄曲線和溫度設(shè)定曲線的吻合程度。右側(cè)的虛擬溫度計(jì)也可以直觀地顯示當(dāng)前溫度值，并對照實(shí)際的汽車水溫儀表、傳感器所在銅棒小孔放置溫度計(jì)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(wěn)態(tài)時(shí)水溫傳感器的當(dāng)前信號電壓及電阻值，結(jié)合測量溫度進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)際水溫表、虛擬溫度計(jì)、玻璃溫度計(jì)、萬用表等多種測量方式保證了測量的可靠性。為了測量數(shù)據(jù)的記錄連續(xù)性、完整性，上位機(jī)實(shí)時(shí)把下位機(jī)送來的測量結(jié)果保存到實(shí)驗(yàn)者預(yù)先設(shè)置路徑里面的Excel文件里，便于操作者進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。實(shí)驗(yàn)完成后，可以右鍵保存提取的實(shí)驗(yàn)過程曲線。從記錄曲線可以看到，通過DSP的基于平衡點(diǎn)的增量模糊控制調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)臺能夠較快的達(dá)到期望水溫，且超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)誤差小于0.5%。

圖6 溫度實(shí)驗(yàn)界面

5 結(jié)束語

該測控平臺人機(jī)界面友好，操作簡單方便，可進(jìn)行溫度傳感器參數(shù)測量與標(biāo)定、調(diào)理及驅(qū)動電路設(shè)計(jì)、控制策略驗(yàn)證、儀表技術(shù)研究等，不僅能滿足相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也是很好的畢業(yè)設(shè)計(jì)和課余電子設(shè)計(jì)應(yīng)用的實(shí)踐平臺。針對傳統(tǒng)溫度模糊控制在逼近穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)過程中需要經(jīng)歷較長的探尋調(diào)整時(shí)間這個(gè)缺點(diǎn)，提出了基于平衡點(diǎn)增量的溫度模糊控制策略，并考慮了環(huán)境溫度梯度影響。在相應(yīng)的溫度控制平臺上進(jìn)行了算法設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。實(shí)際測試表明，控制效果良好，魯棒性強(qiáng)，該控制策略可適合慣性較大系統(tǒng)的動態(tài)控制。

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