胡志偉，任仁良

（中國民航大學(xué) a.航空自動化學(xué)院；b.執(zhí)照考試管理中心，天津 300300）

由于航空電瓶的充放電特性與溫度有關(guān)，因此多數(shù)航空電瓶安裝溫度控制元件，以防止電瓶超溫充放電而損壞電瓶或低溫放電時造成電瓶輸出容量不足；超溫時停止給電瓶充電，低溫時為電瓶加熱，以提高充電效率和放電容量。溫度傳感器主要有兩種：一種是熱敏開關(guān)（超溫和低溫），另一種是熱敏電阻。溫度傳感器需要定期校驗。

以SAFT40176-7電瓶上的傳感器為例，它是由超溫開關(guān)和低溫開關(guān)組成。目前，國內(nèi)各航空公司檢測該溫度傳感器的方法是利用歐姆表檢測其通斷。根據(jù)CMM手冊規(guī)定，檢測過程中有4個溫度點需恒定5 min，分別是60℃（超溫開關(guān)閉合值）、51.6℃（超溫開關(guān)打開值），-1.1℃（低溫開關(guān)閉合值）、10℃（低溫開關(guān)打開值）[1]。而調(diào)節(jié)這4個恒溫點的方法是人工兌入冷、熱水并不斷目測溫度計來達到，其中-1.1℃這個溫度點需要加入干冰來調(diào)整。

從上述測試過程可以看出，傳統(tǒng)方法不但十分繁瑣，而且難以達到準(zhǔn)確度，人為因素不可避免。為此，需要研制一臺航空電瓶溫度傳感器校驗儀，以滿足溫度傳感器精確校驗需要。

實際使用表明，該溫度傳感器校驗儀可以全自動地校驗出CMM手冊中要求的各溫度點傳感器的動作情況，并且具有很高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。

1 校驗儀整體設(shè)計方案

該校驗儀的設(shè)計主要分兩個部分。一部分是半導(dǎo)體制冷制熱阱的設(shè)計，它將半導(dǎo)體制冷制熱片安裝在阱的周圍。制冷時，冷端吸熱使阱內(nèi)部溫度降低，熱端通過散熱片和直流風(fēng)扇將吸收的熱量散出；制熱時，冷端發(fā)熱以達到加熱的目的。另一部分是溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計，它以STC89C58單片機為控制核心，輔以溫度采樣電路、溫度傳感器檢測電路和電流輸出電路對半導(dǎo)體制冷制熱器件進行控制。溫度控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制形式，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。具體工作過程為：將溫度設(shè)定值與溫度反饋值送入控制電路，然后經(jīng)過軟件控制算法得到輸出控制量，輸出控制量通過PWM方式驅(qū)動DC－SSR對電流進行控制，電流的大小和方向決定制冷量或制熱量，從而控制被控對象的溫度。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Diagram of system structure

2 硬件設(shè)計

2.1 半導(dǎo)體制冷制熱器模型

半導(dǎo)體制冷又稱熱電制冷，其利用“賽貝克效應(yīng)”的逆效應(yīng)“珀耳帖效應(yīng)”達到制冷目的。其基本原理如圖2所示，它是由金屬板和1對電偶臂（由1塊P型半導(dǎo)體和1塊N型半導(dǎo)體構(gòu)成）組成的熱電偶。通上直流電后，電場使N中的電子和P中的空穴反向流動，它們產(chǎn)生的能量來自晶格的熱能，使得冷端的熱量被移到熱端，導(dǎo)致冷端溫度降低、熱端溫度升高。同理，若顛倒直流電源正負(fù)極，則冷、熱端顛倒，從而實現(xiàn)制熱功能[2－3]。

圖2 半導(dǎo)體制冷制熱原理示意圖Fig.2 Diagram of semiconductor refrigeration and heating theory

若流入（流出）半導(dǎo)體制冷制熱器件的熱量為Q，其向周圍散發(fā)（吸收）的熱量為Q0，則根據(jù)熱力學(xué)定律可得如下關(guān)系

式中：C是熱容量。

半導(dǎo)體制冷制熱器件溫度T的大小取決于電流流過時所產(chǎn)生的電功率，并且與電流i有非線性關(guān)系，若只考慮工作點附近的變化，可將其線性化處理。最終推出溫度T和電流i的傳遞函數(shù)形式為[4]

本系統(tǒng)中半導(dǎo)體制冷制熱器允許通過的最大電流Imax=25.0 A，最大電壓Vmax=5.0 V，最大制冷制熱量Qmax=125 W。受環(huán)境及熱損耗的影響，實際應(yīng)用中可調(diào)節(jié)的溫度范圍在－10～70℃之間。

2.2 溫度采集單元

本系統(tǒng)溫度采集單元所用的溫度傳感器為鉑電阻Pt100，它精度高、穩(wěn)定性好、應(yīng)用范圍廣，是中低溫（－200～600℃）最常用的一種溫度傳感器。如圖3所示，本系統(tǒng)中的鉑電阻（Rt）采用三線制接法接入電橋，可有效消除引線電阻和接觸電阻（r1、r2、r3）對溫度測量的影響。信號放大部分采用的是ANALOG DEVICES AD620。它由3個放大器構(gòu)成，比一般差分放大器精確度更高、抑制溫飄效果更好，放大器的放大倍數(shù)由R4確定。這樣的放大電路可抑制測量誤差，從而準(zhǔn)確測出鉑電阻上的電壓。放大后的電路經(jīng)過信號濾波后輸入到A/D采樣電路。

2.3 電流輸出和顯示單元

本系統(tǒng)采用PWM控制方式控制直流固態(tài)繼電器（DC－SSR）以控制電流的輸出。由于DC－SSR的輸入控制電流小，用TTL、COMS等集成電路可以直接驅(qū)動，而且與普通電磁繼電器相比無機械噪聲、無抖動和回跳，因此特別適用于在本單片機控制系統(tǒng)中作為輸出通道的控制原件。本系統(tǒng)中單片機I/O輸出的PWM信號經(jīng)同相器SN7407N后直接驅(qū)動DC－SSR，以控制輸出電流的大小，其原理如圖4所示。顯示單元采用的是FYD12864液晶顯示，選用這種顯示方式，一方面節(jié)省單片機I/O口，更主要是它集成了驅(qū)動和自帶字庫，不僅簡化了程序設(shè)計，更達到了人機交互的效果。

3 軟件設(shè)計

3.1 傳感器校驗流程

本溫度控制系統(tǒng)校驗航空電瓶溫度傳感器的流程完全遵循CMM手冊要求，整個升溫、降溫及恒溫控制完全由軟件實現(xiàn)，其中恒溫5 min定時，采用的是單片機內(nèi)部定時器。其具體過程如圖5所示。

圖5 傳感器校驗流程圖Fig.5 Flowchart of sensor inspection

3.2 模糊-PID控制算法

由圖5可以看出，本系統(tǒng)溫控分兩個部分：一個是持續(xù)的升溫、降溫部分，不需要對其進行控制；另一個是恒溫5 min的部分，這時需要用控制算法對其進行控制。通過大量實驗發(fā)現(xiàn)，本系統(tǒng)的溫度控制存在大慣性、大滯后環(huán)節(jié)，受外界環(huán)境等諸多因素的影響，這些因素的變化雖然不大，但它們是不確定的。所以很難給出一個確定的數(shù)學(xué)模型，用常規(guī)的PID控制技術(shù)加以控制。考慮到控制對象的模糊不確定性，本系統(tǒng)采用了模糊－PID控制。

模糊－PID控制由可控式PID和模糊控制系統(tǒng)兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖6所示[5－6]。

圖6 模糊-PID控制器結(jié)構(gòu)圖Fig6.Diagram of fuzzy-PID controller

采用計算機實現(xiàn)的PID控制算法，其離散PID控制規(guī)律為

1）輸入輸出量的模糊語言描述

在升溫、降溫過程中，當(dāng)實測溫度值與設(shè)定恒溫值之差的絕對值，開始進行模糊－PID控制。設(shè)定輸入變化E和EC語言值的模糊子集為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，0，正小，正大 }，并記為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，將誤差E和誤差變化率EC量化到（－3，3）區(qū)域內(nèi)。同樣，設(shè)計輸出量 KP、KI、KD的模糊子集為{ZO，PS，PM，PB}，并將其量化到（0，3）內(nèi)。為了計算處理和實現(xiàn)的方便，輸入偏差E、輸入偏差變化率EC和輸出隸屬函數(shù)均采用線性函數(shù)。輸入輸出變量的隸屬函數(shù)曲線如圖 7～圖 9所示[7－8]。

圖7 輸入變化量EFig.7 Input variable E

圖8 輸入變化量ECFig.8 Input variable EC

圖9 輸出變量 Km（m=P，I，D）Fig.9 Output variable Km（m=P，I，D）

2）模糊控制規(guī)則表

根據(jù)PID參數(shù)整定規(guī)則和大量實驗的經(jīng)驗，可列出 KP、KI、KD控制規(guī)則如表 1 所示[9]。

表1 模糊控制規(guī)則Tab.1 Fuzzy control rule

系統(tǒng)采用C語言在單片機上編程實現(xiàn)PID參數(shù)模糊自整定算法[10-11]，控制設(shè)計核心部分流程如圖10所示，最后確定的控制輸出量Ui即為PWM的脈寬。

4 結(jié)語

通過上述方法已經(jīng)研制成功了1臺航空電瓶溫度傳感器校驗儀。實際測試結(jié)果表明，該校驗儀操作簡單、測量精度高，可以校驗所有航空電瓶上熱敏開關(guān)和熱敏電阻類傳感器（如SAFT4579、SAFT40176-7電瓶上用的溫度傳感器）。

模糊-PID控制算法的應(yīng)用實現(xiàn)了校驗過程中的恒溫控制，4個恒溫點的控制精度分別是±0.2℃、±0.4℃、±0.5℃、±0.5℃。因此，與傳統(tǒng)校驗方法相比（傳統(tǒng)方法精度很難穩(wěn)定在1℃以內(nèi)），整個校驗過程精度可以有效地穩(wěn)定在0.5℃的范圍之內(nèi)。

圖10 控制程序流程圖Fig.10 Flowchart of control process

半導(dǎo)體制冷制熱技術(shù)的應(yīng)用保證了傳感器校驗過程中所需的高、低溫環(huán)境，解決了人工測試繁瑣的問題。

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