黨俊藝

（平頂山中平能化集團簾子布公司，河南 平頂山 467000）

1 智能測控系統(tǒng)圖

1.1 pt100 溫度傳感器工作原理

電阻式溫度檢測器是一種物質材料做成的電阻，它會隨溫度的上升而改變電阻值，如果它隨溫度的上升而電阻值也隨著上升就稱為正電阻系數(shù)，如果它隨溫度的上升而電阻值反而下降就稱為負電阻系數(shù)。鉑熱電阻是應用廣泛的溫度傳感器，它具有體積小、準確度高、穩(wěn)定性好測、溫范圍寬、正的溫度系數(shù)等特點。

傳感器的接入非常簡單，從系統(tǒng)的5V 供電端僅僅通過一支3K92的電阻就連接到PT100 了，這種接法通常會引起嚴重的非線性問題。但是由于有了單片機的軟件校正作為后盾，因此就簡化了傳感器的接入方式。

1.2 Pt100 的特性

按鉑熱電阻技術標準，鉑電阻Pt100 在0～650℃范圍內(nèi)的符合國際分度表函數(shù)Rt可用下式表示:

Rt＝R0（1＋At－Bt2）

其中:Rt，R0分別是t℃和0℃時的鉑電阻阻值，R0=100 Ω，A＝3.90802×10－3℃－1，B＝5.80195×10－7℃－2。該函數(shù)的特點是精度高、覆蓋溫度范圍寬。以經(jīng)常使用的分度值(10℃為間隔)作比較，可以看出在0～650 ℃范圍內(nèi)擬合值與實際阻值的最大絕對誤差為0.0049Ω，平均絕對誤差為0.0026Ω，這時的最大相對誤差僅為1.487×10－5，因此該函數(shù)滿足高測量精度的要求.但由于函數(shù)中存在非線性項Bt2，要消除鉑電阻非線性對輸出的影響，就需要想法補償在不同溫度點時由于電阻的變化率降低而導致測量輸出信號減少或增大的那部分。

一般使用單片機來進行溫度等的計算，由于該表達式比較復雜，用單片機處理這樣的計算過程，將會占用大量的資源，程序的編寫上相當復雜，所以一般采用先查表，再插值的方法換算處溫度。

1.3 pt100 測溫原理

Pt100 式溫度傳感器，測溫的本質其實是測量傳感器的電阻，是將電阻的變化轉換為電流或電壓等信號，再將模擬量轉換成數(shù)字量，再經(jīng)處理器算出相應溫度值。采用pt100 測量溫度，一個用pt100 熱電阻，當pt100 阻值變化時，測量端將產(chǎn)生電勢差，再由電勢差換算出對應的溫度值。

1.4 提高pt100 測溫精度的方案

1.4.1 通過改善pt100 接線方式對誤差進行補償

鉑熱電阻的使用，一般有三種解法，分別是二線制接法、三線直接法和四線制接法，不同的接法是應用于不同的精度要求。

1.4.2 通過插值算法校正pt100 的非線性度

由pt100 的特性可知，雖然pt100 的線性較好，但是由于電阻—溫度函數(shù)是非線性的，單片機運算則占用時間和資源較多。常用線性插值算法和查表進行標度變換計算溫度，運算快占用單片機資源少，并且可以對pt100 進行線性校正，達到相當精確地溫度測量結果。

查表要在單片機的ROM 區(qū)建立電阻與溫度分度表，在檢測值內(nèi)均勻地選擇幾個標定點，標定的點越多則表格越大。在0-100 度之間每隔5 度標定一個pt100 的電阻值，共20個點，分別記作R[i]，對應的溫度記作T[i]，i 取0-2，采用線性差值算法進行標度變換時，將檢測值Rx 通過順序查表，與標定點R[i]比較，確定區(qū)間R[i]＜Rx＜R[i+1]，然后進行線性插值算法球的溫度值Tx；

因為是每隔5℃標定一個電阻值，所以T[i+1]-T[i]=5，即：

1.5 程序設計

1.5.1 程序流程圖

1.5.2 程序設計

2 控制器設計

2.1 PID 原理

2.1.1 PID 控制的原理和特點

當今的自動控制技術都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執(zhí)行。把測量關心的變量與期望值相比較得到系統(tǒng)誤差，再用這個誤差來糾正調節(jié)系統(tǒng)的響應。這個理論應用自動控制的關鍵是，做出正確的測量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。

PID 控制算法的基本原理:簡單地說，就是運用比例、積分、微分算法，來對回路中的偏差進行修正，通過執(zhí)行器調節(jié)參數(shù)，使測量值穩(wěn)定在設定值附近，達到控制某一參數(shù)的目的。

2.1.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制的特點是系統(tǒng)被控對象的輸出值會反饋影響控制器的輸出值。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正、負反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值相反，則稱為負反饋，若相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制均采用負反饋控制系統(tǒng)。

PID 控制器由比例單元、微分單元、和積分單元組成。（1）比例調節(jié)按比例反應系統(tǒng)的偏差的大小來進行調節(jié)的，系統(tǒng)出現(xiàn)偏差，比例調節(jié)產(chǎn)生調節(jié)作用減少偏差。比例作用大能加快調節(jié)速度，減少誤差，但比例作用過大，會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。（2）積分調節(jié)可以使消除或降低系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，積分調節(jié)常與微分比例規(guī)律相結合。（3）微分調節(jié)能夠反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，能夠預見偏差變化的趨勢，能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差形成之前，就被消除。

2.2 PID 控制器的參數(shù)整定

PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。

PID 控制器參數(shù)的整定步驟：

（1）首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；

（2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；

（3）在一定的控制度下通過公式計算得到PID 控制器的參數(shù)。

2.3 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡控制器設計

2.3.1 簡介

BP 網(wǎng)絡是多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡，BP 網(wǎng)絡能學習和存貯大量的輸入-輸出模式映射關系，而無需事前揭示描述這種映射關系的數(shù)學方程。它的學習規(guī)則是使用最速下降法，通過反向傳播來調整網(wǎng)絡的閾值和權值，使網(wǎng)絡的誤差平方和最小。

2.3.2 BP 算法基本原理

某個樣本被（設為第P個樣本）輸入網(wǎng)絡，且有輸出時，均方誤差為所有輸出單元誤差平方的和，即所有樣本都被輸入后，總誤差為，設WSP為一個連接權值時按梯度下降放法，批處理下權值修正量為增量方式下權值修正量為輸 出層w″kl（n0+1）=w″kl，中間隱層

其中BP 網(wǎng)絡應用中隱含層神經(jīng)元個數(shù)的確定問題尚沒有固定算法，也沒有理論支持，通常是靠經(jīng)驗來確定。

3 控制系統(tǒng)仿真

3.1 常規(guī)PID 控制器設計仿真

3.1.1 軟件程序仿真

PID 控制方法進行校正程序如下：

校正后如圖4 所示

4 結束語

在測控系統(tǒng)中，如何減少測量誤差，實現(xiàn)精確測控一直是被關注的但尚未解決的問題。本文介紹了一個簡單而有效的基于單片機實現(xiàn)測溫與顯示功能，利用PID 算法、PB 神經(jīng)網(wǎng)絡進行矯正，實現(xiàn)智能穩(wěn)快準的預期效果。

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