第3章 恒温箱工作的基本原理
3.1 恒温箱工作的原理
恒温箱用于加热化学产品，恒温箱可设定温度，加温时间是0～72小时。恒温箱的结构由第三方设计，恒温箱的大致结构如图1所示。恒温箱的产品安置槽用于放置待加热的产品或试验品。试验品放在小金属桶内，然后再安置在产品安置槽内。另外恒温箱有测温热敏电阻、电加热器、保温材料、及硅油等。在恒温箱工作时，电加热器加热恒温箱加热体内的硅油，硅油在加热体内传导热量，硅油在热能的作用下循环流动，将热量均匀的传播到产品安装槽周围。使恒温箱内所有的产品都能被均匀加热，并使温度波动控制在0.1℃范围以内。恒温箱的硅油腔内的硅油的作用有三个方面，1）硅油起热传导的作用。2）硅油可以使恒温箱内所有产品安置槽周围的温度均匀相等。3）硅油有一定的储热作用，可使产品安置槽周围的温度不易受试验品在放置和取出过程的影响。
温控箱设两个测温电阻，测温电阻a和测温电阻b。测温电阻a用于测量被控点的温度。产品安置槽周围的温度是被控温度。之所以要设热测温阻b是因为被控对象的热惯性太大。为了保证被控点温度波动能小于0.1℃，所以紧挨着加热器设一测温电阻b，作为控制温度参考点。当测温电阻b测到电加热器的温度过高时，mega128便控制电加热器的工作电流，使其工作电流减少，这时控制算法不再对其工作电流的调整起作用。通过这一温度参考点可限制加热器的温度波动范围，同时能提前预测被控温度点的温度趋势。在温控箱中加热器和产品有很厚的硅油层，由于有了硅
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油，使所有的产品安置槽周围的温度很均匀。由于硅油能储热使产品安置槽周围的温度不易被扰动。有利于试验的准确性。但同时带来的问题是由于被控对象的热容大，使温度反馈大大滞后于电加热器的工作状态，被控点的温度很难控制。温控箱增设一个测温电阻b，可用于预测测温电阻a的温度变化趋势，在控制策略中简化考虑硅油流动的热力学模型，进而可以简化控制模型，同时保证温控精度。另外恒温箱设有控制键盘、显示器和微型打印机。这些外设的接口是通过CPLD实现的。恒温箱的软件设计是整个设备的很重要的一部分。恒温箱的设计要求是温度范围是70℃～150℃，恒温稳定度是0.1℃。恒温箱加热器是个温度惯性很大的被控对象。Mega128的A/D分辨率是10位。为了能使控制单元的性能达到控制要求，在软件上要对A/D采集的数据作数字处理，使A/D的10位分辨率提高到18位分辨率。首先考虑的是对于mega128的A/D转换数据能否分辨率提升，应该说是可行的。因为测温电阻的信号在经测温电阻信号调理单元调理时加载了噪声。这就为提高A/D输出数据的分辨率提供了可能。对mega128的A/D输出的数据进行积分和数字滤波就可达到提高A/D分辨率的目的，同时也可剔除信号中的噪声。数据处理的原理是用mega128的A/D进行过采样，然后对采样数据进行积分和滤波，得到相当于18位分辨率的A/D转换数据。
图3.1 恒温箱控制单元原理框图
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恒温箱热传导的示意图如图所示。恒温箱的热传导有硅油的对流循环传导和恒温箱体金属壁的热传导，另外还有与电加热器贴在一起的箱体底部热辐射。在这里硅油的对流循环传导速度最慢，但它是主要的热传导途径。电加热器释放的热量有99﹪通过硅油的对流循 环传导。辐射和金属壁传导要快些，但它的量很小。对于分辨率很低的A/D采集器很难采到。只有分辨率很高的数据采集器能感觉到这一信号的存在。对于这种大滞后的被控对象捕捉这一信号是很有用的。对提高控制精度，减弱超调有一定的作用。因此很有必要对mega128采到的数据作降噪和提高分辨率的处理。
这个恒温箱有三个特点。1）闭环反馈的滞后很大，这是由它的结构所决定的。2）恒温箱是个带保温层的箱体，升温容易降温很难是恒温箱的温控不对称性。3）加热片的余热容易引起恒温箱的超调，这一特性与2）描述的特性有关。普通的PID算法用于恒温箱的控制很容易超调，且温度超过设定值后很难降下来。这就很难保证恒温箱的控制温度的波动范围在0.1℃范围内。为了能保证很好的控制恒温箱产品安置槽周围的温度，要对普通得PID作些修改。公式的KI不能是常数，而是一个变量。恒温箱是一个升温快降温慢的被控对象，而且是一个带保温层的储热温箱，因此温箱的降温非常慢。为了使恒温箱温度能在不很长的时间内稳定在设定温度点，缩短波动时间。要尽可能防止温度高于设定点的超差过大。因此要使积分调整到最佳值，第一使温度高于设定点的超差尽可能小，第二使波动周期尽可能少。这里使KI成为测温电阻b和e(k)的函数，在用e(k)调整KI时要仔细考虑，否则容易产生震荡。由于恒温箱体热容大，而加热器输出功率相对小，因此恒温箱的预热时间很长，在恒温箱预热过程中KI 将累积很大的值，它会使PID输出达到饱和。当恒温箱的温度快接近设定温度时要调整KI使它减小，同时对KI进行限幅。防止恒温箱超调。以便恒温箱在尽可能短的时间内稳定在设定温度。由于恒温箱这一被控对象从控制理论的角度看，它是个柔性被控制对象，同时
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是一个不对称的被控对象。因此公式的KD[e(k)-e(k-1)]项的KD也不能是一个一直不变的常数。在加热初期KD可以设得很小，在临近温度设定点时要将KD调整的比较大。当恒温箱的温度超过设定点时KD要适当减小。应为被控对象降温比升温要难。但太小会引起长周期震荡。
0Vot1?Vot0?KpE(t)?Ki?E(t)dt?Kd2. A/D数值处理
dE(t) dt为了能满足控制要求，需要将mega128的10位采集数据变成18位采集数据，提高温度信号的分辨率。提高分辨率的方法是，用A/D采集通道对数据进行过采样，然后进行数字滤波，得到相当于18位的热电阻a测得的温度信号。过采样、噪声成形、数字滤波和抽取是增量累加转换器用来降低噪声并产生高分辨率输出数据的4种重要方法。假定以频率fS对一个数据转换器的输入信号采样，根据数据的奈奎斯特定理 (Nyquist theorem)，fS 必须至少是输入频率的2倍（fIN＝fS/2）。过采样是以高于输入信号频率两倍的频率对输入信号采样。我们都知道A/D数值的最后一位是噪声位，对某一电平进行大量多次采集，A/D数值的最后一位是“1”或“0”变化的。假若对某一电平进行20次过采样，分析统计这20个采样值最后一位“1”或“0”所占的比例，可得出一个更真实的数值。将这大量的采集数据作积分后得到一个更接近真实的而且分辨率比原A/D数值更高的反映原模拟量电平的数据。过采样量越多可得到更高位和更接近真实值的A/D值。
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3.2控制系统温度的采集
在热敏电阻的测量过程中，精确采集恒温箱的温度至关重要。对热敏电阻进行精确测量的前提条件是能够高精度、高分辨率地检测温度值。对恒温箱温度的采集由图3.2的电路原理图实现。
温度信号采集电路
在电路当中，电压源的电压由AD公司生产的精密电压源AD780提供，其输出电压为2.5V±1mV，温度系数为5ppm。精密电压源的引入为精确的测量温度提供了良好的基础。温度传感器选用铂
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