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基于DSP的差热天平温度控制系统设计
摘要： 本文提出用DSP实现模糊-数字PID复合控制算法，进行差热天平温度控制系统设计。试验表明对差热天平自身特点的温度控制取得良好的效果。
关键词：差热天平；DSP；模糊-数字PID复合控制；USB；
1 引言
差热天平是一种用于化学分析的仪器，它不但可对物质的分解化合、相变、脱水等现象进行分析，而且可对物质进行分析鉴别，还可进行热参数和动力学参数的测定。目前使用的差热天平温度控制系统是在基本程序控制下，测试样品的质量及其与参照物随温度变化的温度差的测量仪器，是模拟PIDSCR线路，图形的显示由记录仪记录，图形分析是由人工完成。这种仪器不仅具有惰性和触点环节，而且图形分析比较麻烦，影响实验精度；利用DSP控制的差热天平，采集的数据存储在SRAM中，由DSP对数据进行分析计算。此外，DSP更能适应信号处理过程中所要求的快速实时、数据量大、处理精度要求高等特点。
本设计首先用热电偶检测炉温，将测得信号经过放大器放大后，输入到12位模/数转换器AD574中变换成数字信号，将数字信号输入DSP处理器中；DSP处理器计算出实测温度和给定温度之差 ， 输入控制算法中，通过计算得到一个数字量 ，然后把数字量 输入12位数/模转换器DAC1210转换电路，转换成模拟信号，最后再把该模拟信号输入可控硅触发器电路，改变可控硅的导通角，即改变炉子的加热电功率，消除温度偏差，使实际炉温始终接近程序给定值。这样就构成了一个闭环的控制系统。由于DSP处理器使程序给定值按预定的速度等速增加(升温)或减少(降温)，而炉子的温度又始终跟随程序给定值，这就达到了线性控制炉温升降的目的。
2 温度控制系统硬件电路设计
温度控制电路如图1所示。它以美国TI公司生产的TMS320C2407 为核心。它主要有如下特点：采用增强的哈佛结构；应用高性能静态CMOS技术生产，为进一步降低功耗，采用3.3V电源供电，具有特殊的DSP指令和33 ns的指令周期；有40个可编程的独立1/0口；它含有TMS320C2XX的内核CPU，其源代码兼容F243/F241/F242、指令集与F240/C240兼容，具有良好的可移植性；TMS320LF2407引脚较少，价格适中，用它构成的系统不但能很好地满足系统的要求而且降低系统的复杂性，性能价格比较高。由于一般系统要求处理的数据量大且对实时性要求高，而DSP芯片内部的数据存储器容量不能满足要求，因此系统外扩高速大容量的数据缓冲存储器。系统中选用高速SRAMCY7Cl020V-15，它是CYPRESS公司生产的高性能CMOS芯片，容量为16K*16位，其存取速率为15 ns，其速度与TMs320LF2407的速度相匹配，因此DSP可以全速运行，而无需插人等待状态，且工作电压为3.3v，也与DSP的I/O电平相匹配，无需电压转换接口电路。液晶显示选用的是动态时分割驱动方式的T6963C控制芯片为核心的液晶显示成品板，该板内含GB 2312 16 *16 点阵国标一级简体汉字和ASCII 8 *8 点阵的英文字库，用户输入区位码或ASCII 码即可以实现文本显示。这样，在LJD液晶显示模块中，对于显示部分不必整理出各个汉字和数字的点阵，极大的简化了编程工作，丰富了显示信息量。本设计采用USB接口和计算机通讯，DSP与USB接口电路如图2所示，USB外设都可简单方便地接入计算机中，无需外接电源、易于扩展，弥补了插卡结构的缺点，并且USB2.0总线的传输速度高达480Mbit/S，不仅使USB总线完全能够满足需要大量数据交换的外设的要求，而且使USB总线可以应用于实时信号处理系统；而且USB2.0标准具有良好的兼容性。采用USB总线符合仪器数字化、模块化、通用性和即插即用的发展趋势。
图2 DSP与USB接口电路图
在控制电路中，热电偶采用的是铂铑-铬铂热电偶，放大器电路中的滤波器采用三级RC滤波器，可以消除温度信号中的干扰信号。
3温度控制系统软件程序设计
本设计采用模糊-数字PID复合控制算法。模糊控制对时变对象有一定适应能力,但范围有限,精度不高。而PID控制对相当多的控制对象都十分有效,但对某些非线性对象整定工作量大。若使二者结合,进行模糊-数字PID复合控制,理应取得较好效果。模糊-数字PID复合控制一般在偏差大时采用模糊控制，而偏差小且趋于平稳时，采用PID控制，其主流程图如图4所示。模糊-数字PID复合控制算法的系统具有动态性能较好,而且调节时间缩短，超调量小等优点。
该数学模型相当于在传统ＰＩＤ控制的基础上又增加了一级高阶控制,加大了控制的强度和精确度,改善了响应速度与稳定速度之间的关系,提高了系统的安全性。
（2）当偏差的绝对值 ![]() 时,采用模糊控制算法。模糊控制是一种以模糊集合论、模糊语言变量与模糊逻辑推理为基础的计算机数字控制。模糊控制器由三部分组成:模糊化、模糊推理和解模糊，模糊控制器框图如图3所示。本系统设计的模糊控制器采用双输入单输出的控制算法,不仅对被控制量的实际偏差自动进行调节,还要对偏差的变化率进行调节,这样有利于保证系统的稳定性，不致产生振荡。模糊化就是把观测值论域上的语言值转换成模糊子集，而模糊量则是实测温度与设定值的偏差E、偏差变化率Ec和控制输入U。根据实际及操作人员的控制经验，对这几个模糊量，可归纳一系列控制规则，例如规则i:
If (E is Ai1) AND (Ec is Ai2) Then U is Bi; ( i=1,2,……,r)
r为规则数，Ai1、AI2、…及Bi为语言变量，则由第I条规则构成的模糊关系为：
Ri =(Ail *Bi) * (Ai2 * Bi)
而对于一定Ej和Ecj，相应的输出为：
Ui=[Ej* (Ail *Bi)] * [Ecj* (AiZ * Bi)]
则：U=Ui (i=1，2，…，r)
根据控制经验，将其中将语言变量分成七级：正大(PB)，正中(PM)，正小(PS)，零(o)，负小(NS)，
负中(NM)，负大(NB)。在实际控制中，由于被控对象只能接受一个确定的控制信号，而模糊推理是一个模糊集合，因此，必须建立精确量和模糊量之间的转换关系,即从输出的模糊集合中，判决出一个精确量。在此采用固定量化因子、比例因子及隶属度最大原则，进行离散推理，求出各相应的控制表，并将数据存入DSP内存，以便在线使用，实施实时控制。
软件采用定时器T0中断方式,中断服务子程序如图6所示。系统每隔一个时间段进行一次中断,启动Ａ/Ｄ转换,同时完成数据采集、数字ＰＩＤ控制、控制量输出、温度显示及数据保存等功能。定时器T1中断，为DSP处理器和计算机通讯，发送数据，便于计算机绘制温度跟踪曲线，键盘中断，完成键盘扫描和获取键值。此外,为了减小系统在平衡位置的振荡,在软件上采取了数据滤波、设定死区等措施。
4结语
基于DSP2407模糊-数字PID差热天平采用计算机控制技术，能够实现温度发控制，并在液晶屏和计算机上实时显示温度及温度跟踪曲线。实验中对控制算法进行多次实验和调整,取得了很好的控制效果，达到了预期的设计目的。
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