高精度恒温箱测控系统的优化设计

论文摘要

为了保证高精密测量仪器工作在正常的条件下,充分发挥仪器的性能,需要对周围的环境温度进行严格的控制。本课题在原有恒温箱的测控系统的基础上以提高温度控制的精度,减小温度控制的过渡过程时间,降低测控系统的硬件成本为目标,进行了优化设计。本文重点研究了高精度的温度测量技术。文中首先对NTC热敏电阻的热特性和电特性进行了探讨,通过对传感器的重新标定和建模,使传感器在18℃~22℃的温度范围内达到了0.01℃的测量精度;然后提出了一种基于NTC热敏电阻的多通道测温方案。该方案采用比较测量法,消除了恒流源的不确定性对测量精度的影响;采用高性能的模拟开关进行切换,实现了多通道测温。最后,详细介绍了其硬件电路的设计和软件的设计。实验表明,该测温系统在18℃~22℃的范围内,温度测量精度可达±0.02℃,测量分辨率为0.001℃。文中采用系统辨识的方法确立了恒温箱的数学模型为二阶无滞后模型。讨论了PID控制理论在温度控制系统中的应用,介绍了PID控制算法数字化的方法;引入了模糊控制思想并设计了模糊控制器。通过对两种算法的仿真比较,采用了模糊PID算法对恒温箱系统进行控制。最后,建立了新的温度测控系统并进行了实验。结果表明:单点温度的波动性小于±0.02℃,温度控制的过渡过程时间小于8000秒,达到了预期目标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 高精密温度环境控制的研究目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 美国NIST 的 MMM
• 1.2.2 韩国BUPE 的超高精度 CMM
• 1.2.3 泰国的高精度球形恒温箱
• 1.2.4 国内恒温箱研究及相关产品
• 1.3 课题的来源及主要研究内容
• 第二章 微纳米测试用恒温控制箱概述
• 2.1 分离式恒温箱的结构
• 2.2 恒温箱的温度场分布情况仿真
• 2.3 恒温箱温度测控系统介绍
• 第三章 高精度多通道温度采集系统的设计
• 3.1 高精度温度测量的有关方法和理论
• 3.1.1 高精度温度传感器的选择
• 3.1.2 NTC 热敏电阻传感器的特性分析
• 3.1.3 NTC 热敏电阻传感器的建模
• 3.1.4 常用热电阻测量方法
• 3.1.5 NTC 热敏电阻测量过程中的注意问题
• 3.2 多通道测温系统的方案设计
• 3.3 多通道测温系统的硬件电路实现
• 3.3.1 控制芯片MSP430F169 简介
• 3.3.2 测试电流的设计
• 3.3.3 多通道的设计
• 3.3.4 放大电路的设计
• 3.3.5 双极性AD 转换电路的设计
• 3.3.6 显示和键盘的设计
• 3.3.7 系统电源的设计
• 3.3.8 单片机控制系统的电路
• 3.4 提高测量精度的措施
• 3.5 测温系统的软件设计
• 第四章 恒温箱系统模型的优化及控制算法设计
• 4.1 恒温箱数学模型的优化
• 4.1.1 过程建模的方法
• 4.1.2 恒温箱数学模型的辨识
• 4.1.3 恒温箱模型的辨识结果比较
• 4.2 恒温箱温度控制算法设计
• 4.2.1 常规PID 控制及其MATLAB 仿真
• 4.2.2 PID 控制的计算机实现
• 4.2.3 模糊控制及其MATLAB 仿真
• 第五章 恒温箱测控系统的设计
• 5.1 恒温箱测控系统的硬件设计
• 5.2 恒温箱测控系统的软件设计
• 第六章 试验结果及分析
• 6.1 多通道温度采集系统的测温试验
• 6.2 温度控制实验结果与分析
• 6.3 系统误差源
• 第七章 总结和展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文