文 献 综 述

一 、课题研究意义和研究现状

随着控制系统和计算机技术的发展，从七十年代开始到今天，工业领域的自动化水平有了显著提高。温度的测量与控制是科学实验和工业过程中最普遍、最具典型意义的工业控制项目。在化工、冶金、制药、电力、甚至现代农业的一些养殖中都有大量应用。因此，研发各种温度控制系统（包括硬件和软件），一直是个热点。

在日常生活及工业生产中，经常需要进行温度的测量与控制，与热敏电阻等相比，热电偶响应速度快，测量范围广，性能可靠，因此利用热电偶进行温度测量与控制^[1、2]具有一定的应用价值。温控仪^[3]是工业生产中被广泛使用的一种设备,随着我们经济的高速发展,它的需求量也越来越大。从一开始的的指针式模拟仪器仪表到只有A/D功能的数字显示仪表再到如今各式各样的温度、控制仪表的诞生,温控仪得到了迅速的发展。如今的仪表以其简单易于操作的界面,实时自动的控制效果被越来越多的人所接受,具有广阔的发展前景。PID控制器^[4]自出现以来，在工业控制领域得到了很大的发展和广泛的应用。它的结构简单，参数易于调整，在长期的应用中已积累了丰富的经验。在应用计算机实现控制的系统中，PID很容易通过编制计算机语言^[5]实现。本次PID控制器的设计将PID继电自整定与神经网络PID控制器相结合的PID自适应控制法。以神经网络构造PID控制器,解决了PID参数在线调整的问题,使PID控制器适用范围更广。以继电自整定PID参数确定网络初值,使过程响应超调量降低,回复时间减短,控制质量提高^[6]。

在大学物理实验中我们做了热电偶法测温度^[7]，从中知道热电偶回路中的电压变化和其两端的温度差值有比较好的线性变化关系，因此热电偶可以用来测量温度。既然热电偶测量温度是通过测量不同时刻电路中电压变化得到的，我们就可以把这个电信号采集到并进行运算放大以及模数转换，然后送入单片机处理^{[8] [9]}。在单片机中计算出被测温度值并且在液晶显示屏上实时显示^{[10] [11] [12]}。当测量的水温达到程序预设值时，系统控制电路就发出终止加热指令，加热电阻丝断电，系统报警装置同时发出蜂鸣声。数据采集与处理、温度控制与工作状态显示等将封装集成在一块板上，实现仪器化。

二 、热电偶定标与温度测量原理

把两种不同的金属(或者合金)A、B（本实验是镍铬---康铜热电偶^[12]）的两端焊接起来构成一个回路，当两个焊点的温度不同时，根据塞贝克效应，回路中就有电动势出现。而且电动势与温差呈线性关系，电动势的大小为。式中为比例系数，与热电偶材料有关，为热端温度（工作端），为冷端温度（参考端）。在热电偶定标时，通常稳定冷端温度（如放入冰水混合物），当热端温度升高时，只要用精度比较高的电位差计与温度计测出电路里电动势大小与对应温度变化的关系并且制成分度表就可以。实际上现在一些常用热电偶的分度表都可以查到。在用热电偶测温度时，只要测量回路里的电动势大小就可以知道工作端温度。但是，在实际使用中，冷端温度不能稳定，这样测量就有大的误差，为了解决这个问题，现在通用的方法是采用冷端补偿法，而且已经有成熟的模块与方法。本实验直接采用芯片AD595补偿模块^{[13] [14] [15]} ；精细加温控制系统采用可控硅加热的PID算法。

热电偶温控实验仪系统工作图如下：