[摘 要]：本文以DSP為信息處理單元,，將電子天平與紅外干燥箱融為一體,，設(shè)計了一種水分測定電子天平。這種儀器具有水分測定與質(zhì)量稱量兩種計量功能,。采用時間最優(yōu)控制與PID控制相結(jié)合的控制策略來對烘箱的溫度進(jìn)行實(shí)時控制,，既可以發(fā)揮時間最優(yōu)控制快速消除大偏差的優(yōu)點(diǎn)，又能發(fā)揮PID控制精度高,、超調(diào)小的優(yōu)點(diǎn),，從而使靜態(tài)、動態(tài)性能指標(biāo)較為理想,，同時又達(dá)到了準(zhǔn)確,、快速測定的目的。

　　水分是決定產(chǎn)品質(zhì)量和工藝的基本參數(shù),，水分含的準(zhǔn)確測定是產(chǎn)品質(zhì)量的重要保證,。目前諸多行業(yè)水分測定標(biāo)準(zhǔn)方法（仲裁依據(jù)）是烘干失重法，即將重量為W1,，的試樣按規(guī)定時間和溫度烘干,，烘干后失重設(shè)為W∞，則含水率為： 　　該方法直接測出水分蒸發(fā)量,，稱直接法,，又稱經(jīng)典法。該方法需要使用分析天平和電烘箱,，操作繁瑣,，而且由于電烘箱的溫度波動較大，容易損壞樣品,。
　　本文以DSP為信息處理單元,，將電子天平與紅外干燥箱融為一體，并將時間最優(yōu)控制和PID控制相結(jié)合,，設(shè)計了一種基于DSP的新型水分測定電子天平,，采用時間最優(yōu)控制和PID控制相結(jié)合的控制策略對烘箱溫度進(jìn)行實(shí)時控制，這樣既可發(fā)揮時間最優(yōu)控制快速消除大偏差的優(yōu)點(diǎn),，又能發(fā)揮PID控制精度高、超調(diào)小的優(yōu)點(diǎn),。

1 測試機(jī)理與結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　本文采用TMS320LF2407A的DSP作為信息處理單元,，設(shè)計了一種基于DSP的新型水分測定電子天平，如圖1所示。
　　電磁力平衡傳感器將被測質(zhì)量轉(zhuǎn)換成電信號輸出至放大電路,，變成0～5V直流電壓信號,，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送DSP處理，顯示,、打印或語音輸出測量結(jié)果,。
　　紅外干燥箱內(nèi)的熱敏元件通過測溫電路和A/D轉(zhuǎn)換隨時向DSP提供溫度測量信息。DSP根據(jù)鍵盤設(shè)定溫度和烘箱內(nèi)實(shí)測溫度進(jìn)行PWM控制,，通過可控硅調(diào)功電路實(shí)現(xiàn),。

1.1紅外輻射干燥機(jī)理
　　紅外輻射烘干法的干燥機(jī)理仍基于經(jīng)典法，用電阻式烘箱,，試樣中水分的蒸發(fā)主要靠熱傳導(dǎo),，失水速度慢，測量效率低,。而紅外法,、微波法的加熱方式可直接從物質(zhì)內(nèi)部加熱，大大縮短了烘干時間,，而且還具有清潔,、無附件、安裝方便等優(yōu)點(diǎn),，因此在烘干加熱領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,。
　　由于微波加熱方式一般功率較大，難以控制,，而且可能導(dǎo)致輻射泄漏,，因此本文設(shè)計的新型水分快速測定電子天平采用了紅外輻射加熱方式加速樣品烘干。

1.2質(zhì)量稱量原理
　　水分測定電子天平質(zhì)量稱量范圍為0～300g,，感量為0.001g,。稱重前，杠桿平衡,，遮光板處于零位,，加待稱重物后，杠桿失去平衡,，帶動遮光板偏離零位,，零位檢測差分光電二極管輸出的差分電壓信號不為零；該信號經(jīng)放大送入PID調(diào)節(jié)電路,；PID調(diào)節(jié)信號送入動圈的驅(qū)動電路,，改變動圈中的電流，使得杠桿向平衡方向運(yùn)動,；同時,，差分光電二極管的輸出信號減小,，但由于PID調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的存在，調(diào)節(jié)信號繼續(xù)增大,，直到杠桿回到平衡位置,，遮光板回到零位。質(zhì)量稱量信號經(jīng)放大,、濾波,、A/D轉(zhuǎn)換后送人DSP信息處理單元進(jìn)行后續(xù)處理。

2紅外干燥箱的溫度檢測與控制
2.1溫控器原理
　　本系統(tǒng)選用MAXIM公司生產(chǎn)的自帶溫度補(bǔ)償?shù)腒型熱電偶串行模/數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX6675為測量電路,，選用雙向可控硅為控制元件,，以DSP芯片TMS320LF2407為中心，設(shè)計了一套溫控器電路,。
　　主電路由雙向可控硅BCR50GM控制,，其開關(guān)電流為50A，通過實(shí)際調(diào)試,，確定了控制電路參數(shù),，如圖2所示。
　　MAX6675將熱電偶輸出的mV信號直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送給DSP,， MAX6675可對冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償,。
　　DSP送出PWM控制信號驅(qū)動光電耦合器MOC3061，以控制可控硅BCR50GM的導(dǎo)通與截止,，使電阻爐的溫度能夠穩(wěn)定在給定點(diǎn)附近,。
　　通過測量溫度與設(shè)定溫度比較來調(diào)節(jié)DSP輸出脈沖信號的占空比，進(jìn)一步控制鹵素紅外燈平均導(dǎo)通功率,，從而達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的,。

2.2溫度控制方法 　　PID控制是一種技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的控制方法,，其結(jié)構(gòu)簡單,，參數(shù)整定方便，而且對大多數(shù)過程均有較好的控制效果,，因而本系統(tǒng)采用了PID算法控制加熱艙溫度,。
　　對于采用調(diào)壓調(diào)功方式的溫度控制，PID算式應(yīng)當(dāng)采用位置算式,，即：
　　　　u（k）=u（k-1）+△u（k） （2）
　　式中： 　　u（k）為k時刻的輸入量,；
　　u（k-1）為k-1時刻的輸入量；
　　△u（k）為輸入調(diào)節(jié)量,；
　　Kp,，K1，KD分別為比例系數(shù),、積分系數(shù),、微分系數(shù),；
　　e（k）為當(dāng)前時刻的溫度與溫度設(shè)定值差,；
　　e（k-1）為上次采樣時刻的溫度與溫度設(shè)定值差,；
　　e（k-2）為再上次之差。
　　溫度變化是一個緩慢的過程,，若單純采用PID控制,，溫度超調(diào)量大，調(diào)節(jié)時間長,，從通電加熱到溫度恒定至少需要20min,，控制效率低，能源浪費(fèi)大,，設(shè)備損壞率高,。
　　時間最優(yōu)控制使系統(tǒng)從一個初始狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一個狀態(tài)所經(jīng)歷的過渡時間最短。這種類型的最優(yōu)切換系統(tǒng),，也稱為開關(guān)控制（Bang-Bang）系統(tǒng),。即： 　　可以規(guī)定一閾值ε，當(dāng)偏差大于ε時,，實(shí)行時間最優(yōu)控制,，而在閾值以內(nèi)，實(shí)行PID控制,。這樣,，既可以發(fā)揮Bang-Bang控制快速消除大偏差的優(yōu)點(diǎn)，又能發(fā)揮PID控制精度高,，超調(diào)小的優(yōu)點(diǎn),，從而使溫度控制過程的靜態(tài)、動態(tài)性能指標(biāo)較為理想,。

2.3參數(shù)整定
　　由于溫度變化速度較慢,，本系統(tǒng)選擇采樣時間TS為5ms，其余調(diào)節(jié)參數(shù)均在PID仿真基礎(chǔ)上參考ZEGLER-NICHLE整定方法經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定,。 　　由于控制電路輸出脈沖信號的臨界電壓為1.66V,，對應(yīng)數(shù)字量為AAH（十進(jìn)制數(shù)為170），所以將該電壓值作為系統(tǒng)首次進(jìn)入控制過程時u（k-1）值,。

3 性能測試
　　本系統(tǒng)經(jīng)過反復(fù)溫控試驗(yàn)以及連續(xù)運(yùn)行的可靠性試驗(yàn),，最終確定了PID算法的參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)施加給定升溫時,，在20～80℃范圍內(nèi)最大動態(tài)超調(diào)小于土2℃,，穩(wěn)態(tài)誤差小于±0.2℃，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好,。其典型響應(yīng)曲線如圖3所示,。
4 結(jié)論
　　本文提出了一種基于時間最優(yōu)-PID控溫水分測定電子天平,，有效地避免了經(jīng)典方法水分測定的重復(fù)性，大大提高了測量速度,，為水分測定標(biāo)準(zhǔn)方法的發(fā)展開辟了新的途徑,。這種一儀多用的新型天平簡化了水分測定與質(zhì)量稱量的操作，有利于提高實(shí)驗(yàn)室分析測試的工作效率,，減少設(shè)備投資,，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。