控制系统搭建（初步）—温度

工业、农业、国防等领域普遍存在测量温度参数的需求，如锅炉中变化温度场的测量、汽车发动机燃气温度的测量、枪炮膛内火药气体温度的测量、航天器表面温度的测量及弹药爆轰温度的测量等。现今利用热电阻和温控仪搭建最简单的温控系统，具体原理以及过程如下所示：

第一行显示的是测量温度，第二行显示的为程序预定温度，当实测温度小于预定值的时候，电源与二极管处于通路状态，二极管正常发光（相当于接通热电阻丝电源，开始给系统加热，使得系统温度升高）；当温度值高于预定值的时候，电路处于断路状态，二极管处于关闭状态。

一、温度敏感元件选择

温度传感器主要包含热电偶和热电阻，热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器，基本原理是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加的特性，具有测量精度高，性能稳定的特点。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。因此，本测控系统采用PT100热电阻传感器，其中，该热电阻在0℃时，电阻值为100欧姆。

Pt100：-200℃-850℃ ：在工业中具有广泛的应用，例如：医疗、电机、工业、温度计算、阻值计算等高精温度设备。

其中，热电偶根据生产材料种类的不同，通常可以分为 S、R、B、K、E、J、T 这七种类型。其中的 S、R、B 这三种热电偶是使用贵金属材料制作的热电偶，因此一般只在很少的场合中使用，而 K、E、J、T 这四种热电偶因制作成本较低，所以在工业中得到广泛用，各种温度测量传感器的适用场合如下所示：

S:上限1300℃（短时1600℃）

B:上限1600℃（短时1800℃）

K:上限1200℃（短时1300℃）：K 型热电偶也存在着以下几方面的问题：1、非线性：热电偶输出的电势信号与实际要测量的温度之间为非线性关系，因此在实际使用过程中需要对两者进行线性化处理；2、冷端补偿：热电偶输出的电势信号为热电偶冷端处于 0℃环境时与热端的电势之差，但在工业应用中，热电偶的冷端温度会随着外界环境温度的变化而不断变化，因此，在应用时需要设计冷端补偿电路；3、数字化接口：热电偶输出的是模拟信号，必须对它输出的模拟信号进行模数转换。

T:上限-200～350℃（短时400℃）

E:上限-200～900℃

二、控制系统以及参数调节

在实际的工业控制中，单片机的控制对象大多为高压、大电流功率设备，而单片机的输出是低电压和弱电流，因此不能直接用来驱动大功率设备，必须间接地通过功率接口电路来驱动大功率设备，如下如所示：

固态继电器（SSR）的基本原理结构是一种没有机械触点的开关型元器件，其内部采用了独立的电子元件、抗干扰性强的集成电路（或芯片）和微电子技术，以使得控制回路与负载回路之间的电隔离和信号耦合。固态继电器由于其内部都采用的是全固态分立的电子元器件，因此与一般的接触器相比具有无可动作的机械触点和机械动作、工作可靠、寿命长、在通与断的时间不会产生电火花、无机械接触动作的噪声、开关速度快、工作频率高、抗干扰能力强等优点。同时，它具有最重要的一个特点是驱动电流小，给输入端加一个很小的信号，就可以实现对被控制系统的控制。

PID 控制是比例(Proportional)、积分(Integral)、微分(Differential)控制的简称，它以原理简单、易于实现、鲁棒性好和适用范围广等诸多优点成为工业过程控制领域最普遍的控制算法。目前，虽然在控制领域中不断涌现出各种各样新型的智能控制算法，但温度控制系统中，常规 PID 控制算法仍是所采用的主流控制方式，具体的原理框图如下图所示。PID 控制器的三个关键参数可以通过理论法或实验法来获得，在已知受控对象的数学模型及其参数的情况下，可以使用频率方法或根轨迹方法来确定 PID 控制器的参数。