一种用于压力传感器的温度控制系统设计

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O 引言

在微电子器件领域,针对SiC器件的研究较多,已经取得了较大进展,而在MEMS领域针对SiC器件的研究仍有许多问题亟待解决。在国内,SiC MEMS的研究非常少,因而进行SiC高温MEMS压力传感器的研究具有开创意义。碳化硅(SiC)具有优良的耐高温,抗腐蚀,抗辐射性能,因而使用SiC来制作压力传感器,能够克服Si器件高温下电学、机械、化学性能下降的缺陷,稳定工作于高温环境,具有光明的应用前景。

然而当外界温度较大时,压力传感器受温度影响精度不高,会产生零点漂移等问题,从而增大测量误差。于是尝试加工一个腔体,把压力传感器和温度传感器放置在里面形成一个小的封闭腔体,在外界温度较高或较低的情况下,用加热装置先升温到几十度并维持这一温度,给压力传感器做零点补偿,提高压力传感器的测量精度。这样就克服了在大温度范围难以补偿的问题。本文对这个温度控制系统提出了解决方案,采用了PID参数自整定控制,模糊控制属于智能控制方法,它与PID控制结合,具有适应温控系统非线性、干扰多、时变等特点。

1 硬件系统

用放置在腔体内的温度传感器测量恒温箱内的温度,产生的信号经过放大后输出反馈信号,再用单片机进行采样,由液晶显示恒温箱内的温度,并通过温度控制算法控制加热装置。所使用的单片机为STCl25408AD,自带A/D转换、EPROM功能,内部集成MAX810专用复位电路(外部晶振20 MHz以下时,可省外部复位电路),ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程),无需专用编程器可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序,数秒即可完成一片。硬件结构框图如图1所示。



2 系统的控制模型

电加热装置是一个具有自平衡能力的对象,可用一阶惯性环节描述温控对象的数学模型。



式中:K为对象的静增益;t’为对象的时间常数。

目前工程上常用的方法是对过程对象施加阶跃输入信号,测取过程对象的阶跃响应,然后由阶跃响应曲线确定过程的近似传递函数。具体用科恩-库恩(cohen-coon)公式确定近似传递函数。

cohn-coon公式如下:



式中:△M为系统阶跃输入;△C为系统的输出响应;t0o.28为对象上升曲线为O.28△C时的时间(单位:min);t0.632为对象上升曲线为O.632△C时的时间(单位:min);从而求得K=O.96,t’=747 s。所以恒温箱模型为:



3 系统的控制模型仿真及实验结果

纯PID控制有较大超调量;而纯模糊控制由于自身结构的原因又不能消除稳态误差,稳态误差较大。所以,考虑把它们两者相结合,实现优势互补。本论文采用参数模糊自整PID控制。

使用该模糊控制器在Simulink中构建整个控制系统,如图2所示。

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