[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，設計了一種水分測定電子天平。這種儀器具有水分測定與質量稱量兩種計量功能。采用時間最優(yōu)控制與PID控制相結合的控制策略來對烘箱的溫度進行實時控制，既可以發(fā)揮時間最優(yōu)控制快速消除大偏差的優(yōu)點，又能發(fā)揮PID控制精度高、超調小的優(yōu)點，從而使靜態(tài)、動態(tài)性能指標較為理想，同時又達到了準確、快速測定的目的。
水分是決定產品質量和工藝的基本參數，水分含的準確測定是產品質量的重要保證。目前諸多行業(yè)水分測定標準方法（仲裁依據）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控制相結合，設計了一種基于DSP的新型水分測定電子天平，采用時間最優(yōu)控制和PID控制相結合的控制策略對烘箱溫度進行實時控制，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，又能發(fā)揮PID控制精度高、超調小的優(yōu)點。
1 測試機理與結構設計
本文采用TMS320LF2407A的DSP作為信息處理單元，設計了一種基于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量轉換成電信號輸出至放大電路，變成0～5V直流電壓信號，經A/D轉換送DSP處理，顯示、打印或語音輸出測量結果。
紅外干燥箱內的熱敏元件通過測溫電路和A/D轉換隨時向DSP提供溫度測量信息。DSP根據鍵盤設定溫度和烘箱內實測溫度進行PWM控制，通過可控硅調功電路實現。
1.1紅外輻射干燥機理
紅外輻射烘干法的干燥機理仍基于經典法，用電阻式烘箱，試樣中水分的蒸發(fā)主要靠熱傳導，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內部加熱，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，因此在烘干加熱領域得到了廣泛的應用。
由于微波加熱方式一般功率較大，難以控制，而且可能導致輻射泄漏，因此本文設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質量稱量原理
水分測定電子天平質量稱量范圍為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；該信號經放大送入PID調節(jié)電路；PID調節(jié)信號送入動圈的驅動電路，改變動圈中的電流，使得杠桿向平衡方向運動；同時，差分光電二極管的輸出信號減小，但由于PID調節(jié)環(huán)節(jié)的存在，調節(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。質量稱量信號經放大、濾波、A/D轉換后送人DSP信息處理單元進行后續(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公司生產的自帶溫度補償的K型熱電偶串行模/數轉換器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，設計了一套溫控器電路。
主電路由雙向可控硅BCR50GM控制，其開關電流為50A，通過實際調試，確定了控制電路參數，如圖2所示。
MAX6675將熱電偶輸出的mV信號直接轉換成數字信號送給DSP， MAX6675可對冷端溫度進行補償。
DSP送出PWM控制信號驅動光電耦合器MOC3061，以控制可控硅BCR50GM的導通與截止，使電阻爐的溫度能夠穩(wěn)定在給定點附近。
通過測量溫度與設定溫度比較來調節(jié)DSP輸出脈沖信號的占空比，進一步控制鹵素紅外燈平均導通功率，從而達到調節(jié)溫度的目的。
2.2溫度控制方法 
PID控制是一種技術成熟、應用廣泛的控制方法，其結構簡單，參數整定方便，而且對大多數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。
對于采用調壓調功方式的溫度控制，PID算式應當采用位置算式，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）為輸入調節(jié)量；
Kp，K1，KD分別為比例系數、積分系數、微分系數；
e（k）為當前時刻的溫度與溫度設定值差；
e（k-1）為上次采樣時刻的溫度與溫度設定值差；
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，溫度超調量大，調節(jié)時間長，從通電加熱到溫度恒定至少需要20min，控制效率低，能源浪費大，設備損壞率高。
時間最優(yōu)控制使系統(tǒng)從一個初始狀態(tài)轉到另一個狀態(tài)所經歷的過渡時間最短。這種類型的最優(yōu)切換系統(tǒng)，也稱為開關控制（Bang-Bang）系統(tǒng)。即： 
可以規(guī)定一閾值ε，當偏差大于ε時，實行時間最優(yōu)控制，而在閾值以內，實行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，又能發(fā)揮PID控制精度高，超調小的優(yōu)點，從而使溫度控制過程的靜態(tài)、動態(tài)性能指標較為理想。
2.3參數整定
由于溫度變化速度較慢，本系統(tǒng)選擇采樣時間TS為5ms，其余調節(jié)參數均在PID仿真基礎上參考ZEGLER-NICHLE整定方法經實驗確定。 
由于控制電路輸出脈沖信號的臨界電壓為1.66V，對應數字量為AAH（十進制數為170），所以將該電壓值作為系統(tǒng)首次進入控制過程時u（k-1）值。
3 性能測試
本系統(tǒng)經過反復溫控試驗以及連續(xù)運行的可靠性試驗，最終確定了PID算法的參數。當系統(tǒng)施加給定升溫時，在20～80℃范圍內最大動態(tài)超調小于土2℃，穩(wěn)態(tài)誤差小于±0.2℃，系統(tǒng)運行狀態(tài)良好。其典型響應曲線如圖3所示。 
4 結論
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，有效地避免了經典方法水分測定的重復性，大大提高了測量速度，為水分測定標準方法的發(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量稱量的操作，有利于提高實驗室分析測試的工作效率，減少設備投資，因而具有廣闊的應用前景。
