摘   要： 恒温槽温度的高精度控制和精确液位检测与准确计时是影响重力式毛细管粘度仪测量准确度的关键因素。提出并设计了一种将改进Bang-Bang控制、模糊控制、PID控制与DSP的PWM控制相结合的恒温槽温度复合智能控制方法，构建了一种改进型峰值液位检测方法，实现了恒温槽温度的精确控制和粘度仪的液位自动检测与准确计时。实测结果表明，采用复合智能温度控制和改进型峰值液位检测的重力式毛细管粘度仪各项指标均达到或优于工业粘度计国家标准要求，计时误差0.3%，恒温槽温度控制准确度达0.05 ℃。
关键词： 重力式毛细管粘度仪; 恒温槽温度; 自动计时; 复合智能控制; 改进型峰值液位检测

　　重力式毛细管粘度仪因原理简单、测量精度高，被广泛应用于化工、纺织、医药、国防等行业[1]。它将装有被测液体的乌式粘度管置于高精度的恒温槽，通过测量被测液体流经乌式粘度计计时起点标线与计时终点标线之间的时间差,确定被测液体的粘度[2]。国家标准《GB10247-88粘度测试方法》规定，这种重力式毛细管粘度仪要求恒温槽的温度误差≤0.1 ℃，计时误差≤0.5 %[2]。因此，精确计时与恒温槽温度的高精度控制是提高重力式毛细管粘度仪测量准确度的关键。
　　重力式毛细管粘度仪传统的计时方法通过人眼判断被测液体的凹型液面流经粘度管计时刻度线，并配合秒表完成[2]，工作效率低且测量误差大。利用光敏器件和由各种放大电路、整形电路、计数电路等组成的检测电路，可实现自动液位检测和自动计时[3]，但因采用分立元件，电路复杂且易发生故障。目前，快速、便捷的温度模糊控制器一般采用二维结构形式，以系统温度偏差和温度偏差变化率为输入变量，具有类似非线性PD控制器的作用[4]，因而无法消除系统静差。为此，本文设计了一种改进型峰值液位检测法和复合智能温度控制方法，以DSP微处理器为信息处理单元，完成了粘度仪准确自动计时和恒温槽高精度温度控制。
1 重力式毛细管粘度仪工作原理
　　重力型毛细管粘度仪利用粘度的相对测量原理[2]，可完成被测液体运动粘度和动力粘度的自动测量。其结构如图1所示。仪器以DSP(TI公司的TMS320LF2407)为信息处理单元，主要完成恒温槽外部环境温度采集、恒温槽内部温度采集和控制、加热与制冷工作方式判决、被测液体液位自适应检测与自动计时、被测液体粘度自动计算、LCD显示和打印控制、与PC机的通信等功能。DSP根据设定的恒温槽目标温度和外部环境温度的差值进行加热与制冷工作方式的判决，当目标温度高于外部环境温度时，DSP通过固态继电器SSR控制加热装置3工作；当恒温槽目标温度低于外部环境温度时，DSP通过继电器控制制冷装置2工作。水泵4搅动恒温槽中的水，使恒温槽内部各处的温度相同。恒温槽为重力式毛细管粘度仪提供了一个高精度和高稳定度的温度环境。DSP通过液位检测装置判断计时起点和计时终点，完成自动计时，通过计算得到被测液体的粘度。系统设有恒温槽漏电保护电路，当检测到恒温槽漏电时，保护电路切断电源并报警。

　　将被测液体吸升到上计时标线P0以上约5 mm处后，液体在重力作用下自然流下，测定液面通过计时球上标线P0与下标线P1所需要的时间，即可获得被测液体的运动粘度：
　　

式中，υ为液体的运动粘度(mm²/s)； C为粘度计仪器常数(mm²/s2)；t为被测液体液面通过计时球上标线P0与下标线P1所需要的时间（s）。
2 复合智能温度控制算法
　　模糊控制具有响应较快、鲁棒性较好、对系统数学模型依赖性小等优点[4-5]。PID控制算法简单、稳定性好、可靠性高，但单纯的PID控制存在调节时间长、控制效率低等缺点[6]。结合粘度仪恒温槽温度控制要求，设计了一种复合智能温度控制器，它以恒温槽目标温度、恒温槽实际温度与目标温度的偏差和温度偏差变化率、目标温度与恒温槽外部环境温度的差值为决策变量，将Bang-Bang控制、模糊控制和PID控制有机融合，并结合DSP的PWM的控制方式[7]，以实现恒温槽温度稳定、准确、快速控制。
2.1 恒温槽温度复合智能控制原理
　　设f_out为复合智能控制输出，T_d为恒温槽目标温度，T为恒温槽实际温度，Tc为恒温槽外部环境温度，ΔT_dc为恒温槽目标温度与恒温槽外部环境温度的差值（ΔT_dc=T_d-T_c），e为恒温槽目标温度与恒温槽当前实际温度的偏差(e=T_d-T)， e(n-1)为第n-1时刻的温度偏差，Δe为温度偏差变化率(Δe=e(n)-e(n-1))，f_heat为加热方式，f_cold为制冷方式，则有:

　　式(3)～(6)即为复合智能温度控制算法模型，其结构如图2所示。本文只给出加热控制模型。

　　式(4)为改进型Bang-Bang控制，P为加热器全功率加热方式，P/2为加热器半功率加热方式，M₀为温度误差阈值。
　　式(5)中的模糊控制，以e、Δe为输入变量，采用常用的二维结构形式和“if…and…then…”的控制规则。考虑到控制器超调小和响应速度快的要求以及水的热惯性大等因素,模糊控制规则如表1所示。其中，{-3,-2,-1,0,1,2,3}分别表示{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}7级；E为温度偏差的模糊输入变量；EC为温度偏差变化率的模糊输入变量(E=INT[Round(e/ke)]，EC=INT[Round(Δe/kc)]，INT表示取整，Round表示四舍五入，当E=INT[Round(e/ke)]，EC=INT[Round(Δe/kc)]的值小于-3或大于3时，E、EC分别取-3或3，ke、kc分别为e、Δe的模糊化因子）；F为模糊控制输出量。模糊控制规则表存入DSP中,通过查表,可得到相应的模糊控制量。

　　式(6)中，f₃(n-1)为上一次的控制量；K_p、K_i、K_d分别为比例增益系数、积分系数和微分系数，适当调整K_p、K_i、K_d，可实现控制量f₃(n)的在线修改。
2.2 基于DSP的恒温槽温度复合智能控制实现
　　粘度仪的CPU采用TI公司的DSP TMS320LF2407，片内有16路PWM输出(包括12路比较PWM和4路16位通用定时器PWM)，能很方便实现温度的PWM控制；16路10位A/D转换，转换时间为500 ns，适合于恒温槽温度的采集[8]。仪器设计采用DSP的EVB通用定时器T3的PWM输出。定时器T₃具有16位的周期寄存器T₃PR和比较寄存器T₃CMPR，T₃PR用于设置PWM的周期，T₃CMPR用于设置PWM的占空比。粘度仪将DSP的PWM控制功能与复合智能控制方法结合，通过PWM周期恒定不变，在线修改PWM占空比的方法(即T₃PR值恒定,在线修改T₃CMPR的值[8]),改变加热器在一个PWM周期内的导通时间，以达到温度的精确控制。
　　

　　式中，F为表1中的模糊输出量。
　　对于式(6)的PID控制，为了实现PID控制与模糊控制良好“接口”，必须满足PID控制的最大输出控制量不大于模糊控制的控制步长，即f₃(n)<T₃PR/12，因此式(6)可修改为:

3 改进型峰值液位检测法
　　为减少噪声或其他干扰信号对液位检测精度的影响，采用一种改进型峰值检测方法，获得计时起点或计时终点，实现毛细管粘度仪的自动液位检测和准确计时。如图1所示，液位检测装置中的光电传感器将液位信号转换为电压信号u，经信号调理后，利用DSP处理器内部10位A/D转换器采样，在被测液体液面到达计时标线附近可获得如图3(a)所示的液位检测电压曲线。设u(n)为第n时刻的液位检测电压；u(n-1)为第n-1时刻的检测电压，则第n时刻检测电压的一阶差分Δu(n)为：

　　当L_n=1时，即认为第n点为计时点，系统将从第n点开始计时或停止计时。M决定式(12)的抗干扰能力，M越大，系统抗干扰能力越强，但过大的M会超出液位检测电压变化区(即图3(a)中的A~B区间)，因此M值需综合考虑各因素，通过实验确定。这种改进型的峰值液位检测法较单纯的峰值液位检测法(即M=1)更能准确完成计时点的判定。
4 仪器的实验结果
　　在构建了恒温槽复合智能温度控制算法和改进型峰值液位检测方法的基础上，作者对粘度仪进行了大量的实验，均取得了良好的效果。根据恒温槽温度上升时间、超调量和控制精度的要求，通过大量实验并考虑裕量,取M₁=3 ℃，M₀=0.75 ℃，Mε=0.125 ℃，k_p=0.35，k_i=0.01，k_d=0.02,计算得到k_e=0.25，k_c=0.04，获得了满意的温度控制精度。
　　当恒温槽外部环境温度、恒温槽中水的初始温度为8 ℃，恒温槽目标温度为25 ℃时，图4为恒温槽温度的模糊控制、PID控制与复合智能控制曲线比较。由图可以看出，复合智能控制的性能优于基本模糊控制和PID控制，其超调量小，稳态误差很小。

　　利用检定合格的乌式粘度计(毛细管内径为0.9 mm,仪器常数为0.046 17 mm²/s²)，按照国家标准GB10247-88的要求，在25 ℃的条件下，分别以手动计时方式与自动计时方式(采用改进型液位峰值检测法实现液位自动检测和自动计时)对变压器油、食用酱油、0#柴油、纯甲苯、聚丁二烯等多种试样进行了大量实验，均获得了准确结果。表2为变压器油和食用酱油的部分实验数据，表中，重复性定义为同列平均之差与两列平均的比值[2]。实验结果表明，仪器的同列重复性(即同列计时误差)小于0.3 %，优于GB10247-88人工计时测量的同列重复性要求(0.5 %)。

　　精确计时与恒温槽温度的高精度控制是影响重力式毛细管粘度仪测量准确度的关键技术。本文利用一种复合智能温度控制方法实现了恒温槽温度的精确控制；采用改进型液位峰值检测方法，实现了重力式毛细管粘度仪的自动液位检测和准确计时。实验表明，恒温槽温度控制精度≤0.05 ℃，粘度仪的同列重复性（即同列计时误差）小于0.3%，优于国家标准的要求。
参考文献
[1] 陈惠钊. 粘度测量[M].北京:中国计量出版社, 2003: 2-4.
[2] 中华人民共和国国家标准. 粘度测试方法（GB1024788）[S]:197-199, 210-211.
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[4]  LEE C C. Fuzzy logic in control systems: Fuzzy logic control (PartⅠ)[J]. IEEE Transaction on System Man and Cybernetics, 1990(20):404－418.
[5]  LIN Hai Jun, TENG Zhao Sheng, CHEN Tao, et al.  Improved fuzzy control method for temperature in water tank of intelligent viscometer[C]. IEEE International Conference on Information and Automation(ICIA 2008), 2008: 1106-1110.
[6]  丁丰平, 张华强, 苏振. 基于预测控制的Fuzzy-PID控制器算法研究[J]. 电子器件,2007,30(6):2152-2154,
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[8]  Texas Instruments Inc. TMS320LF2407 Datasheet[EB/OL], 2000:36-40.