一种野外红外靶标温度控制技术的研究

【摘要】本文利用模糊PID控制的原理，控制加热单元的升降温进程，使加热过程更趋于线性，以控制热靶达到预定目标温度，使热靶的温度趋于稳定值。 一、野外红外靶标温度控制系统的总体设计方...

摘 要：本文针对野外红外靶标温度控制精度不高的现象，设计研究了一种红外靶标的温度控制技术。这种温度控制技术是通过温度传感器测量靶面温度，把温度信号转换成的数字信号再反馈给微处理器进行计算和判断，给出当前温度值，将当前温度值和设定温度值进行比较判断，利用模糊PID 控制的原理，控制加热单元的升降温进程，从而实现对单元热靶精确的温度控制和监测。

关键词：红外靶标 靶面温度 模糊PID控制

中图分类号：TN216 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2014）04-0333-02

红外目标模拟靶标是红外成像技术在军事领域中的一项重要应用。红外成像目标仿真靶，能有效地对不同环境、不同背景的红外目标进行模拟，有利于对红外制导武器进行有效地测试[1]。红外靶标的温度控制系统一直都是红外靶的一项重要技术，然而野外红外靶标的温度控制相对于普通红外靶标的温度控制，由于野外环境的恶劣和多变，控制技术的难度和要求更为复杂。本文研究的主要目的就是为野外红外靶标提供一种可靠的温度控制技术，用于检测靶标本身的温度细微变化。

温度控制系统是一种典型的过程控制，与其他控制系统相比，温度控制系统有其特殊性。例如：对机械系统或机电系统，用线性定常集中参数的动力学微分方程来描述，通常不会带来过大的误差。然而用同样的方法来处理温度过程显然不能令人满意，因为热能的传递是以场的方式进行的，所以它具有明显的非线性、时变性、分布性以及时间滞后[2]。

本文利用模糊PID控制的原理，控制加热单元的升降温进程，使加热过程更趋于线性，以控制热靶达到预定目标温度，使热靶的温度趋于稳定值。

一、野外红外靶标温度控制系统的总体设计方案和技术指标

野外红外靶标温度控制系统技术指标要求如下：

野外红外靶标温度控制系统温度控制如图1所示。由温度传感器、信号放大电路、低通滤波电路、A/D转换电路、微处理器和控温电路组成。温度控制系统通过铂电阻温度传感器测量靶面温度，把温度信号（热电阻电信号）通过A/D转换芯片转换成数字信号，反馈给微处理器进行计算和判断，给出当前温度值，将当前温度值和初始设定温度值进行比较判断，利用模糊PID控制的原理，控制加热单元的升降温进程，使加热过程更趋于线性，以控制热靶达到预定目标温度，使热靶的温度趋于稳定值。

图1 野外红外靶标温度控制系统示意图

野外红外靶标温度控制系统的设计主要分为硬件设计和软件设计两部分。

二、野外红外靶标温度控制系统硬件设计

1.温度传感器选择

在设计中，采用具有高精度等级的 级Pt100薄膜型温度传感器，该温度传感器是利用金属铂（Pt）的电阻值随温度变化而变化，并且具有很好的重现性和稳定性的物理特性制成铂电阻温度传感器，它具有体积小、响应时间短、精度高、稳定性好、应用温度范围广等优点，是中低温区（-200℃～650℃）最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计（涵盖国家和世界基准温度）供计量和校准使用。

2.微处理器

根据系统技术指标和功能要求，微处理器采用ATMEL公司生产的ATmega16系列单片机。ATmega16系列单片机是以ATMEL高度非易失性存储器技术生产的，基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集、高度非易失性技术以及单时钟周期指令时间，使得ATmega16微处理器具有高可靠性、高稳定性、低功耗和高处理速度等优点。

3.测温电路

测温电路由温度传感器铂电阻Pt100、信号放大电路、低通滤波电路及器件组成，实现温度-电压变换，经放大至适当电压进行A/D转换。

在温度传感器选定以后，信号放大电路和低通滤波电路是测温电路关键，在设计中采用BURR-BROWN生产的低噪声、低失真的仪表放大器INA103和RC滤波网络，组成有源低通滤波信号放大电路来实现有效信号的放大和噪声滤除功能。

4.A/D转换电路

野外红外靶标温度控制系统温度控制模块中使用的A/D转换芯片是利用ATMEGA16微处理器内置的A/D转换功能。具有的高精度、线性度好和积分输入等特点。此外，它的应用电路简单，元件性能要求宽松，对环境适应能力强。

5.控温电路

控温电路由光控可控硅、可控硅、加热丝等组成，如图2所示。

图2 野外红外靶标温度控制模块中控温电路组成示意图

微处理器通过A/D转换感测到热电阻上电压随温度的变化，当温度低于设定值下限时，微处理器控制可控硅导通对加热丝进行控制，使温度升高，当感测到的温度高于设定值上限时，控制可控硅关断，使温度降低，实现闭环控制温度的作用。

三、温控电路系统软件设计

野外红外靶标系统单元热靶温度控制系统软件主要包括温度控制系统主程序、温度模糊PID控制程序、数据滤波程序。

1.温度模糊PID控制程序

常规PID控制具有原理简单，使用方便，鲁棒性好等优点，所以现在全世界控制领域中84%是应用PID控制的[2]。PID 控制即比例、积分、微分控制[3]。工作原理如图3所示。

图 3 PID 控制系统原理框图

温度控制是整个控制系统的核心，为了进一步保证系统控制精度要求，采用了数字模糊PID控制算法来完成对单元热靶的温度控制。

微处理器控制是一种采样控制，系统采用增量式PID控制算法为：

式中：e（k）表示当前温度测量值与设定目标间的差，设定目标是被减数，结果可以是正或负。正数表示温度还没有达到，负数表示温度超过了目标温度。

图4 模糊PID温度控制程序流程图

由于该控制算法不需要累加，控制增量Δu（k）仅与最近的k次采样有关，所以误动作时影响小，而且较容易通过加权处理获得比较好的控制效果。模糊PID控制算法框图如图4所示，程序流程图如图5所示。

图5 模糊PID温度控制算法原理框图

2.数据滤波程序

在温度控制系统中，测量值如果不能真实反映系统的输出，将会对温度控制造成很大的影响。为防止随机信号对温度测量值的影响，采用了中值滤波程序，对温度测量值进行数据滤波，每次连续采集7个温度测量值，取采样值的中间值作为温度测量值。这样能有效克服因偶然因素引起的波动干扰，对变化缓慢的温度被测参数有良好的滤波效果。在设计中采用BURR-BROWN生产的低噪声、低失真的仪表放大器INA103和RC滤波网络，组成有源低通滤波信号放大电路来实现有效信号的放大和噪声滤除功能。

四、实验测试结果和结论

1.测试结果

由以上测试结果和技术指标要求的对比，我们可以清晰地看出所设计的野外红外靶标温度控制系统的温度控制精度、温度非均匀性和温度改变速率都完全满足设计指标要求。该温度控制系统不但可应用于野外环境，同样可适用于其他场合的应用。

参考文献

[1] 黄伟.红外靶标智能控制技术研究.长春理工大学.2010，3.

[2] 汤志宝，郭兴旺，曾超.基于ARM的温度控制系统的设计.微计算机信息，2008.24.1～2

[3] 须田信英.PID制御.少久于么制御情报于了夕于，朝仓书店，1992.

[4] 李晓丹.模糊PID控制器的设计研究.天津大学.2005，5.