一种双加热数字探空仪制造技术

本实用新型专利技术公开了一种双加热数字探空仪，包括：单片机处理器、温度传感器、气压传感器、双加热湿度传感器电路、GPS模块、GPS天线、无线发射机、发射机天线以及电源模块；双加热湿度传感器电路包括：加热电路、湿度传感器A、湿度传感器B、多路开关和振荡电路，双加热数字探空仪加热控制算法包括：包括副回路PID控制器设计和主回路控制器设计。与现有技术相比，本实用新型专利技术的有益效果在于：提出在高空加热条件下DMC‑PID串级控制加热模型和加热的策略，使系统具有很强的抗干扰能力和良好的跟踪性和鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于气象探测、无线电
，尤其涉及一种双加热数字探空仪。
技术介绍
探空仪作为高空气象要素采集的主要工具在气象观测中发挥着重要作用。由探空仪测量的高空大气湿度是大气探测综合观测系统中的关键要素之一，其可靠与否直接影响着天气预报和气候预测的准确性。探空仪湿度测量的一个难点是如何有效预防和消除因为高空大气的低温低湿环境导致的传感器结露结冰。芬兰Vaisala(维萨拉)公司为了解决上述问题，提出了一种基于双加热湿度传感器的探空测量方法，初步解决了雨滴、霜、冰晶等表面覆盖物烘干问题。本技术通过研究双加热探空仪湿度传感器自加热过程涉及到的温度、湿度、露点和水汽压等相关物理量之间的关系，分析了加热器的加热机理，建立了加热前后相对湿度的计算模型。常用的加热控制算法主要是常规的PID控制，此算法其具有原理简单、稳定可靠、无静差等优点，在过程控制中得到广泛应用，但对被控对象的参数变化比较敏感，存在着鲁棒性差、控制精度差等缺点，且无法对控制效果进行预判。动态矩阵控制(DMC)是一种适用于渐近稳定的线性系统的预测控制算法，目前已广泛应用于工业过程控制。它基于对象的阶跃响应建立预测模型，因此建模简单，同时采用多步滚动优化与反馈校正相结合，能直接处理大时滞对象，并具有良好的跟踪性能和较强的鲁棒性。然而如果实际系统存在非线性特征以及环境干扰等因素的影响，DMC将在实际的控制中存在模型失配的问题，导致其在抗干扰能力方面存在不足。针对以上控制算法的不足，提出DMC-PID串级控制的策略。在副回路中采取频率较高的PID闭环控制，抑制系统中出现的主要干扰；然后将PID控制器和被控对象作为广义对象，在主回路中采用DMC算法对这个广义对象进行控制，使系统获得良好的跟踪性和鲁棒性。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是，提供一种双加热数字探空仪，解决了目前高空气象数字探空仪在高空大气的低温低湿环境下导致的湿度传感器结露结冰的问题，提高了数字探空仪在高空气象条件下测量的精确度、可靠性，实现了快速准确的数据测量。本技术提供了一种双加热数字探空仪，包括：单片机处理器、温度传感器、气压传感器、双加热湿度传感器电路、GPS模块、GPS天线、无线发射机、发射机天线以及电源模块；单片机处理器分别与温度传感器、电源模块、气压传感器、GPS模块、无线发射机和双加热湿度传感器电路连接，所述GPS导航模块与GPS天线连接，所述无线发射机与发射机天线连接；双加热湿度传感器电路包括：加热电路、湿度传感器A、湿度传感器B、多路开关和振荡电路；加热电路与湿度传感器A和湿度传感器B集成在一个单独电路板上，所述的加热电路分别与湿度传感器A和湿度传感器B相连接，湿度传感器A和湿度传感器B通过加热电路交替加热，加热电路与单片机处理器连接，且单片机处理器通过DMC-PID串级温度控制模型控制加热电路，所述湿度传感器A与湿度传感器B均与多路开关相连接，所述多路开关与振荡电路连接，振荡电路与单片机处理器连接，单片机处理器与多路开关连接；单片机处理器对加热电路的控制包括副回路和主回路两条控制路径，副回路采用高频率的PID控制器闭环控制，然后将PID控制器和被控对象作为广义对象，在主回路中采用DMC算法对这个广义对象进行控制；所述单片机处理器；用于控制GPS天线输出数字中频信号，完成GPS模块数字中频信号的处理和基带解算，获取位置、速度、时间等导航信息，同时完成对来自温度传感器、气压传感器、湿度传感器A和湿度传感器B的温度、气压和湿度的信号采集处理，获取实时的温度、气压和湿度等信息，并完成卫星导航信息和信息的编码和调制，将调制后的无线信号发送给无线发射机，经过发射机天线发射给地面设备。单片机处理器为STM32单片机处理器。本实技术用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：(1)提出在高空加热条件下DMC-PID串级控制加热模型和加热的策略。(2)加热电路的设计，在加热过程中，控制电流不变，随温度的上升，电阻的增大，电压也变大，通过电压变化来计算湿度传感器的表面温度。(3)硬件系统的设计，在满足需求的情况下，降低整个系统的功耗。(4)在误差分析中，等到准确地传感器动态误差修正模型，提高测量的精度。(5)基于低功耗采集电路设计与微流供电技术，采用超低功耗的MCU与多路开关进行轮流切换进行信号采集，通过测量整个采集电路的电流进行选择合适的PWM电源芯片，使得电源转化效率达到最大，有效降低了功耗，从而减轻了探空仪的重量，从而使气球及探空仪小型化，轻型化。附图说明图1为本技术双加热数字探空仪的原理框架图；图2为本技术湿度传感器加热电路温度控制模型DMC-PID串级控制结构示意图；图3为本技术湿度传感器加热电路温度控制模型在干扰下DMC-PID串级控制结构示意图；图4为本技术加热片PID温度控制仿真结果；图5为本技术加热片DMC温度控制仿真结果；图6为本技术加热片DMC-PID温度控制仿真结果；图7为d＝1干扰的DMC-PID串级控制及PID-PID串级控制的温度控制仿真结果对比图。具体实施方式以下结合附图对本技术的实施例做进一步的详细说明。如图1所示，一种双加热数字探空仪，包括：单片机处理器、温度传感器、气压传感器、双加热湿度传感器电路、GPS模块、GPS天线、无线发射机、发射机天线以及电源模块；单片机处理器分别与温度传感器、电源模块、气压传感器、GPS模块、无线发射机和双加热湿度传感器电路连接，所述GPS导航模块与GPS天线连接，所述无线发射机与发射机天线连接；双加热湿度传感器电路包括：加热电路、湿度传感器A、湿度传感器B、多路开关和振荡电路；加热电路与湿度传感器A和湿度传感器B集成在一个单独电路板上，所述的加热电路分别与湿度传感器A和湿度传感器B相连接，湿度传感器A和湿度传感器B通过加热电路交替加热，加热电路与单片机处理器连接，且单片机处理器通过DMC-PID串级温度控制模型控制加热电路，所述湿度传感器A与湿度传感器B均与多路开关相连接，所述多路开关与振荡电路连接，振荡电路与单片机处理器连接，单片机处理器与多路开关连接；单片机处理器对加热电路的控制包括副回路和主回路两条控制路径，副回路采用高频率的PID控制器闭环控制，对系统干扰具有很强的克服能力，缩短了控制通道，使PID控制器的控制作用更加快速，与加热度模型构成广义被控对象；然后将PID控制器和被控对象作为广义对象，在主回路中采用DMC算法对这个广义对象进行控制，使系统获得良好的跟踪性和鲁棒性；所述单片机处理器；用于控制GPS天线输出数字中频信号，完成GPS模块数字中频信号的处理和基带解算，获取位置、速度、时间等导航信息，同时完成对来自温度传感器、气压传感器、湿度传感器A和湿度传感器B的温度、气压和湿度的信号采集处理，获取实时的温度、气压和湿度等信息，并完成卫星导航信息和信息的编码和调制，将调制后的无线信号发送给无线发射机，经过发射机天线发射给地面设备。单片机处理器为STM32单片机处理器。如图2所示，湿度传感器加热电路温度控制模型DMC-PID串级控制结构图。由动态矩阵控制模型的卷积性质决定了其采样周期要长于PID控制，因此动态矩阵控制不能像PID控制有效的抑本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双加热数字探空仪，其特征在于：包括：单片机处理器、温度传感器、气压传感器、双加热湿度传感器电路、GPS模块、GPS天线、无线发射机、发射机天线以及电源模块；单片机处理器分别与温度传感器、电源模块、气压传感器、GPS模块、无线发射机和双加热湿度传感器电路连接，所述GPS导航模块与GPS天线连接，所述无线发射机与发射机天线连接；双加热湿度传感器电路包括：加热电路、湿度传感器A、湿度传感器B、多路开关和振荡电路；加热电路与湿度传感器A和湿度传感器B集成在一个单独电路板上，所述的加热电路分别与湿度传感器A和湿度传感器B相连接，湿度传感器A和湿度传感器B通过加热电路交替加热，加热电路与单片机处理器连接，且单片机处理器通过DMC‑PID串级温度控制模型控制加热电路，所述湿度传感器A与湿度传感器B均与多路开关相连接，所述多路开关与振荡电路连接，振荡电路与单片机处理器连接，单片机处理器与多路开关连接；单片机处理器对加热电路的控制包括副回路和主回路两条控制路径，副回路采用高频率的PID控制器闭环控制，然后将PID控制器和被控对象作为广义对象，在主回路中采用DMC算法对这个广义对象进行控制；所述单片机处理器；用于控制GPS天线输出数字中频信号，完成GPS模块数字中频信号的处理和基带解算，获取位置、速度、时间等导航信息，同时完成对来自温度传感器、气压传感器、湿度传感器A和湿度传感器B的温度、气压和湿度的信号采集处理，获取实时的温度、气压和湿度等信息，并完成卫星导航信息和信息的编码和调制，将调制后的无线信号发送给无线发射机，经过发射机天线发射给地面设备。...

【技术特征摘要】
1.一种双加热数字探空仪，其特征在于：包括：单片机处理器、温度传感器、气压传感器、双加热湿度传感器电路、GPS模块、GPS天线、无线发射机、发射机天线以及电源模块；单片机处理器分别与温度传感器、电源模块、气压传感器、GPS模块、无线发射机和双加热湿度传感器电路连接，所述GPS导航模块与GPS天线连接，所述无线发射机与发射机天线连接；双加热湿度传感器电路包括：加热电路、湿度传感器A、湿度传感器B、多路开关和振荡电路；加热电路与湿度传感器A和湿度传感器B集成在一个单独电路板上，所述的加热电路分别与湿度传感器A和湿度传感器B相连接，湿度传感器A和湿度传感器B通过加热电路交替加热，加热电路与单片机处理器连接，且单片机处理器通过DMC-PID串级温度控制模型控制加热电路，所述湿度传感器A与湿度传感器B均与多路开关相连接，所述多...

【专利技术属性】
技术研发人员：张卫国，张颖超，孙宁，程恩路，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：新型
国别省市：江苏;32