CN101887275B - 高精度温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度温度控制方法，在系统开始运行时，根据冷却剂初始温度与设定温度的差值，决定压缩机的初始运转频率，并保持压缩机以初始频率运行一段时间，直至压缩机制冷系统初步平衡；当系统正常运行后，采用PID算法，控制冷却剂温度由初始温度降至接近设定温度的第一平衡点温度，此过程中，对温度差e(k)′、变化速率y(k)、及压缩机运转频率的变化控制量u(k)采用分段控制的方法，避免超调量，提高控制精度；再将冷却剂温度再由第一平衡点温度T1调整至设定温度Ts，压缩机以到达设定温度Ts时的运转频率持续运行，将冷却剂的温度稳定在设定温度Ts上，从而使温度控制精度更高，可以将温度控制在±0.1℃范围内。

Description

高精度温度控制方法

技术领域

本发明属于电子科学与技术领域，涉及一种温度控制方法，特别涉及一种为特殊工业场合提供高精确温度控制的温度控制方法。

背景技术

在工业和科学领域，有些场合对于温度控制精度有很高的要求，例如在有些场合要求温度基本恒定，精度要求达到±0.1度之内。

在科学研究领域，这种高精度温度控制是通过精密度高、且很复杂的仪器来实现的，其成本昂贵。

在工业领域，传统的高精度温度控制的实现是由定频技术来实现的，它是在压缩机的吸气与排气之间接一铜管，利用阀门对铜管的打开和关闭进行控制，当对压缩机的能力要求很高时，则控制阀门将铜管关闭，而当压缩机冷量过大时，就适当地打开阀门，将多余的冷量通过铜管排掉，这就是所谓的“热气旁通”技术。这种热气旁通技术实际上是将压缩机的能力白白的排掉，是对能量的极大浪费，能效比低，而且将压缩机的吸气与排气直接短接起来，会给压缩机带来许多不稳定因素。

针对以上缺陷，为了提高能效比，现有技术中也有很多利用PID（即比例积分微分）控制技术进行温度控制，它是通过调节PID参数来调节压缩机频率的变化，达到控制温度的目的。

例如，在某工业设备中，机器设备在运行时不断地产生热量，此时，需要利用冷却机将机器设备产生的热量带走，冷却机就是通过油冷剂或水冷剂，不断地在系统中运行，由压缩机产生的冷量，将油冷剂或水冷剂的温度降低，降到设定温度的附近，并控制在较高的精度上，从而不断地将设备产生的热量带走，即通过PID控制技术将当前温度Toil稳定在设定温度Tset上。

现有技术中PID的控制原理如图1所示，控制器检测到当前温度Toil与设定温度Tset之间的差值e(k)，由控制器输出控制变化量u(t)给压缩机，控制压缩机的运转频率，由压缩机产生冷量，控制下一次温度差e(k+1)在控制精度范围内，同时控制器检测温度变化的速率y(k)，此变量也是控制压缩机运转频率的另一重要参数。但是这种传统的PID控制方式也有不足，从图2中可以明显看出，它会导致反应相对滞后，超调现象严重，因为冷却机系统是非线性、时变和分布参数系统，用准确的数学解析式表示其特性很困难，因而用传统的PID控制方法，在实际中无论如何调整PID参数，其滞后及超调都很明显，即使时间再延长，其误差也在一度左右，当对温度控制精度要求比较高时，无法满足要求。

发明内容

本发明主要目的在于解决上述问题和不足，提供一种温度控制精度高，并可有效避免超调现象的高精度温度控制方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种高精度冷温度控制方法，包括如下步骤：

1）温度控制器上电，不启动压缩机，设定需要的温度，开机，压缩机开始运行；

2）根据冷却剂初始温度T0与设定温度Ts的差值e(k)，决定压缩机的初始运转频率，并保持压缩机以初始频率运行一段时间，直至压缩机制冷系统初步平衡；

3）当系统正常运行后，采用PID算法，控制冷却剂温度由初始温度T0降至接近设定温度Ts的第一平衡点温度T1；

此过程中，温度控制器将检测到的冷却剂的当前温度T与设定温度Ts之间的温度差e(k)′、冷却剂的温度每变化单位温度所需时间的变化速率y(k)、及压缩机运转频率的变化控制量u(k)各分为若干个区间；

当系统运行时，根据当前的温度差e(k)′及变化速率y(k)的大小确定其所处于的区间，经温度控制器进行PID计算后，进一步确定控制量u(k)所对应的区间，从而确定当前压缩机的运转频率是上升或是下降，以及控制量u(k)的大小，再通过温度控制器向压缩机输出，从而控制压缩机的运转频率；

4）将冷却剂温度再由第一平衡点温度T1调整至设定温度Ts，此过程应满足如下关系式：

$E_{\mathrm{Cool}}=(T1-T2)*\stackrel{\‾}{E}+E_{\mathrm{Heat}}---\left(1\right)$

其中，E_Cool——压缩机制冷能量；

E_Heat——负载制热能量；

——压缩机在冷却剂变化单位温度所需要克服负载所做的功；

5）压缩机以到达设定温度Ts时的运转频率持续运行，将冷却剂的温度稳定在设定温度Ts上。

该方法中对冷却剂的温度进行实时监控，每当温度变化单位温度时，就计算所需要的时间，将得到的变化速率y(k)输入到温度控制器。

本发明的进一步改进在于，将上述步骤4)，分为两个阶段；

第一阶段，将冷却剂温度从第一平衡点温度T1调整至中间温度T2，此过程为补偿压缩机制冷量与负载发热量差的过程，补偿过程满足如下公式：

$\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{f}_k\×t_k=(T1-\mathrm{Ts})\×\mathrm{\ΔE}+f\×(t2-t1)---\left(2\right)$

其中，f_k——第k次采样时运行频率；

t_k——以f_k频率运行的时间；

t1——冷却剂由初始温度T0降至第一平衡点温度T1所需要的时间；

t2——冷却剂由第一平衡点温度T1调整至中间温度T2所需要的时间；

△E——是在假定E_Cool＝E_Heat的情况下

的估测值；

f——压缩机运行频率，是在假定E_Cool=E_Heat的情况下的

估测值；

其中，

——压缩机运转频率；

第二阶段，将冷却剂温度从中间温度T2调整至设定温度Ts，此过程中，及达到设定温度Ts后，压缩机均以f运转频率运行。

其中，△E和f两个估测值，分别满足如下公式：

f=E_Cool÷t1                （3）

△E=E_Cool/[2*(T0-T1)]            （4）。

在冷却剂温度达到设定温度Ts时，对上述△E与f两个估测值进行自动调节，计算出精确的与

从而使冷却剂温度稳定在控制精度范围内。

计算

与

精确数值的步骤如下：

1）设定冷却剂温度每上升或下降单位温度，相应地压缩机运转频率也上升或下降1HZ，当温度变化超出单位温度时，温度每上升或下降单位温度，压缩机运转频率上升或下降2HZ，当在某一温度点稳定一定时间时，则判断当前频率即为f*的精确值

2）通过如下公式计算出△E的精确值

$[\stackrel{\‾}{f}\×(t3-t1)-{\∫}_{t1}^{t3}f\×\mathrm{dt}]/\mathrm{\Σ}\left|\mathrm{\ΔT}\right|---\left(5\right)$

其中，t3——压缩机以频率运转的时间

|△T|——在t1——t3过程中，温度变化，即温度变化0.1度，累加一次。

本发明的更进一步改进在于，当系统再次启动时，由如下公式计算得出压缩机从初始温度T0到设定温度Ts所需克服负载发热所做的功，进行补偿，然后压缩机再以

频率运行；

$\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{f}_k\×t_k=e\left(k\right)\×\mathrm{\ΔE}+\stackrel{\‾}{f}\×t---\left(6\right)$

其中，e(k)=T0-Ts

$t=\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_k$

综上内容，本发明所提供的高精度温度控制方法，采用了将温度差、变化速率、及控制量分段控制的方式，有效避免了现有技术中的超调现象，本发明对温度采样实时监控，可以使温度控制更为精确。另外，本发明将冷却剂温度由第一平衡点温度调整至设定温度也分为系统能量补偿、压缩机以理想状态的运转频率运转、对压缩机的运转频率进行自动调节等三个阶段控制，从而使温度控制精度更高，可以将温度控制在±0.1℃范围内。

附图说明

图1现有技术中PID控制方式原理图；

图2现有技术中温度控制曲线图；

图3本发明温度控制曲线图；

图4本发明实验温度曲线图。

如图1到图4所示，温度控制器1，压缩机2。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图3至图4所示，一种高精度温度控制方法，包括如下步骤：

第一步：

温度控制器1上电后，压缩机2并不启动，此时显示板通过传感器检测当前的冷却剂初始温度T0（本实施例以用油作为冷却剂为例），设定温度Ts一般情况默认为16℃，然后可以通过操作温度控制器1上的温度设定按键选择需要的设定温度Ts。等温度设定好后，开机，压缩机2开始运行。

第二步：

系统开始运行时，温度控制器1内的程序根据当前的初始温度T0跟设定温度Ts的差值e(k)来决定压缩机2的初始运转频率，温差e(k)越大，初始运转频率越大，温差e(k)越小，初始运转频率越小，这样既可以尽快地降低温度，又可以减少超调量。

当系统刚刚启动时，制冷系统尚未建立平衡，此时温度变化不能反映正常的趋势，因此需要延时一段时间，保持压缩机2以初始频率运行，一般的情况下，刚开始运转时，压缩机2以等于或大于80Hz的高频率运转1至2分钟后进入下述过程。

第三步：

当系统正常运行后，采用PID算法，控制冷却剂温度由初始温度T0降至接近设定温度Ts的第一平衡点温度T1，此时，冷却剂的温度基本上已达到设定温度Ts，压缩机2制冷系统达到了基本的平衡，一般情况下，第一平衡点温度T1低于设定温度Ts。

此过程中，采用分段控制的方法，温度控制器1将检测到的冷却剂的当前温度T与设定温度Ts之间的温度差e(k)′、冷却剂的温度每变化单位温度(本实施例以±0.1℃为例)所需时间的变化速率y(k)、及压缩机运转频率的变化控制量u(k)（频率需要改变的量的大小）各分为若干个区间，例如，将温度差e(k)分成e(9),e(8),e(7),e(6),e(5),e(4),e(3),e(2),e(1);e(0),e0(9),e0(8),e0(7),e0(6),e0(5),e0(4),e0(3),e0(2),e0(1)19个区间,每个区间代表一段温度差的数值范围；同样,将变化速率y(k)分成y(1),y(2)],y(3),y(4),y(5),y(6),y(7),y(8),y0(1),y0(2),y0(3),y0(4),y0(5),y0(6),y0(7),y0(8)16个区间，将变化控制量u(k)也分成u(1),u(2),u(3),u(4),u(5),u(6),u(7),u(8),u0(1),u0(2),u0(3),u0(4),u0(5),u0(6),u0(7),u0(8)16个区间,每个温度差e(k)及变化速率y(k)的组合都相应对应一个控制量u(k)的区间，每个控制量u(k)的区间都通过程序预先设定好下一时刻压缩机2的运转频率是上升还是下降，以及控制量u(k)的大小范围。

当系统运行时，根据当前的温度差e(k)′及变化速率y(k)的大小确定其所处于的区间，经温度控制器1进行PID计算后，确定控制量u(k)所对应的区间，从而确定当前压缩机的运转频率是上升或是下降，以及控制量u(k)的大小，再通过温度控制器1向压缩机2输出，从而控制压缩机2的运转频率。

例如：

当温度差e(k)′及变化速率y(k)分别处于e0(9)和y0(8)区间时，相应的控制量u(k)处于u0(3)区间，则压缩机2需要降频，而且降频的范围为2Hz至3Hz之间。当温度差e(k)′及变化速率y(k)分别处于e0(3)和y0(7)区间时，相应的控制量u(k)处于u(4)区间，则压缩机2需要升频，而且升频的范围为3Hz至5Hz之间。

其中频率变化的具体大小，需要通过计算来得到，计算方法如下：

温度变化0.1℃，此时控制程序如下处理（其中HE，HY，HU分别为温差，变化速率及频率控制量的参数）。

A）计算此时温差E（k）；

B）当(E(k)∈(e[9],e[1],e[0],e0[1],e0[9])，令HE==0

注：上述处理是为了使HE与U（k）符合一致，同为正或者同为负。

C）温度变化0.1℃所用时间Y(k)，

HY与U（k）的方向一致。

1）HU=HY+HE；

2）If(HE=0)||(HY=0){U(k)=HU*(u2-u1)+u1；

3）else{U(k)=HU/2*(u2-u1)+u1；

这样计算出U(k)的大小及方向，通过温度控制器1控制压缩机2的运转频率，从图3中可以明显看出，系统超调量非常小，而且还可以通过不断地调整频率来实现对温度的精确控制。

在本发明中，为了更好的监控温度的变化，采取了与以往不同的取样方式，即：不是以固定的时间来采样温度AD值，而是对温度进行实时监控。当温度变化0.1℃时，计算所需要的时间，这样时间的大小就是温度变化的速率，而传统的固定周期采样方式无法准确反映出温度变化的速率，试验证明，通过此控制，可以使温度控制有很大改善。

第四步：

对于控制对象即恒量的介质而言，在一定的条件下（环境温度、负载不变时）其温度变化0.1℃所需要的能量是相等的。例如：我们把水从10℃加热到20℃所做的功，与从80℃加热到90℃所做的功是相等的，这样，先定义冷却剂每变化单位温度±0.1℃所需要克服负载所做的功为

。

在温度稳定时，压缩机2的制冷量，必须与负载的发热量相等，否则温度会出现偏移。而要使两者相等，则应该计算出负载的功率，由于压缩机的频率与功率基本上成线性关系，在这里我们统一用压缩机的运转频率

来衡量。

由以上分析可知，将冷却剂温度由第一平衡点温度T1调整至设定温度Ts并且稳定下来，则应满足如下关系式：

$E_{\mathrm{Cool}}=(T1-\mathrm{Ts})\×\stackrel{\‾}{E}+E_{\mathrm{Heat}}---\left(1\right)$

在式（1）中，E_Cool——压缩机制冷能量；

E_Heat——负载制热能量；

为了提高温度控制精度，本发明将此过程分为两个阶段分别控制；

第一阶段，将冷却剂温度从第一平衡点温度T1调整至中间温度T2，此过程为补偿压缩机制冷量与负载发热量差的过程，补偿过程满足如下公式：

$\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{f}_k\×t_k=(T1-\mathrm{Ts})\×\mathrm{\ΔE}+f\×(t2-t1)---\left(2\right)$

其中，f_k——第k次采样时运行频率；

t_k——以f_k频率运行的时间；

t1——冷却剂由初始温度T0降至第一平衡点温度T1所需要的时间；

t2——冷却剂由第一平衡点温度T1调整至中间温度T2所需要的时间；

△E——是在假定E_Cool=E_Heat的情况下

的估测值；

f——压缩机运行频率，是在假定E_Cool=E_Heat的情况下的

估测值；

其中，

——压缩机运转频率；

因为无法预先计算出

和

的实际值，为此我们可先取两个估测值△E和f，△E和f两个估测值，分别满足如下公式：

f=E_Cool÷t1          （3）

△E=E_Cool/[2*(T0-T1)]          （4）。

式（3）是假定E_Cool=E_Heat的条件下得出的，比实际值偏大，而在计算之时，由于系统的延时及判断最低点的延迟，其偏差并不大。

可以暂时认为f为压缩机运转频率，这样在到达t2时刻时，已经使得制冷量与负载之间因为温度差值而造成的能量不平衡消失，即，从t2时刻时，可以认为整个系统制冷的能量已经达到平衡，以后只要让压缩机2以f运行，在理想状态下，温度应该能够达到设定温度Ts，并且不会再出现超调现象，如果以后以f运行，则温度不会再变化。

第二阶段，将冷却剂温度从中间温度T2调整至设定温度Ts，此过程中，及达到设定温度Ts后，压缩机2均以f运转频率运行。

第五步：

由于以上得到的f和△E是预估值，会产生偏差，因此，在冷却剂温度达到设定温度Ts时，对上述△E与f两个估测值进行自动调节，计算出精确的

与

，保证压缩机2以

频率运行，从而使冷却剂温度稳定在控制精度范围内。

计算

与

精确数值的步骤如下：

首先，冷却剂温度每上升或下降0.1℃，相应地压缩机运转频率也上升或下降1HZ，当温度变化超出±0.1℃时，温度每上升或下降0.1℃，压缩机运转频率上升或下降2HZ，这样，即可以自动调节得到

当在某一温度点稳定较长时间时（例如3分钟），则判断当前频率即为f的精确值

此时刻相当于t3。

然后，通过如下公式计算出△E的精确值

$[\stackrel{\‾}{f}\×(t3-t1)-{\∫}_{t1}^{t3}f\×\mathrm{dt}]/\mathrm{\Σ}\left|\mathrm{\ΔT}\right|---\left(5\right)$

其中，t3——压缩机以

频率运转的时间

|△T|——在t1——t3过程中，温度变化，即温度变化0.1度，累加一次

这样，就得到了精确的

和

此后就可以精确计算了。

对同一系统，计算出

与

之后，再次启动系统时可以缩短从t0——t3的时间，即由如下公式：

$\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{f}_k\×t_k=e\left(k\right)\×\mathrm{\ΔE}+\stackrel{\‾}{f}\×t---\left(6\right)$

式（6）中，e(k)=T0-Ts

$t=\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_k$

计算出我们从初始时温度T0到设定温度Ts所需克服负载发热所做的功，进行补偿（可以以高频运行，不再进行PID调整）。然后再以

运行。其中，f_k可以为一固定频率，例如80HZ，运行一段时间后再以运行，在理论上就可以完全避免超调现象。这样不断可以大大缩短初期稳定所需的时间，理想状态下没有任何超调量出现，大大节约能源。但是必须注意的是，必须在其他条件（外部环境、负载）不变的情况下才能这样应用。如果其他条件（外部环境、负载）变化，则应该重复上述步骤重新计算。

此方法也可应用于其他情形温度控制，负载能力越大控制越稳定，或者适用于PID控制的领域，对其进行改进，以达到节约能源的目的。

如上所述，结合附图和实施例所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种高精度温度控制方法，其特征在于：包括如下步骤： 

1）温度控制器上电，不启动压缩机，设定需要的温度，开机，压缩机开始运行； 

2）根据冷却剂初始温度T0与设定温度Ts的差值e(k)，决定压缩机的初始运转频率，并保持压缩机以初始频率运行一段时间，直至压缩机制冷系统初步平衡； 

3）当系统正常运行后，采用PID算法，控制冷却剂温度由初始温度T0降至接近设定温度Ts的第一平衡点温度T1； 

此过程中，温度控制器将检测到的冷却剂的当前温度T与设定温度Ts之间的温度差e(k)′、冷却剂的温度每变化单位温度所需时间的变化速率y(k)、及压缩机运转频率的变化控制量u(k)各分为若干个区间； 

当系统运行时，根据当前的温度差e(k)′及变化速率y(k)的大小确定其所处于的区间，经温度控制器进行PID计算后，进一步确定控制量u(k)所对应的区间，从而确定当前压缩机的运转频率是上升或是下降，以及控制量u(k)的大小，再通过温度控制器向压缩机输出，从而控制压缩机的运转频率； 

4）将冷却剂温度再由第一平衡点温度T1调整至设定温度Ts，此过程应满足如下关系式： 

其中，E_Cool——压缩机制冷能量； 

E_Heat——负载制热能量； 

——压缩机在冷却剂变化单位温度所需要克服负载所做的功； 

5）压缩机以到达设定温度Ts时的运转频率持续运行，将冷却剂的温度稳定在设定温度Ts上。 

2.根据权利要求1所述的高精度温度控制方法，其特征在于：该方法中对冷却剂的温度进行实时监控，每当温度变化单位温度时，就计算所需要的时间，将得到的变化速率y(k)输入到温度控制器。 

3.根据权利要求1所述的高精度温度控制方法，其特征在于：在上述步骤（4）中，分为两个阶段； 

第一阶段，将冷却剂温度从第一平衡点温度T1调整至中间温度T2，此过程为补偿压缩机制冷量与负载发热量差的过程，补偿过程满足如下公式： 

其中，f_k——第k次采样时运行频率； 

t_k——以f_k频率运行的时间； 

t1——冷却剂由初始温度T0降至第一平衡点温度T1所需要的时间； 

t2——冷却剂由第一平衡点温度T1调整至中间温度T2所需要的时间； 

△E——是在假定E_Cool=E_Heat的情况下

的估测值； 

f——压缩机运行频率，是在假定E_Cool=E_Heat的情况下的

估测值； 

其中，

——压缩机运转频率； 

第二阶段，将冷却剂温度从中间温度T2调整至设定温度Ts，此过程中，及达到设定温度Ts后，压缩机均以f运转频率运行。 

4.根据权利要求3所述的高精度温度控制方法，其特征在于：在冷却剂温度达到设定温度Ts时，对上述△E与f两个估测值进行自动调节，计算出精确的

与 

从而使冷却剂温度稳定在控制精度范围内。 

5.根据权利要求3所述的高精度温度控制方法，其特征在于：所述△E和f两个估测值，分别满足如下公式： 

f=E_Cool÷t1          （3） 

△E=E_Cool/[2*(T0-T1)]          （4）。 

6.根据权利要求4所述的高精度温度控制方法，其特征在于：计算

与

精确数值的步骤如下： 

1）设定冷却剂温度每上升或下降单位温度，相应地压缩机运转频率也上升或下降1HZ，当温度变化超出单位温度时，温度每上升或下降单位温度，压缩机运转频率上升或下降2HZ，当在某一温度点稳定一定时间时，则判断当前频率即为f的精确值

2）通过如下公式计算出△E的精确值

其中，t3——压缩机以

频率运转的时间； 

|△T|——在t1——t3过程中，温度变化，即温度变化0.1度，累加一次；

3）将△E与

保存至温度控制器的EEPROM中。 

7.根据权利要求4所述的高精度温度控制方法，其特征在于：当系统再次启动时，由如下公式计算得出压缩机从初始温度T0到设定温度Ts所需克服负载发热所做的功，进行补偿，然后压缩机再以

频率运行； 

其中，e(k)=T0-Ts 

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