CN102749939B

CN102749939B - 一种密闭腔pwm加热控制方法及其系统

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Publication number: CN102749939B
Application number: CN201210265217.6A
Authority: CN
Inventors: 蔡飞; 张鹏; 陈建宇; 江毅; 喻杰奎
Original assignee: Accelink Technologies Co Ltd
Current assignee: Accelink Technologies Co Ltd
Priority date: 2012-07-27
Filing date: 2012-07-27
Publication date: 2014-12-31
Anticipated expiration: 2032-07-27
Also published as: CN102749939A

Abstract

本发明涉公开了一种密闭腔的PWM加热控制方法及其系统，其系统包括加热控制单元、LC滤波电路、供电模块、密闭腔，加热控制单元包括PID控制单元、前馈控制单元、PWM模块三部分构成，前馈控制单元同PID控制单元相连接，PID控制单元和前馈控制单元通过加法器同PWM模块相连接，前馈控制单元中的电压监控模块通过电压探测单元实时监控与其相连的供电模块,计算实时电压变化累加值且传递至与其相连的电压前馈补偿模块，电压前馈补偿模块根据其设置的PID补偿量=实时电压变化累加值×当前PID的输出结果/当前参考电压计算关系获得产生的PID补偿量传递至PWM模块；本发明可以很好的抑制由电压抖动产生的目标腔体温度突变，从而保证密闭腔体温度的准确性和稳定性。

Description

一种密闭腔PWM加热控制方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种控制方法，特别涉及一种密闭腔的PWM加热控制方法及其系统，可以适用于加热参考电压不稳的环境下，可以很好的抑制由电压抖动产生的目标腔体温度突变，从而保证密闭腔体温度的准确性和稳定性，本发明属于自动化控制技术领域。

背景技术

加热、温控在诸多行业中都有着广泛的应用。评价一个加热系统的好坏，无非是从加热收敛速度和稳定性上考虑。当前比较常见的加热控制方法是采用反馈控制来对被控对象进行加热，其中比较典型的算法就是PID（Proportion Integration Differentiation）。如图1，它通过PID算法改变PWM占空比，输出不同PWM（Pulse Width Modulation）波形，然后再经LC滤波电路转换成直流给加热体加热，以此来实现精准加热。它能够很好的将加热对象加热到目标温度，传统的PID算法实现也比较容易，实现效果也很不错，但很明显，这种加热方式除了依赖PWM的占空比大小，幅值也直接影响加热效果。所以在一些复杂环境中加热效果就不是很理想，特别是在PWM参考电压Vref抖动、不稳的时候，直接导致幅值波动，从而造成PID震荡，最终导致整个加热系统温度不稳。

我们已经设计了由PID控制PWM的占空比来实现对密闭腔体的加热。在大量的实验中发现，在我们的加热系统中，如果加热参考电压在抖动时就会大大影响腔体的加热，腔体的温度也会随之发生一个震荡，如图5a所示，这对温度敏感被控对象十分不利。

发明内容

本发明是克服现有技术存在的技术问题，提出了一种在传统的PID加热控制办法的基础上增加了一种特殊的前馈控制，能够适应电压不稳定环境的密闭腔加热控制方法及其系统。

本发明所采用的技术方案是：

一种密闭腔PWM加热控制方法，针对密闭腔采用PID控制加热，并采用前馈控制单元对其供电电压变化量进行监控获得实时电压变化累加值进而获得如下PID补偿量和PID输出一起产生PWM波形输入LC滤波电路加热密闭腔：PID补偿量=实时电压变化累加值×当前PID的输出结果/当前参考电压

所述的PID补偿量在不同温度环境下按下式进行修正：PID补偿量=K(实时电压变化累加值×当前PID的输出结果/当前参考电压)+B；其中：K为密闭腔在不同温度下的前馈调节比例因子，B为密闭腔在不同温度下的前馈调节差量因子。

所述获得K、B值的方法具体步骤如下：步骤1、在稳定的电压下，将密闭腔加热到目标温度期望值；步骤2、改变参考电压的大小，来回变化参考电压，通过对比目标期望温度和密闭腔实际温度确认补偿效果；步骤3、看是否有过调或者欠调的现象，过调则减少K值，反之着增大K值，直到最佳补偿效果，以此来确认K值；步骤4、确定完K值后确定B值，方法同步骤3，直到达到最佳补偿效果；在不同环境温度下重复步骤1~4可以得到不同温度下的K、B参数。

所述步骤2中改变参考电压大小的变化量大于0.3V。

一种密闭腔PWM加热控制系统，包括加热控制单元、LC滤波电路、供电模块、密闭腔，加热控制单元包括PID控制单元、前馈控制单元、PWM模块三部分构成，所述前馈控制单元同PID控制单元相连接，所述PID控制单元和前馈控制单元通过加法器同PWM模块相连接，所述前馈控制单元中的电压监控模块通过电压探测单元实时监控与其相连的供电模块,计算实时电压变化累加值且传递至与其相连的电压前馈补偿模块，所述电压前馈补偿模块根据其设置的PID补偿量=实时电压变化累加值×当前PID的输出结果/当前参考电压计算关系获得产生的PID补偿量传递至PWM模块。

所述前馈控制单元包括与其电压前馈补偿模块相连的温度前馈模块，所述温度前馈模块连接环境温度监控模块，所述温度前馈模块产生环境温度监控模块监控温度对应的比例因子K、差量因子B参数值并传递至电压前馈补偿模块。

所述温度前馈模块存储有不同环境温度对应的比例因子K、差量因子B参数表。

本发明技术方案实现的原理具体如下：

我们在现有的基础上设计了一种类似Kx+B的前馈控制方式，来补偿由于电压抖动带来的反馈震荡。所以整个加热设计思路为pid_out+(Kx+B),其中，pid_out为PID调节模块输出，x为电压监控所需要的补偿量，而K、B是对这个补偿量在实际应用环境中的一个修正，K是比例因子，B是差量因子，本发明中这对K、B系数又是随环境温度的不同而不同，可以通过图2中的温度前馈实现，且系数K、B在系统中是可配的，可以通过图2中上位机来实现。这里x的确定是前馈补偿的核心问题，它是由参考电压和PID的输出这两个变量所确定的，这与常规的前馈方式有所不同，它不仅和参考电压有关，还和PID反馈输出也有联系，所以它是一种双动态调节，本发明就提供了一种高效的方法来解决这一问题。电压前馈补偿主要的实现目标是，当电压在变化时，前馈系统要调节PID的输出来维持温度不变：电压增加时，PID输出要减小；反之，PID输出就要增加。

本发明具有以下优点和积极效果：

1、通过本发明技术方案采用的前馈方式加上PID调节控制，能够很好的应对一些复杂环境，能够加快整个控制系统的收敛速度和稳定性；

2、本发明的前馈电压补偿部分对补偿量还有一个修正功能，能够最优化补偿效果，使整个系统能够更好的适应复杂环境。

附图说明

图1是现有技术的PWM加热系统框图；

图2是本发明带有前馈补偿的PWM加热系统框图；

图3是本发明整个加热系统的数据流图；

图4是本发明技术方案确定前馈调节因子K、B的流程图；

图5a是传统PID加热控制的在加热参考电压抖动时的加热效果图；

图5b是本发明在加热参考电压抖动时的加热效果图；

其中：

101：目标期望温度输入模块；102：PID调节模块；

103：PWM模块；104：LC滤波电路；

105：供电模块106：密闭腔；

107：密闭腔温度探测单元；201：加热控制单元；

202：PID控制单元；203：前馈控制单元；

204：温度前馈模块；205：电压前馈补偿模块；

206：环境温度监控模块；207：电压监控模块；

208：上位机；209：电压探测单元；

210：加法器；301：环境温度检测传感器；

302：ADC1采样模块；303：密闭腔温度传感器；

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式和工作原理。

本发明一种密闭腔PWM加热控制方法是对密闭腔采用PID控制加热的基础上，同时采用前馈控制单元对供电电压采用前馈控制对其电压变化量进行监控获得实时电压变化累加值，其公式为delta_V_ref＝∑(V_ref(k)-V_ref(k-1))，delta_V_ref为电压变化累加值、k为当前采样值；在前馈控制单元中设置计算关系式：实时电压变化累加值×当前PID的输出结果=当前参考电压×PID补偿量，获得电压的PID补偿量；即delta_pid为PID补偿量，pid_out为当前PID的输出结果，delta_V_ref为电压变化累加值，V_ref为当前参考电压；为了在不同环境温度下使PID补偿量得到最佳补偿效果，采用通过对环境的监控并计算修正值对供电压前馈补偿使用，具体方式为：获得密闭腔在不同温度下的前馈调节因子比例因子K值、差量因子B值，对环境温度进行监控，选择温度对应的前馈调节因子K、B至前馈控制单元计算获得修正值传递至电压的PID补偿量；将由前馈控制单元计算获得修正后的PID补偿量和PID输出一起产生PWM波形输入LC滤波电路加热密闭腔。因此PID补偿量在不同温度环境下按下式进行修正：PID补偿量=K(实时电压变化累加值×当前PID的输出结果/当前参考电压)+B。

图2为带有前馈电压监控的加热系统结构框图，该系统包括环境温度监控模块206、密闭腔温度探测单元107、加热控制单元201、LC滤波电路104、供电模块105和上位机208，加热控制单元201包括PID控制单元202、前馈控制单元203、PWM模块103三部分构成。PID控制单元包括目标期望温度输入模块101和PID调节模块102，前馈控制单元203包括温度前馈模块204、电压前馈补偿模块205和电压监控模块207。温度前馈模块204前端连接有环境温度监控模块206。PID控制单元202同密闭腔温度探测单元107和前馈控制单元203相连，PID控制单元202和前馈控制单元203通过加法器210同PWM模块103相连，PWM模块103同LC滤波电路104相连，LC滤波电路104同密闭腔106相连，密闭腔106同密闭腔温度探测单元107相连，供电模块105同电压探测单元209和LC滤波电路104相连。电压探测单元209同前馈控制单元203中的电压监控模块207相连。在系统使用过程中，上位机208与目标期望温度输入模块101和温度前馈模块204相连，它起到传递目标期望温度和存储电压前馈系数K、B到前馈控制单元203中的作用。由图3所示，环境温度探测单元206包括环境温度检测传感器301和ADC1采样模块302，密闭腔温度探测单元107包括密闭腔温度传感器303和ADC3采样模块304。

本发明中，PID控制单元实现的是在电压稳定的情况下将密闭腔迅速加热到目标温度，前馈控制单元是在参考电压V_ref发生波动的时候给PID控制单元一个合适的补偿，而保证采用PID控制单元进行加热的时候不产生一个过大的震荡。PID补偿量计算是本发明前馈控制技术方案的核心依据，由公式：实时电压变化累加值×当前PID的输出结果=当前参考电压×PID补偿量可知实时电压的变化累加值与PID补偿量是反比的关系，根据系统设计结构，认为其系统设计满足公式对应的关系，图3中的delta_pid就是所需要的补偿量。因此电压监控模块通过电压探测单元实时监控供电模块的电压，计算得到电压变化累加量，电压前馈补偿模块可以根据以上公式计算得到电压的PID补偿量值。

图3为本发明整个加热系统的实现方法具体如下：实线框内为软件部分，框外为硬件部分。数据流主要有4部分：环境温度监控、电压前馈补偿计算、PID计算部分和输出部分。1）环境温度监控：通过对环境的监控，在K、B参数表中选取合适的K、B值供电压前馈补偿使用；2）电压前馈补偿计算：通过监测参考电压变化的累计波动得到delta_V_ref，然后根据图3计算得到delta_pid，这就是前馈补偿的关键量，也就是Kx+B中的x，再结合环境监控中得到的K、B值计算得到最终给PID输出的补偿结果；3）PID计算部分：主要完成系统的闭环温控，根据PID算法计算出PID_out；4）输出部分：PWM模块根据前馈和反馈的和产生不同占空比的PWM到LC滤波电路中。

结合图2和图3描述本发明加热系统的工作过程具体如下：由上位机208端输入期望温度值，PID调节模块102根据期望值进行计算加上前馈电压补偿一起驱动PWM模块103产生PWM占空比输出不同PWM波形，PWM波形经LC滤波电路104转换成直流给密闭腔106进行加热。密闭腔温度探测单元107的密闭腔温度传感器303将实时测量到的密闭腔106的温度，经ADC3采样模块304采样反馈给PID调节模块102，PID调节模块102根据PID算法计算出当前PID输出值；环境温度监控模块206的环境温度检测传感器301通过对环境温度的监控，将监控到的环境温度经ADC1采样模块302采样传递至温度前馈模块204，温度前馈模块204在其存储的K、B参数表中选取该监控温度对应的的K、B值，K、B参数表是由上位机208写入前馈控制单元203，该选取的K、B值传递至电压前馈补偿模块205；电压监控模块207通过电压探测单元209实时监控供电模块105的电压，计算得到电压变化的累加量，电压前馈补偿模块205根据电压实时变化累加量计算得到电压的PID补偿量，电压前馈补偿模块205将该电压的PID补偿量值再结合温度前馈模块204中得到的K、B值计算得到修正后的PID补偿量；修正后的PID补偿量和当前PID输出值的和驱动PWM模块103进行PWM控制，改变PWM模块103的PWM占空比输出不同PWM波形，PWM波形经LC滤波电路104转换成直流给密闭腔106进行加热，使密闭腔106能够加热达到稳定的预期温度。

温度前馈模块204存储的K、B参数表中K、B参数表获得方法结合图4具体表述如下：

1）在稳定的电压下，先设置K、B初始值（K=1，B=0），将密闭腔加热到目标温度期望值；2）改变参考电压的大小，一般变化量大于0.3V；来回变化参考电压，通过对比目标期望温度和密闭腔实际温度来确认补偿效果；3）看是否有过调或者欠调的现象，过调则减少K值，反之着增大K值，直到最佳补偿效果，以此来确认K值；4）确定完K值后确定B值，方法同3），直到达到最佳补偿效果。在不同环境温度下重复步骤1）~4）可以得到不同温度下的K、B参数，形成完整的K、B参数表。最后通过上位机208将参数表存储到前馈单元203中供前馈控制单元使用。

通过一系列的实验证明，通过本前馈补偿的方法可以很好的抑制电压不稳造成的突变。图5a和图5b给出了在参考电压不稳时传统的PID的加热控制和本发明的加热控制效果对比图，传统的PID加热明显有一个突变，而本发明方法就抑制了这一突变的发生，保证了密封腔温度的动态稳定性。

虽然本发明已经详细地示出并描述了相关的特定的实施例参考，但本领域的技术人员应该能够理解，在不背离本发明的精神和范围内可以在形式上和细节上作出各种改变。这些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围。

Claims

1.一种密闭腔PWM加热控制方法，其特征在于：针对密闭腔采用PID控制加热，并采用前馈控制单元对其供电电压变化量进行监控获得实时电压变化累加值进而获得如下PID补偿量和PID输出一起产生PWM波形输入LC滤波电路加热密闭腔：PID补偿量=实时电压变化累加值×当前PID的输出结果/当前参考电压。

2.如权利要求1所述的一种密闭腔PWM加热控制方法，其特征在于：所述的PID补偿量在不同温度环境下按下式进行修正：PID补偿量=K(实时电压变化累加值×当前PID的输出结果/当前参考电压)+B；其中：K为密闭腔在不同温度下的前馈调节比例因子，B为密闭腔在不同温度下的前馈调节差量因子。

3.如权利要求2所述的一种密闭腔PWM加热控制方法，其特征在于：所述PID补偿量中的K和B值获得方法具体步骤如下：步骤1、在稳定的电压下，将密闭腔加热到目标期望温度；步骤2、改变参考电压的大小，来回变化参考电压，通过对比目标期望温度和密闭腔实际温度确认补偿效果；步骤3、看是否有过调或者欠调的现象，过调则减少K值，反之着增大K值，直到最佳补偿效果，以此来确认K值；步骤4、确定完K值后确定B值，方法同步骤3，直到达到最佳补偿效果；在不同环境温度下重复步骤1~4可以得到不同温度下的K、B参数。

4.如权利要求3所述的一种密闭腔PWM加热控制方法，其特征在于：所述步骤2中改变参考电压大小的变化量大于0.3V。

5.一种密闭腔PWM加热控制系统，包括加热控制单元（201）、LC滤波电路（104）、供电模块（105）、密闭腔（106），其特征在于：加热控制单元（201）包括PID控制单元（202）、前馈控制单元（203）、PWM模块（103）三部分构成，所述前馈控制单元（203）同PID控制单元（202）相连接，所述PID控制单元（202）和前馈控制单元（203）通过加法器（210）同PWM模块（103）相连接，所述前馈控制单元（203）中的电压监控模块（207）通过电压探测单元（209）实时监控与其相连的供电模块（105）,计算实时电压变化累加值且传递至与其相连的电压前馈补偿模块（205），所述电压前馈补偿模块（205）根据其设置的PID补偿量=实时电压变化累加值×当前PID的输出结果/当前参考电压计算关系获得产生的PID补偿量传递至PWM模块（103）。

6.如权利要求5所述的一种密闭腔PWM加热控制系统，其特征在于：所述前馈控制单元（203）包括与其电压前馈补偿模块（205）相连的温度前馈模块（204），所述温度前馈模块（204）连接环境温度监控模块（206），所述温度前馈模块（204）产生环境温度监控模块（206）监控温度对应的比例因子K、差量因子B参数值并传递至电压前馈补偿模块（205）。

7.如权利要求6所述的一种密闭腔PWM加热控制系统，其特征在于：所述温度前馈模块（204）存储有不同环境温度对应的比例因子K、差量因子B参数表。