CN103279146B - 基于pid控制的升温方法以及系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于PID控制的升温方法，包括将预设单位时间内的预设升温值换算为一单位子时间内的子升温值；在PID恒温控制下，从预设初始温度开始，每经一所述单位子时间升温一所述子升温值作为恒温设定值，直至到达预设的目标接近温度；在PID恒温控制下，从所述目标接近温度开始，通过以下公式设置每经一时间增量后相应的恒温设定值，直至到达预设目标温度：Y＝0.1761X3-1.7893X2+5.5397X+75.137，其中，X为时间增量，从0秒开始计时，Y为恒温设定值。本发明在升温达到目标值后不会出现温度过冲现象，达到温度平衡所花的时间非常短，能够准确地测量核酸的TM值。
Description
技术领域
本发明属于PID温控领域，尤其涉及一种基于PID控制的升温方法以及系统。
背景技术
通过升温手段加热变性时DNA溶液A260升高达到最大值一半时的温度称为该DNA的熔解温度(Tm，melting temperature)，Tm是研究核酸变性很有用的参数。
通常通过PID温度控制来进行升温，PID温度控制是通过比例、积分和微分的运算来对温度进行控制。
与温度控制相关的因素非常多，涉及到加热功率，加热块安放位置，热传导是否一致，传感器位置及其本身差异，周围环境的变数等等。
传统的基于PID控制的升温方法往往需要人为地打破PID原有参数的值，以达到程序升温的目的，一般采用的是比较加减法来控制，但是由于需要使用不同的升温速率，此时上述相关的因素就变得不可琢磨，需要对温控装置进行大量的实验摸索，以获得最佳的设置变量，当升温速率选择比较多或跨度比较大的时候很难找到一种上下兼顾的参数，并且采用这种方法不可避免地会发生温度达到设定值以后出现控过冲以及温度平衡时间过长的缺点。
而为了准确地测量核酸的TM值，同时由于DNA加热变性是在一个相当窄的温度内完成的，所以需避免在升温过程中温度出现大幅过冲(冲破设定值)造成测量的不准确。
发明内容
基于此，针对上述技术问题，提供一种基于PID控制的升温方法以及系统。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于PID控制的升温方法，包括以下步骤：
将预设单位时间内的预设升温值换算为一单位子时间内的子升温值，所述单位子时间为所述预设单位时间的N分之一，所述子升温值为所述预设升温值的N分之一，其中N>1；
在PID恒温控制下，从预设初始温度开始，每经一所述单位子时间升温一所述子升温值作为恒温设定值，直至到达预设的目标接近温度；
在PID恒温控制下，从所述目标接近温度开始，通过以下公式设置每经一时间增量后相应的恒温设定值,直至到达预设目标温度：
Y＝0.1761X3-1.7893X2+5.5397X+75.137
其中，X为时间增量，从0秒开始计时，Y为恒温设定值。
所述预设单位时间内的预设升温值为每秒5℃，所述单位子时间内的子升温值每0.2秒1℃。
所述预设初始温度为20℃，所述目标接近温度为75℃，所述预设目标温度为80℃。
本方案还涉及一种基于PID控制的升温系统，包括：
一次分段升温速度换算单元，用于将预设单位时间内的预设升温值换算为一单位子时间内的子升温值，所述单位子时间为所述预设单位时间的N分之一，所述子升温值为所述预设升温值的N分之一，其中N>1；
一次分段升温单元，用于在PID恒温控制下，从预设初始温度开始，每经一所述单位子时间升温一所述子升温值作为恒温设定值，直至到达预设的目标接近温度；
二次分段升温单元，用于在PID恒温控制下，从所述目标接近温度开始，通过以下公式设置每经一时间增量后相应的恒温设定值,直至到达预设目标温度：
Y＝0.1761X3-1.7893X2+5.5397X+75.137
其中，X为时间增量，从0秒开始计时，Y为恒温设定值。
本方案还包括参数设置单元，用于设置PID恒温控制参数、预设升温值、初始温度、目标接近温度以及目标温度。
所述预设单位时间内的预设升温值为每秒5℃，所述单位子时间内的子升温值每0.2秒1℃。
所述预设初始温度为20℃，所述目标接近温度为75℃，所述预设目标温度为80℃。
本发明将预设单位时间分割成了N个子单位时间，在每个单位时间内，可以进行N段的逐步升温，由于每段的升温量相同且都非常小，所以仍然可以通过PID恒温控制来实现，并且温度达到目标值后不会出现温度过冲现象，达到温度平衡所花的时间也非常短，同时，由于逐步升温量都非常小，只需使用一套PID控制参数，使得调试非常简单，也无需摸索不同升温速率下的参数设置，从而能够准确地测量核酸的TM值。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式本发明进行详细说明：
图1为本发明的一种基于PID控制的升温方法的流程图；
图2为本发明的一种基于PID控制的升温系统的示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于PID控制的升温方法，包括以下步骤：
可预先设置PID恒温控制参数、预设升温值、初始温度、目标接近温度以及目标温度。
S110、将预设单位时间内的预设升温值换算为一单位子时间内的子升温值，单位子时间为预设单位时间的N分之一，子升温值为预设升温值的N分之一，其中N>1，即将单位时间分割成了N个子单位时间。
具体地，在预设单位时间内的预设升温值就是预设的升温速度，步骤S110在保持升温速度不变的情况下，将预设单位时间内的预设升温值换算为一单位子时间内的子升温值。
S120、在PID恒温控制下，从预设初始温度开始，每经一单位子时间升温一子升温值作为恒温设定值，直至到达预设的目标接近温度。
由于将预设单位时间分割成了N个子单位时间，在每个预设单位时间内，可以进行N段的逐步升温，由于每段的升温都非常小，所以仍然通过PID恒温控制来实现。
S130、在PID恒温控制下，从目标接近温度开始，通过以下公式设置每经一时间增量后相应的恒温设定值,直至到达预设目标温度：
Y＝0.1761X3-1.7893X2+5.5397X+75.137 (1)
其中，X为时间增量，从0秒开始计时，Y为恒温设定值。
通过上述公式，实际温度值能很好的锁定恒温设定值，几乎不会出现温度的过冲现象，达到温度平衡所花的时间也非常短。
由于步骤S120和S130的逐步升温量都非常小，只需使用一套PID控制参数，使得调试非常简单，也无需摸索不同升温速率下的参数设置，同时也允许温控装置之间有相对较大的差异。
可以理解的是，之后保持目标温度的恒温PID控制参数也与步骤S120和S130的PID控制参数相同。
公式(1)通过以下方法拟合获得：
在系统很好地完成恒温控制的基础上，使用最满负荷时加热功率，加热到达最高设定温度值，并使其在该温度下保持恒温控制。
记录这一过程的时间及实际温度，选取到达设定温度值拐点以上的温度及时间数据，删除过冲部分的震荡值，并选取附近若干个点，进行三阶曲线拟合(高阶的拟合会比低阶拟合的效果好)拟合的相关系数建议大于0.95。
得到拟合公式后进行实测并修正。
通常使用最高升温速率时，实际加热功率建议为满负荷的90％，恒温时的功率建议为满负荷的30％-60％。
举例说明：
设置预设单位时间内的预设升温值为每秒5℃，N为5，初始温度为20℃，目标接近温度为75℃，目标温度为80℃。
经转换，单位子时间内的子升温值为每0.2秒1℃。
在PID恒温控制下，从预设初始温度20℃开始，以每0.2秒增量1℃的方式设置恒温设定值，直至到达预设的目标接近温度75℃。
当设置值到达75℃时温度设置增量值开始进行如下的函数运算，并保持到到达升序升温的目标值80℃结束。
在PID恒温控制下，从目标接近温度75℃开始，通过公式(1)设置每经一时间增量后相应的恒温设定值,直至到达预设目标温度80℃。
如图2所示，本实施例还涉及一种基于PID控制的升温系统，包括：
一次分段升温速度换算单元110，用于将预设单位时间内的预设升温值换算为一单位子时间内的子升温值，单位子时间为预设单位时间的N分之一，子升温值为预设升温值的N分之一，其中N>1；
一次分段升温单元120，用于在PID恒温控制下，从预设初始温度开始，每经一所述单位子时间升温一子升温值作为恒温设定值，直至到达预设的目标接近温度；
二次分段升温单元130，用于在PID恒温控制下，从目标接近温度开始，通过以下公式设置每经一时间增量后相应的恒温设定值,直至到达预设目标温度：
Y＝0.1761X3-1.7893X2+5.5397X+75.137
其中，X为时间增量，从0秒开始计时，Y为恒温设定值。
本方案还包括参数设置单元140，用于设置PID恒温控制参数、预设升温值、初始温度、目标接近温度以及目标温度。
预设单位时间内的预设升温值为每秒5℃，单位子时间内的子升温值每0.2秒1℃。
初始温度为20℃，目标接近温度为75℃，目标温度为80℃。
但是，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
Claims (7)
1.一种基于PID控制的升温方法，其特征在于，包括以下步骤：
将预设单位时间内的预设升温值换算为一单位子时间内的子升温值，所述单位子时间为所述预设单位时间的N分之一，所述子升温值为所述预设升温值的N分之一，其中N>1；
在PID恒温控制下，从预设初始温度开始，每经一所述单位子时间升温一所述子升温值作为恒温设定值，直至到达预设的目标接近温度；
在PID恒温控制下，从所述目标接近温度开始，通过以下公式设置每经一时间增量后相应的恒温设定值,直至到达预设目标温度：
Y＝0.1761X3-1.7893X2+5.5397X+75.137
其中，X为时间增量，从0秒开始计时，Y为恒温设定值。
2.根据权利要求1所述的一种基于PID控制的升温方法，其特征在于，所述预设单位时间内的预设升温值为每秒5℃，所述单位子时间内的子升温值每0.2秒1℃。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于PID控制的升温方法，其特征在于，所述预设初始温度为20℃，所述目标接近温度为75℃，所述预设目标温度为80℃。
4.一种基于PID控制的升温系统，其特征在于，包括：
一次分段升温速度换算单元，用于将预设单位时间内的预设升温值换算为一单位子时间内的子升温值，所述单位子时间为所述预设的N分之一，所述子升温值为所述预设升温值的N分之一，其中N>1；
一次分段升温单元，用于在PID恒温控制下，从预设初始温度开始，每经一所述单位子时间升温一所述子升温值作为恒温设定值，直至到达预设的目标接近温度；
二次分段升温单元，用于在PID恒温控制下，从所述目标接近温度开始，通过以下公式设置每经一时间增量后相应的恒温设定值,直至到达预设目标温度：
Y＝0.1761X3-1.7893X2+5.5397X+75.137
其中，X为时间增量，从0秒开始计时，Y为恒温设定值。
5.根据权利要求4所述的一种基于PID控制的升温系统，其特征在于，还包括参数设置单元，用于设置PID恒温控制参数、预设升温值、初始温度、目标接近温度以及目标温度。
6.根据权利要求4或5所述的一种基于PID控制的升温系统，其特征在于，所述预设单位时间内的预设升温值为每秒5℃，所述单位子时间内的子升温值每0.2秒1℃。
7.根据权利要求6所述的一种基于PID控制的升温系统，其特征在于，所述预设初始温度为20℃，所述目标接近温度为75℃，所述预设目标温度为80℃。
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