CN104714572A - 一种微波辐射计高精度恒温控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微波辐射计高精度恒温控制方法，采用两级恒温系统，将二级恒温箱通过一级恒温箱与外界环境隔离，通过设置在恒温箱内的传感器监测温度，将温度信号传送给控制器，控制器采用高精度反馈控制算法控制恒温系统内的加热制冷器。辐射计高精度恒温控制方法基于热平衡原理，利用两级恒温系统抑制辐射计接收机与环境热交换的方式，解决了辐射计温控装置控制精度低以及温度适应性差的问题，提高了辐射计工作的稳定度。

Description

一种微波辐射计高精度恒温控制方法

技术领域

本发明涉及微波辐射测量技术领域，特别是涉及一种微波辐射计高精度恒温控制的方法。

背景技术

微波辐射计通过实时测量大气微波辐射信号，监测大气积分水汽含量、路径液态水含量的连续变化，反演输出大气温、湿度廓线等，能够实现短时、临近天气预报，提高中小尺度天气的监测预警能力。通过对灾害性天气加密观测，对其变化趋势和影响区域进行预判，提高预报的精细化水平。同时也可以为人工影响天气作业方案的科学设计、作业条件的综合判别和作业实施提供依据，可减少人工影响天气作业的盲目性，增加作业的科学性。分发挥系统的作战效能。

微波辐射计核心单元是一种用于测量目标热辐射的高灵敏度接收机，当工作温度发生改变时，微波辐射计接收机的稳定度随之变化，为保证微波辐射计测量精度，须对微波辐射计接收机采用恒温措施保证工作温度处于近似恒定。普通辐射计恒温装置通常为一级恒温系统，恒温装置直接与外界环境进行热交换，温度控制精度较低；同时辐射计接收机工作时自身热量会影响恒温装置温度控制，特别当夏季环境温度较高时，恒温装置很难达到效果。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种克服辐射计恒温装置温控精度低、温度适应性差的缺点的辐射计高精度恒温控制方法。

为解决上述技术问题，本发明的微波辐射计高精度恒温控制装置，包括一级恒温箱和二级恒温箱，将二级恒温箱通过一级恒温箱与外界环境隔离，一级恒温箱与二级恒温箱之间设置热交换装置，一级恒温箱和二级恒温内设置温度传感器，一级恒温箱与外界之间设置热交换装置，温度传感器和热交换装置都连接控制器，一级恒温箱与二级恒温箱之间设置独立风道，独立风道中设置风扇。

所述热交换装置包括设置在恒温箱壁上的加热制冷器，加热制冷器两侧设置散热器。

所述一级恒温箱和二级恒温箱的箱壁用低热导率材料涂覆。

所述一级恒温箱外侧设置风扇。

本发明的微波辐射计高精度恒温控制方法，采用两级恒温系统，将二级恒温箱通过一级恒温箱与外界环境隔离，通过设置在恒温箱内的传感器监测温度，将温度信号传送给控制器，控制器采用高精度反馈控制算法控制恒温系统内的加热制冷器。

所述高精度反馈控制算法是PID算法，数字PID控制的差分方程为：

$U\left(\mathrm{kT}\right)=K_p\{e\left(\mathrm{kT}\right)+\frac{T}{T_i}\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(\mathrm{jT}\right)+\frac{T_d}{T}[e\left(\mathrm{kT}\right)-e(\mathrm{kT}-T)\left]\right\}$   公式1；

其中，K_p为PID回路增益，T_i为积分时间，T_d为微分时间，T为采样周期，e(kT)为第k次采样的偏差值；

由于PID算法输出在计算过程中容易产生积分饱和作用，因此,采用增量式PID控制算法控制恒温系统,其差分方程为：

Δu(kT)＝K_p[e(kT)-e(kT-T)]+K_ie(kT)+K_d[e(kT)-2e(kT-T)+e(kT-2T)]  公式2；

其中，K_p为PID回路增益，e(kT)为第k次采样的偏差值，为积分系数，为微分系数，T为采样周期，e(kT)为第k次采样的偏差值；

依据实测数据实时修正控制算法参数，

PID控制器的比例系数K_p、积分时间T_i和微分时间T_d的大小是辐射计高精度恒温控制技术的核心，在PID参数进行整定时可以对PID参数进行预设,两级温控系统启动后,通过试验数据对PID的参数进行实时修正,当两级恒温系统温度达到预设值后，PID参数达到收敛，在温控系统工作时,针对比例系数K_p、积分时间T_i和微分时间T_d对系统控制过程的影响趋势,参数调整依据先调整比例系数K_p，再调整积分时间T_i，最后调整微分时间T_d的顺序对参数因此依次调整。

辐射计高精度恒温控制方法基于热平衡原理，利用两级恒温系统抑制辐射计接收机与环境热交换的方式，解决了辐射计温控装置控制精度低以及温度适应性差的问题，提高了辐射计工作的稳定度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是微波辐射计高精度恒温控制装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明的微波辐射计高精度恒温控制装置，包括一级恒温箱1和二级恒温箱2，将二级恒温箱2通过一级恒温箱1与外界环境隔离，一级恒温箱1与二级恒温箱2之间设置热交换装置5，一级恒温箱1和二级恒温2内设置温度传感器，一级恒温箱1与外界之间设置热交换装置5，温度传感器和热交换装置5都连接控制器，一级恒温箱1与二级恒温箱2之间设置独立风道3，独立风道3中设置风扇4。热交换装置5包括设置在恒温箱壁上的加热制冷器7，加热制冷器7两侧设置散热器8。一级恒温箱1和二级恒温箱2的箱壁用低热导率材料涂覆。一级恒温箱1外侧设置风扇。

本发明的微波辐射计高精度恒温控制方法，采用两级恒温系统，将二级恒温箱通过一级恒温箱与外界环境隔离，通过设置在恒温箱内的传感器监测温度，将温度信号传送给控制器，控制器采用高精度反馈控制算法控制恒温系统内的加热制冷器。

所述高精度反馈控制算法是PID算法，数字PID控制的差分方程为：

$U\left(\mathrm{kT}\right)=K_p\{e\left(\mathrm{kT}\right)+\frac{T}{T_i}\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(\mathrm{jT}\right)+\frac{T_d}{T}[e\left(\mathrm{kT}\right)-e(\mathrm{kT}-T)\left]\right\}$    公式1；

其中，K_p为PID回路增益，T_i为积分时间，T_d为微分时间，T为采样周期，e(kT)为第k次采样的偏差值；

由于PID算法输出在计算过程中容易产生积分饱和作用，因此,采用增量式PID控制算法控制恒温系统,其差分方程为：

Δu(kT)＝K_p[e(kT)-e(kT-T)]+K_ie(kT)+K_d[e(kT)-2e(kT-T)+e(kT-2T)]  公式2；

其中，K_p为PID回路增益，e(kT)为第k次采样的偏差值，为积分系数，为微分系数，T为采样周期，e(kT)为第k次采样的偏差值；

依据实测数据实时修正控制算法参数，

PID控制器的比例系数K_p、积分时间T_i和微分时间T_d的大小是辐射计高精度恒温控制技术的核心，在PID参数进行整定时可以对PID参数进行预设,两级温控系统启动后,通过试验数据对PID的参数进行实时修正,当两级恒温系统温度达到预设值后，PID参数达到收敛，在温控系统工作时,针对比例系数K_p、积分时间T_i和微分时间T_d对系统控制过程的影响趋势,参数调整依据先调整比例系数K_p，再调整积分时间T_i，最后调整微分时间T_d的顺序对参数因此依次调整。

将辐射计恒温装置从一级恒温系统改变为两级恒温系统。

依据热力学第一定律，一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它做功的和，热力学系统内能增量根据公式1计算。

ΔE＝-W+Q     公式1

其中，ΔE为热力学系统内能增量，W为外界对热力学系统所做的功，Q为外界向热力学系统传递的热量；

普通辐射计恒温装置与辐射计接收机之间只存在热量传递(热交换)，即辐射计内能增量与辐射计与恒温系统之间热交换量成线性关系，热力学系统内能增量可以用温度增量表征，辐射计恒温系统通过抑制内能增量实现恒温系统的温度恒定。

辐射计高精度恒温控制技术采用两级恒温控制系统温度，其核心设计思路为通过热交换使两级恒温系统温度趋于一致，从而两级恒温系统互为热平衡，将所需达到高精度恒温控制的二级恒温系统置于一级恒温系统内部，当二级恒温系统与一级恒温系统的温度趋于一致，二级恒温系统与一级恒温系统互为热平衡，两级恒温系统恒温控制温度为T，一级恒温系统温度为T+ΔT₁，二级恒温系统温度为T+ΔT₂，ΔT₁为一级恒温系统温度控制精度，ΔT₂为二级恒温系统温度控制精度，采用两级恒温系统后ΔT₂＝ΔT₁。

为保证一级恒温系统与二级恒温系统之间热交换充分，一级恒温系统与二级恒温系统之间采用独立风道设计，利用风扇使风道内部空气形成强制对流，保证恒温系统内部温度均匀。

一级恒温系统与二级恒温系统应采用低热导率材料涂覆，抑制外界环境与恒温系统之间通过热传导进行的热交换，降低外界环境温度变化对恒温装置温度控制的影响。

Claims (2)

1.一种微波辐射计高精度恒温控制方法，其特征在于：采用两级恒温系统，将二级恒温箱通过一级恒温箱与外界环境隔离，通过设置在恒温箱内的传感器监测温度，将温度信号传送给控制器，控制器采用高精度反馈控制算法控制恒温系统内的加热制冷器。

2.按照权利要求1所述的微波辐射计高精度恒温控制方法，其特征在于：所述高精度反馈控制算法是PID算法，数字PID控制的差分方程为：

$U\left(\mathrm{kT}\right)=K_p\{e\left(\mathrm{kT}\right)+\frac{T}{T_i}\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(\mathrm{jT}\right)+\frac{T_d}{T}[e\left(\mathrm{kT}\right)-e(\mathrm{kT}-T)\left]\right\}$         公式1；

其中，K_p为PID回路增益，T_i为积分时间，T_d为微分时间，T为采样周期，e(kT)为第k次采样的偏差值；

由于PID算法输出在计算过程中容易产生积分饱和作用，因此,采用增量式PID控制算法控制恒温系统,其差分方程为：

Δu(kT)＝K_p[e(kT)-e(kT-T)]+K_ie(kT)+K_d[e(kT)-2e(kT-T)+e(kT-2T)]  公式2；

其中，K_p为PID回路增益，e(kT)为第k次采样的偏差值，为积分系数，为微分系数，T为采样周期，e(kT)为第k次采样的偏差值；

依据实测数据实时修正控制算法参数，

PID控制器的比例系数K_p、积分时间T_i和微分时间T_d的大小是辐射计高精度恒温控制技术的核心，在PID参数进行整定时可以对PID参数进行预设,两级温控系统启动后,通过试验数据对PID的参数进行实时修正,当两级恒温系统温度达到预设值后，PID参数达到收敛，在温控系统工作时,针对比例系数K_p、积分时间T_i和微分时间T_d对系统控制过程的影响趋势,参数调整依据先调整比例系数K_p，再调整积分时间T_i，最后调整微分时间T_d的顺序对参数因此依次调整。