CN107461977A - 一种半导体制冷温控箱的智能温控方法 - Google Patents

一种半导体制冷温控箱的智能温控方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种半导体制冷温控箱的智能温控方法，温度传感器采集实时检测温度值并与温控箱的设定值进行比较，得到偏差；将得到的偏差进行在线校正，得到校正后的偏差；将校正后的偏差输入到专家模糊控制器进行专家模糊控制，输出控制命令，调节半导体致冷片的温度。本发明对温度偏差不对称的现象进行在线校正，有效地提高了温度控制精度，有效地避免了建立温控箱的非线性模型的难题，不仅提高了温控系统的控制精度，响应速度，而且也提高了系统的可靠性及安全性。

Description

一种半导体制冷温控箱的智能温控方法
技术领域
本发明涉及半导体智能温控领域，具体地说是一种半导体制冷温控箱的智能温控方法。
背景技术
随着微电子技术的不断发展，小型化甚至微型化成为各种设备的发展潮流与方向。对于航天、军事、医疗、生物制品、车载等特殊有限空间的独特需求，往往需要对少量甚至微量的物料进行精确的存储。因此，半导体制冷温控箱就应运而生。
半导体制冷温控箱主要以半导体制冷片为核心温控器件，半导体制冷的原理是帕尔贴效应，它既可加热又可制冷，通过改变直流电流的极性实现半导体制冷片的加热与制冷工作模式。半导体片的热端采用水循环散热，温控箱的箱体间填充发泡剂起到保温作用。通过改变电流大大小及方向控制半导体制冷片的工作状态，实现温控箱的恒温功能。
现有的半导体制冷温控箱的温控方法需要建立温控箱的精确数学模型，然而对于半导体制冷与制热两种工作模式效率的差异、两片半导体制冷片同时制热或制冷会造成大的超调且具有大延迟特性。采用现有的温控方法对于温控系统的非线性特性很难实现精确的控制，当半导体对工作模式切换时，需要重新调整算法的参数。因此，现有的半导体制冷温控方法需要花费大量的时间、效率较低，且控制精度不高、灵活性差，不能满足高性能的要求。
专家模糊控制不需要半导体制冷温控箱的精确模型，根据专家的知识及经验输出控制命令实现温控箱的精确控制。不仅克服了现有半导体温控方法的需要精确模型的缺点，也提高了温控箱系统的响应速度、控制精度及可靠性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种结合了反馈控制、前馈补偿和偏差校正以及专家模糊控制的半导体制冷温控箱智能温控方法，对温控箱快速精确的控制，以提高系统的可靠性与稳定性。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种半导体制冷温控箱的智能温控方法，包括以下步骤：
步骤1：温度传感器采集实时检测温度值并与温控箱的设定值进行比较，得到偏差；
步骤2：将得到的偏差进行在线校正，得到校正后的偏差；
步骤3：将校正后的偏差输入到专家模糊控制器进行专家模糊控制，输出控制命令，调节半导体致冷片的温度。
所述在线校正通过波峰-波谷值校正方法进行校正。
所述波峰-波谷值校正方法包括以下步骤：
步骤1：将偏差e1(k)作为输入，初始化校正量adjust和标志位；
步骤2：将偏差e1(k)加上初始校正量adjust后，计算初始化校正后的偏差e1′(k)，即：
e1′(k)＝e1(k)+adjust
其中，e1(k)为偏差、adjust为初始校正量、e1′(k)为初始化校正后的偏差；
步骤3：如果偏差e1(k)正负值发生变化，则标志位加1，否则继续判断标志位是否为0；
步骤4：如果标志位为0，则初始化波峰值e1(k)_max和波谷值e1(k)_min，否则继续判断标志位是否为2；
步骤5：如果标志位为2，则根据波峰值e1(k)_max和波谷值e1(k)_min计算实际的校正值adjust1：
adjust1＝-(e1(k)_max+e1(k)_min)/2
其中，adjust1为实际的校正值、e1(k)_max为波峰值、e1(k)_min为波谷值；
如果标志位不为2，则更新波峰值e1(k)_max和波谷值e1(k)_min；
步骤6：计算校正后的偏差e1″(k)，校正后的偏差等于偏差e1(k)加上实际的校正值adjust1，即：
e1″(k)＝e1(k)+adjust1；
其中，e1(k)为偏差、adjust1为实际的校正值、e1″(k)为校正后的偏差。
所述专家模糊控制包括以下步骤：
步骤1：将校正后的偏差进行差分处理，得到校正后的偏差变化率；
步骤2：对校正后的偏差和校正后的偏差变化率进行模糊化处理，得到校正后偏差的模糊变量和校正后的偏差变化率的模糊变量；
步骤3：将校正后偏差的模糊变量和校正后的偏差变化率的模糊变量作为模糊控制器的输入，计算半导体制冷片的电压占空比；
步骤4：温度传感器采集温控箱外部温度值y1(k)，并计算温控箱外部温度值y1(k)与设定温度值间的差值e2(k)；
步骤5：将校正后的偏差e1″(k)、电压占空比u(k)的模糊变量以及温控箱外部温度值y1(k)与设定温度值间的差值e2(k)输入到专家模糊控制器的数据库；
步骤6：根据专家模糊控制器的知识库中存储的温度控制知识，基于专家模糊控制规则对数据库中输入的数据信息进行推理，得出控制命令。
所述电压占空比为：
其中，为校正后偏差的模糊变量、为校正后的偏差变化率的模糊变量，为电压占空比u(k)的模糊变量，α(k)为修正因子。
所述温控箱外部温度值y1(k)与设定温度值间的差值e2(k)为：
e2(k)＝r(k)-y1(k)
其中，r(k)为设定温度值，y1(k)为温控箱外部温度值，e2(k)为温控箱外部温度值y1(k)与设定温度值间的差值。
所述修正因子为α(k)为：
其中，α(k)为当前时刻修正因子，α(k—1)为上一时刻的修正因子，e″(k-1)为上一时刻的校正后的偏差。
所述专家模糊控制规则为：
基于当前环境温度与温控箱设定温度的差值ΔT℃，判断ΔT℃所在的温度区间，从而映射到专家库中该温度区间所对应半导体制冷片的工作状态。
所述专家模糊控制器包括知识库和数据库，所述知识库和数据库通过专家模糊控制规则进行关联；
所述知识库存储温控领域知识以及专家经验；
所述数据库存储校正后的偏差、电压占空比的模糊变量以及温控箱外部温度值与设定温度值间的差值；
所述专家模糊控制规则为产生式规则，用if数据库中数据then知识库中数据表示。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明对温度偏差采用波峰一波谷值校正的方法，对温度偏差不对称的现象进行在线校正，有效地提高了温度控制精度。
2.本发明采用专家模糊控制，有效地避免了建立温控箱的非线性模型的难题。
3.本发明的半导体制冷温控方法不仅提高了温控系统的控制精度，响应速度，而且也提高了系统的可靠性及安全性。
附图说明
图1是本发明的过程示意图；
图2是本发明的偏差在线校正流程图；
图3是本发明的专家模糊控制关系图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示为本发明的过程示意图。
第一步确定半导体制冷温控箱的工作温度
根据半导体制冷温控箱的工作要求，设定半导体制冷温控箱的工作温度为人r(k)(r(k)的取值为-5℃～+60℃)；
第二步温度传感器采集半导体制冷温控箱内的温度y(k)，将温度传感器的实时检测值与温控箱的设定值进行比较产生偏差；
第三步偏差e1(k)等于半导体制冷温控箱的设定工作温度r(k)减去温度传感器的测量值y(k)，即e1(k)＝r(k)-y(k)；
第四步将偏差e1(k)进行偏差在线校正，得到校正后的偏差e1′(k)；
在对半导体温控箱系统调试过程中，温度偏差有不对称的现象，有时正偏差较大，有时负偏差较大，对系统的控制精度造成了影响。针对这种情况，本系统采用了波峰一波谷值校正的方法，即利用一个温度波形周期中的波峰和波谷的值，对偏差进行在线校正，作为数据库的事实输入。再根据校正后偏差e(k)通过PID算法输出PWM信号控制半导体TEC器件。
如图2所示为本发明的在线校正流程图。
偏差在线校正的步骤：
计算偏差e1(k)作为输入，初始化校正量adjust，初始化标志位f；
初始化校正后的偏差e1′(k)等于计算偏差e1(k)加上初始校正量adjust，即e1′(k)＝e1(k)+adjust；
实际的校正值adjust1计算如下：
①在一个温度波形周期中根据偏差e1′(k)的正负变化，借助于标志位f通过迭代方法计算波峰值e1(k)_max与波谷值e1(k)_min；
②实际的校正值adjust1＝-(e1(k)_max+e1(k)_min)/2；
最终的校正后的偏差等于计算偏差e1(k)加上实际的校正值adjust1，即e1′(k)＝e1(k)+adjust1；
第五步优选的，根据环境温度与设定温度间的差值(用ΔT℃表示)的不同而采取不同的控制模式，进行专家模糊控制。
半导体温控箱要求的温度范围是-5℃～+60℃，而环境的温度范围是0℃～+30℃，因此应该考虑温控箱内与环境单位时间内热交换量的大小。
如图3所示为本发明的专家模糊控制关系图。
专家模糊控制器：包括专家知识库、数据库和推理机制。专家系统中，专家知识库是系统的核心，专家系统将温控领域的权威知识和专家经验获取并存储在知识库中，本温控系统采用基于规则的产生式表示法来表示知识，规则一般形式为：ifXX Then XX，表达温控系统的模糊知识。数据库是产生式规则主要的中心，温控箱工作过程中的传感器采集温度信息及偏差值存储在数据库中，数据库为启动每个产生式规则准备好条件，执行产生式规则的操作会引起数据库的变化，这就使得其他产生式规则的条件可能被满足。推理机是能运用专家知识进行推理和解决温控问题的功能模块。它根据输入的过程数据，并应用知识库中的知识，按一定的推理方式去选择控制模式。
专家模糊控制步骤如下：
(1)偏差e(k)＝-e1′(k)
(2)模糊控制，偏差e(k)与偏差的变化率ec(k)作为模糊控制器FC的输入，电压的开通占空比U(k)作为模糊控制器的输出；
利用反馈控制调节半导体制冷片的电压占空比。占空比越大，制热/冷的效率越高。偏差趋于0和温度上升很快的情况下时，要减小占空比，以免造成大的超调。本系统中，采用模糊控制规则的自修正算法来确定电压占空比，如式(1)所示。
式中分别为偏差e(k)、偏差变化率ec(k)经量化和模糊化后得到的模糊变量，为控制量u(k)的模糊变量，α为修正因子。
式(1)可知，控制作用取决于偏差及偏差变化率，通过调整α的大小，可以改变对偏差和偏差变化率的不同加权程度。控制系统在不同的状态下，对偏差与偏差变化率的加权程度的要求不同。如偏差较大时，系统的主要任务是消除偏差，此时对偏差的加权应该大些；当偏差较小时，系统的主要任务是使系统尽快稳定，减小超调，此时要求偏差变化率的加权大些。
为了得到好的控制性能，采用运筹学中的“优选法”对α值进行在线修正，即
由式(2)计算出的控制量作为模糊专家控制器数据库的事实输入。
(3)温度传感器采集箱体外环境温度y1(k)。
(4)计算环境温度与设定温度间的差值e2(k)，即e2(k)＝r(k)-y1(k)。
(5)温度传感器采集温控箱的实际温度与设定温度间的偏差值e1′(k)，由反馈控制经模糊处理后所得到的控制量)，环境温度与设定温度间的差值e2(k)送入专家系统的数据库。
(6)专家系统根据知识库存储的温度控制知识对数据库的数据信息推理出专家模糊控制规则。
实施例中，将两片半导体制冷片编号为1、2号。环境温度与温控箱的设定温度的差值为ΔT℃(即ΔT＝设定值--环境温度)，专家模糊控制规则如下：
经过以上步骤，半导体制冷温控箱系统的控制部分执行专家模糊控制规则，通过改变电压的开通占空比启动半导体在制冷片完成制冷/热的任务，且两片半导体制冷片协同控制，使半导体温控箱快速、精准地稳定到设定温度。

Claims (9)

1.一种半导体制冷温控箱的智能温控方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：温度传感器采集实时检测温度值并与温控箱的设定值进行比较，得到偏差；
步骤2：将得到的偏差进行在线校正，得到校正后的偏差；
步骤3：将校正后的偏差输入到专家模糊控制器进行专家模糊控制，输出控制命令，调节半导体致冷片的温度。
2.根据权利要求1所述的半导体制冷温控箱的智能温控方法，其特征在于：所述在线校正通过波峰-波谷值校正方法进行校正。
3.根据权利要求2所述的半导体制冷温控箱的智能温控方法，其特征在于：所述波峰-波谷值校正方法包括以下步骤：
步骤1：将偏差e1(k)作为输入，初始化校正量adjust和标志位；
步骤2：将偏差e1(k)加上初始校正量adjust后，计算初始化校正后的偏差e1'(k)，即：
e1'(k)＝e1(k)+adjust
其中，e1(k)为偏差、adjust为初始校正量、e1'(k)为初始化校正后的偏差；
步骤3：如果偏差e1(k)正负值发生变化，则标志位加1，否则继续判断标志位是否为0；
步骤4：如果标志位为0，则初始化波峰值e1(k)_max和波谷值e1(k)_min，否则继续判断标志位是否为2；
步骤5：如果标志位为2，则根据波峰值e1(k)_max和波谷值e1(k)_min计算实际的校正值adjust1：
adjust1＝-(e1(k)_max+e1(k)_min)/2
其中，adjust1为实际的校正值、e1(k)_max为波峰值、e1(k)_min为波谷值；
如果标志位不为2，则更新波峰值e1(k)_max和波谷值e1(k)_min；
步骤6：计算校正后的偏差e1”(k)，校正后的偏差等于偏差e1(k)加上实际的校正值adjust1，即：
e1”(k)＝e1(k)+adjust1；
其中，e1(k)为偏差、adjust1为实际的校正值、e1”(k)为校正后的偏差。
4.根据权利要求1所述的半导体制冷温控箱的智能温控方法，其特征在于：所述专家模糊控制包括以下步骤：
步骤1：将校正后的偏差进行差分处理，得到校正后的偏差变化率；
步骤2：对校正后的偏差和校正后的偏差变化率进行模糊化处理，得到校正后偏差的模糊变量和校正后的偏差变化率的模糊变量；
步骤3：将校正后偏差的模糊变量和校正后的偏差变化率的模糊变量作为模糊控制器的输入，计算半导体制冷片的电压占空比；
步骤4：温度传感器采集温控箱外部温度值y1(k)，并计算温控箱外部温度值y1(k)与设定温度值间的差值e2(k)；
步骤5：将校正后的偏差e1”(k)、电压占空比u(k)的模糊变量以及温控箱外部温度值y1(k)与设定温度值间的差值e2(k)输入到专家模糊控制器的数据库；
步骤6：根据专家模糊控制器的知识库中存储的温度控制知识，基于专家模糊控制规则对数据库中输入的数据信息进行推理，得出控制命令。
5.根据权利要求4所述的半导体制冷温控箱的智能温控方法，其特征在于：所述电压占空比为：
<mrow> <munder> <mi>U</mi> <mo>~</mo> </munder> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <munder> <mi>E</mi> <mo>~</mo> </munder> <mo>+</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <munder> <msub> <mi>E</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>~</mo> </munder> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow>
其中，为校正后偏差的模糊变量、为校正后的偏差变化率的模糊变量，为电压占空比u(k)的模糊变量，α(k)为修正因子。
6.根据权利要求4所述的半导体制冷温控箱的智能温控方法，其特征在于：所述温控箱外部温度值y1(k)与设定温度值间的差值e2(k)为：
e2(k)＝r(k)-y1(k)
其中，r(k)为设定温度值，y1(k)为温控箱外部温度值，e2(k)为温控箱外部温度值y1(k)与设定温度值间的差值。
7.根据权利要求4所述的半导体制冷温控箱的智能温控方法，其特征在于：所述修正因子为α(k)为：
<mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mn>0.618</mn> <mo>&amp;times;</mo> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>|</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>&amp;prime;</mo> <mo>&amp;prime;</mo> </mrow> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <mn>3</mn> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mn>0.618</mn> <mo>&amp;times;</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>|</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>&amp;prime;</mo> <mo>&amp;prime;</mo> </mrow> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> <mo>&lt;</mo> <mn>3</mn> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>,</mo> <mn>0.3</mn> <mo>&amp;le;</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>(</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mo>)</mo> <mo>&amp;le;</mo> <mn>0.7</mn> </mrow>
其中，α(k)为当前时刻修正因子，α(k-1)为上一时刻的修正因子，e”(k-1)为上一时刻的校正后的偏差。
8.根据权利要求4所述的半导体制冷温控箱的智能温控方法，其特征在于：所述专家模糊控制规则为：
基于当前环境温度与温控箱设定温度的差值ΔT℃，判断ΔT℃所在的温度区间，从而映射到专家库中该温度区间所对应半导体制冷片的工作状态。
9.根据权利要求1或4所述的半导体制冷温控箱的智能温控方法，其特征在于：所述专家模糊控制器包括知识库和数据库，所述知识库和数据库通过专家模糊控制规则进行关联；
所述知识库存储温控领域知识以及专家经验；
所述数据库存储校正后的偏差、电压占空比的模糊变量以及温控箱外部温度值与设定温度值间的差值；
所述专家模糊控制规则为产生式规则，用if数据库中数据then知识库中数据的形式表示。
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