CN108062129A - 一种线网反应器的温度调节方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线网反应器的温度调节方法及其系统，通过用户设定参数控制功率调节器功率输出，微控制器测量温度，且比较用户给定的温度值与实际的测量温度，再通过控制功率调节器的电流和电压输出，达到温度的精确控制。本发明可以实现稳定的功率调节控制，满足线网反应器不同升温程序不同升温速率的温度控制要求。

Description

一种线网反应器的温度调节方法及其系统

技术领域

本发明涉及温度控制技术领域，尤其涉及一种线网反应器的温度调节方法及其系统。

背景技术

煤炭是我国最重要的一次能源，对煤炭热利用过程进行深入的了解，能够为实际工业生产中煤炭的清洁高效利用提供重要的理论基础，线网反应器能够提供较宽泛的升温速率，与实际工业生产过程相近，同时能够有效的抑制二次反应，能够更加真实有效的了解煤热利用过程和机理，广泛的应用于煤炭的研究。

国外从上世纪60年代开始着重发展线网反应器，线网反应器的主体结构经过多次改良，增加了电极水冷，焦油收集及高压改造已满足现阶段的实验要求。然而关于线网反应器的功率调节一直以来都是个比较棘手的问题，清华大学研制的线网反应器仅有几种固定的升温速率，最高升温速率为1000℃/s，不能够进行多段温度程序的调节，上海交通大学研制的线网反应器的极限升温速率为700℃/s，两者分别采用固定PID和位置PID与增量PID结合的方式调节。华中科技大学研制的采用直流电源作为功率调节器的线网反应器的极限升温速率不足400℃/s，申请号为201610425784.1，名称为面向线网反应器的升温速率随意可调的快速加热控制算法的专利，根据硬件性能确定采样速度，能够保证调温过程中超调量小，调节速度快，但是在系统实现控制之前需要确定稳定温度-输出功率之间的函数关系和升温速度-功率匹配之间的函数关系。现阶段线网反应器中线网为一次性使用，线网的更换其性质难免会有变化，目前的线网反应器升温速率控制对其适应性较差，同时线网反应器的控制频率低、不能够多段程序升温和极限升温速率低等都是现存的有待解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明提供的一种线网反应器的温度调节方法及其系统，实现了稳定的功率调节控制，满足线网反应器不同升温程序不同升温速率的温度控制要求。

本发明提供的一种线网反应器的温度调节方法，其改进之处在于，所述方法包括：

1)微控制器1、人机交互系统2和功率调节器3设备初始化；

2)所述微控制器1确定PID控制参数、线网反应器4的采温参数和允许误差参数；

3)用户通过所述人机交互系统2输入设定参数，所述微控制器1根据所述设定参数控制所述功率调节器3输出功率大小，对所述线网反应器4进行加热；同时，所述微控制器1接收与所述线网反应器4金属线网连接的热电偶5的测量值，通过所述人机交互系统2显示；

4)所述微控制器1采用离散化PID控制，根据用户设定的温度值与所述微控制器1得到的测量值得到的偏差值判断，在一个采温区间内，当所述偏差值小于用户设定的温度阈值时，进行下一个采温周期的采温，否则修改离散化PID中的影响温度变化精度参数误差值后进行下一个采温周期的采温；

5)重复步骤4)，直至达到设定的温度值，结束。

优选的，步骤3)设定参数包括频率、占空比、升温速率、终温和停留时间；

所述升温速率包括1阶段升温速率至n阶段升温速率；

所述终温包括1阶段终温至n阶段终温；

所述停留时间包括1阶段停留时间至n阶段停留时间。

较优选的，步骤4)修改离散化PID中的影响温度变化精度参数误差值的公式包括：

ee_j＝k₁*t_n+k₂*m_n+k₃*e_m

式中，ee_j为影响温度变化精度参数误差；k₁为升温系数；t_n为升温速率影响参数；k₂为线网温度响应系数；m_n为线网温度响应时间参数；k₃为误差系数；e_m为用户设定的温度值与所述微控制器1得到的测量值的误差影响参数；

确定离散化PID控制为：

式中，U_k为温度闭环控制量值；K_p为比例项的比例常数；K_i为积分项的比例常数；K_d为微分项的比例常数；K为增益系数；e_K为在第n次采样时刻的偏差值；e_K-1为在第n-1次采样时刻的偏差值；j为时间变量；其中第n次采样时刻的偏差值e_K表达式为：

e_K＝S_V-P_V

式中，S_V为用户设定的温度值；P_V为所述微控制器1接收热电偶5的测量值。

较优选的，设定温度采集处理A/D模数转换器的响应时间大于温度采集硬件调制电路响应时间；

设定热电偶温度响应时间大于功率调节器升温响应时间。

较优选的，所述微控制器1输出TTL波形，驱动所述功率调节器3，产生脉冲方波，所述微控制器1在所述脉冲方波处于低电平时对所述热电偶5进行电压采集。

本发明基于上述所述的线网反应器的温度调节方法对应的系统，其改进之处在于，所述系统包括微控制器1、人机交互系统2、功率调节器3、保护电路17、线网反应器4和与所述线网反应器4的金属线网连接的热电偶5；

所述功率调节器3输出功率对所述线网反应器4进行加热，所述微控制器1将所述热电偶5的电压信号隔离转换成温度信号，再通过处理运算后，作为所述功率调节器3的反馈信号，控制所述功率调节器3的功率输出；

所述人机交互系统2与所述微控制器1通信，设定参数同时，实现数据的实时显示；

所述保护电路17用于所述系统出现故障时报警。

优选的，所述微控制器1包括供电单元6、温度采集单元7、主控运算单元8；所述主控运算单元8包括A/D转换器9和D/A转换器10；

所述供电单元6通过USB接口与所述人机交互系统2连接，为所述温度采集单元7和所述主控运算单元8供电；

所述温度采集单元7根据所述热电偶5的电压信号补偿调制隔离转换成温度信号后输入到所述主控运算单元8，再经过所述A/D转换器9和D/A转换器10转换后，形成TTL控制方波和控制量传给所述功率调节器3。

较优选的，所述功率调节器3为高频脉冲开关电源，其由所述TTL控制方波驱动，产生脉冲方波，脉冲方波处于高电平时为功率输出，脉冲方波处于低电平时为功率关断；

所述温度采集单元7在所述脉冲方波处于低电平时对所述热电偶5进行电压采集。

较优选的，所述主控运算单元8包括主控芯片晶振电路14和复位电路15；

所述温度采集单元7对热电偶5温度补偿调制转化后经DC-DC隔离后输入到所述主控运算单元8，再经过所述A/D转换器9和D/A转换器10转换后，形成0-5V的控制量和TTL控制方波，经隔离后输送给所述功率调节器3；

当出现系统的设备初始化运行或死机时，通过所述复位电路15复位。

本发明的技术方案中，可以实现稳定的功率调节控制，满足线网反应器不同升温程序不同升温速率的温度控制要求，该方法根据升温硬件的相应速度和控制方式确定PID的控制参数，根据线网的电阻量值和硬件的最大功率确定极限升温速率，控制算法能够在硬件的极限范围内进行随意调节，人机交互系统可以实现多段温度程序的设定，TTL方波开启和关断功率电源，同时在采温前端延时，确保了采温的准确性，同时用户自定义阈值，本方法进行自定义调节，实现极限升温速率调节，提高了其自适应能力。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2为本发明实施例的温度采集和功率控制的任务调度图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

本实施例通过用户设定参数控制功率调节器功率输出，微控制器测量温度，且比较用户给定的温度值与实际的测量温度，再通过控制功率调节器的电流和电压输出，达到温度的精确控制。具体的提出一种线网反应器的温度调节方法，其流程图如图1所示，具体步骤包括：

1)微控制器1、人机交互系统2和功率调节器3设备初始化。

2)所述微控制器1确定PID控制参数、线网反应器4的采温参数和允许误差参数。

3)用户通过所述人机交互系统2输入设定参数，包括频率、占空比、升温速率、终温和停留时间。所述微控制器1根据所述设定参数控制所述功率调节器3输出功率大小，对所述线网反应器4进行加热；同时，所述微控制器1接收与所述线网反应器4金属线网连接的热电偶5的测量值，通过所述人机交互系统2显示；其中，所述升温速率包括1阶段升温速率至n阶段升温速率；终温包括1阶段终温至n阶段终温；停留时间包括1阶段停留时间至n阶段停留时间。

4)所述微控制器1采用离散化PID控制，根据用户设定的温度值与所述微控制器1得到的测量值得到的偏差值判断，在一个采温区间内，当所述偏差值小于用户设定的温度阈值时，进行下一个采温周期的采温，否则修改离散化PID中的影响温度变化精度参数误差值后进行下一个采温周期的采温，实现了PID的闭环调节温度；具体的，修改离散化PID中的影响温度变化精度参数误差值的公式包括：

ee_j＝k₁*t_n+k₂*m_n+k₃*e_m

式中，ee_j为影响温度变化精度参数误差；k₁为升温系数；t_n为升温速率影响参数；k₂为线网温度响应系数；m_n为线网温度响应时间参数；k₃为误差系数；e_m为用户设定的温度值与所述微控制器1得到的测量值的误差影响参数；

确定离散化PID控制为：

式中，U_k为温度闭环控制量值；K_p为比例项的比例常数；K_i为积分项的比例常数；K_d为微分项的比例常数；K为增益系数；e_K为在第n次采样时刻的偏差值；e_K-1为在第n-1次采样时刻的偏差值；j为时间变量，代表不同时刻；其中第n次采样时刻的偏差值e_K表达式为：

e_K＝S_V-P_V

式中，S_V为用户设定的温度值；P_V为所述微控制器1接收热电偶5的测量值。

5)重复步骤4)，直至达到设定的温度值，结束。

以5kHz的控制方案为例，具体的人机交互系统2将升温速率，保持温度，多段参数，终温等参数下载入微控制器1中，开启温度控制，跟据用户下载参数计算出单位时间内温度升量的增量时间，最小温度时间可在0.2ms。微控制器1输出TTL控制方波驱动功率调节器3启动，TTL方波的占空比设置为60％，方法中，温度每次采样为50次数据转换后做滤波和求平均值处理，将采集点温度与用户设定温度比较，求出瞬时点偏差，结合上面所述的离散化PID控制将参数转为电流与电压控制量，用户可设置不同的PID参数，进行调节闭环温度响应和温度跟随波动状况，通过D/A模数转换器控制功率输了，实现全闭升温和保持温度控制。

本实施例根据选用线网的电阻量值与升温硬件的最大功率确定极限升温温度，还设定温度采集处理A/D模数转换器的响应时间大于温度采集硬件调制电路响应时间，设定热电偶温度响应时间大于功率调节器升温响应时间。

对应的，本实施例提出的一种线网反应器的温度调节系统，包括微控制器1、人机交互系统2、功率调节器3、保护电路17、线网反应器4和与所述线网反应器4的金属线网连接的热电偶5；功率调节器3的正负两输出端与线网反应器4的正负电极相连，用于对线网反应器4进行加热，微控制器1将热电偶5的电压信号补偿隔离转换成温度信号，再通过处理运算后，作为功率调节器3的反馈信号，控制功率调节器3的功率输出，从而形成闭环调节；人机交互系统2与微控制器1通信，设定参数同时，实现数据的实时显示。

其中，微控制器1包括供电单元6、温度采集单元7、主控运算单元8；主控运算单元8包括A/D转换器9、D/A转换器10、主控芯片晶振电路14和复位电路15；供电单元6包括隔离及转换芯片16，作用是将人机交互系统2的USB接口电压(5V)经AMS1117-3.3转换芯片转化3.3V，USB端口5V经DC-DC为±12V的电压供给温度采集单元7，通过转换芯片转化为3.3V的电压供给主控运算单元8。如此设计，对电源进行隔离处理，避免了电源的噪声对热电偶5信号调制过程产生的影响。温度采集单元7为阶段式采温，包括温度采集芯片11、运算放大器12和DC-DC隔离芯片13。温度采集芯片11在脉冲电源的低电平处进行温度采集，采集的温度经两组集成冷端补偿的AD8495温度采集芯片11调制后送入运算放大电路，采用OP2177运算放大器12将采温范围中最小温度和最大温度调至为0-3.3V的电信号送入DC-DC隔离芯片13，经隔离后的电信号进入主控运算单元8，如此设计，对低电平时热电偶5的采温信号进一步隔离，有效避免了采集过程中热电偶5受到的外界干扰，同时避免了温度采集单元7对热电偶5信号的干扰，更加真实的反应线网反应器的温度进而对线网温度进行更加精确的调节；主控运算单元8的主控芯片晶振电路14接收来自温度采集单元7的信号后，经过12位的A/D转换器9和D/A转换器10转换后，形成0-5V的控制量和TTL控制方波，经隔离后实时输送给功率调节器3，如此设计避免了微控制器1的噪声对功率调节器3控制的干扰问题。

功率调节器3为全隔离可控高频脉冲开关电源，频率500-5000Hz，占空比0-100％连续可调，其由TTL控制方波驱动，产生频率小于5kHz的脉冲方波，脉冲方波处于高电平时为功率输出，脉冲方波处于低电平时为功率关断，如此选择能够使功率调节器满足线网的升温速率要求，同时低纹波输出减少加载到线网上的噪声，同时在低电平时处于关断状态最大可能较少功率电源输出在线网上产生电势差影响温度的测量，同时提供较高的频率可以尽可能增加热电偶的温度采集和微控制器的控制频率，为控制的精细调节提供基础。如图2所示，温度采集单元7在脉冲方波处于低电平时对热电偶5进行电压采集。因为功率输出波形相比控制波形存在延后性，所以温度采集时刻应该延后于功率调节器3的低电平开始时刻，同时由于频率高于5kHz后的方波输出噪声会淹没低电平波段，因此需控制电源的频率不高于5kHz，如此设计保证了温度采集的准确性。

本实施例的人机交互系统2由LabVIEW开发平台编译生成，具体的，人机交互界面能够完成频率、占空比、升温速率、终温、停留时间的设定，经USB转CH340传输给微控制器1，同时微控制器1采集时间与温度数据经CH340转USB传输给人机交互系统2，其实时读取微控制器1的信息并显示，如此设计，过程简单，LabVIEW不参与控制调节避免了由于LabVIEW软件运行速度的局限性对温控过程产生的影响。

本实施例的保护电路17，包括采样电阻18、比较电路19、报警电路20和A/D转换电路21。微控制器1运行时，保护电路17时时监测微控制器1的供电电路是否有欠压，过压情况，电路通过采样电阻18提取被测电压后经过比较电路19，报警电路20，确定供电电路是否工作正常；功率部分采用输功率测量作为监测，功率输出的模拟量经A/D转换电路21输出给微控制器1；当微控制器1、功率输出及金属线网的丝网出现故障时发出报警，提醒用户查看故障问题。

本实施例的热电偶5有两路导线，分别与线网反应器4的中心和边缘连接，每根导线的线径小于等于50μm，如此设计能够更真实控制线网整体的温度有效避免局部温度变化对温度控制系统产生影响，保证了温度的采集和控制的精准性。热电偶5的型号选择根据线网反应器的金属线网选用的材质及典型工作温度选择，如600～1000℃选择K型热电偶，1000～1600℃选择S型热电偶。

本实施例的线网反应器4的电极两端固定线网，用于完成实验的温度控制程序，具体的，选用金属线网的孔径要小于测试用样品的粒径，同时还要大于等于测温用热电偶5的线径，金属线网的材质根据工作温度和实验要求选取，如1000℃以下选用不锈钢网，1600℃以下选用钼网或者镍网。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种线网反应器的温度调节方法，其特征在于，所述方法包括：

1)微控制器(1)、人机交互系统(2)和功率调节器(3)设备初始化；

2)所述微控制器(1)确定PID控制参数、线网反应器(4)的采温参数和允许误差参数；

3)用户通过所述人机交互系统(2)输入设定参数，所述微控制器(1)根据所述设定参数控制所述功率调节器(3)输出功率大小，对所述线网反应器(4)进行加热；同时，所述微控制器(1)接收与所述线网反应器(4)金属线网连接的热电偶(5)的测量值，通过所述人机交互系统(2)显示；

4)所述微控制器(1)采用离散化PID控制，根据用户设定的温度值与所述微控制器(1)得到的测量值得到的偏差值判断，在一个采温区间内，当所述偏差值小于用户设定的温度阈值时，进行下一个采温周期的采温，否则修改离散化PID中的影响温度变化精度参数误差值后进行下一个采温周期的采温；

5)重复步骤4)，直至达到设定的温度值，结束。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)设定参数包括频率、占空比、升温速率、终温和停留时间；

所述升温速率包括1阶段升温速率至n阶段升温速率；

所述终温包括1阶段终温至n阶段终温；

所述停留时间包括1阶段停留时间至n阶段停留时间。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤4)修改离散化PID中的影响温度变化精度参数误差值的公式包括：

ee_j＝k₁*t_n+k₂*m_n+k₃*e_m

式中，ee_j为影响温度变化精度参数误差；k₁为升温系数；t_n为升温速率影响参数；k₂为线网温度响应系数；m_n为线网温度响应时间参数；k₃为误差系数；e_m为用户设定的温度值与所述微控制器(1)得到的测量值的误差影响参数；

确定离散化PID控制为：

<mrow> <msub> <mi>U</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>p</mi> </msub> <msub> <mi>e</mi> <mi>K</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>i</mi> </msub> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mi>K</mi> </msubsup> <msub> <mi>ee</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>d</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>e</mi> <mi>K</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>e</mi> <mrow> <mi>K</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中，U_k为温度闭环控制量值；K_p为比例项的比例常数；K_i为积分项的比例常数；K_d为微分项的比例常数；K为增益系数；e_K为在第n次采样时刻的偏差值；e_K-1为在第n-1次采样时刻的偏差值；j为时间变量；其中第n次采样时刻的偏差值e_K表达式为：

e_K＝S_V-P_V

式中，S_V为用户设定的温度值；P_V为所述微控制器(1)接收热电偶(5)的测量值。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，设定温度采集处理A/D模数转换器的响应时间大于温度采集硬件调制电路响应时间；

设定热电偶温度响应时间大于功率调节器升温响应时间。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述微控制器(1)输出TTL波形，驱动所述功率调节器(3)，产生脉冲方波，所述微控制器(1)在所述脉冲方波处于低电平时对所述热电偶(5)进行电压采集。

6.一种如权利要求1-5任意一项所述的线网反应器的温度调节方法对应的系统，其特征在于，所述系统包括微控制器(1)、人机交互系统(2)、功率调节器(3)、保护电路(17)、线网反应器(4)和与所述线网反应器(4)的金属线网连接的热电偶(5)；

所述功率调节器(3)输出功率对所述线网反应器(4)进行加热，所述微控制器(1)将所述热电偶(5)的电压信号隔离转换成温度信号，再通过处理运算后，作为所述功率调节器(3)的反馈信号，控制所述功率调节器(3)的功率输出；

所述人机交互系统(2)与所述微控制器(1)通信，设定参数同时，实现数据的实时显示；

所述保护电路(17)用于所述系统出现故障时报警。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述微控制器(1)包括供电单元(6)、温度采集单元(7)、主控运算单元(8)；所述主控运算单元(8)包括A/D转换器(9)和D/A转换器(10)；

所述供电单元(6)通过USB接口与所述人机交互系统(2)连接，为所述温度采集单元(7)和所述主控运算单元(8)供电；

所述温度采集单元(7)根据所述热电偶(5)的电压信号补偿调制隔离转换成温度信号后输入到所述主控运算单元(8)，再经过所述A/D转换器(9)和D/A转换器(10)转换后，形成TTL控制方波和控制量传给所述功率调节器(3)。

8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述功率调节器(3)为高频脉冲开关电源，其由所述TTL控制方波驱动，产生脉冲方波，脉冲方波处于高电平时为功率输出，脉冲方波处于低电平时为功率关断；

所述温度采集单元(7)在所述脉冲方波处于低电平时对所述热电偶(5)进行电压采集。

9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述主控运算单元(8)包括主控芯片晶振电路(14)和复位电路(15)；

所述温度采集单元(7)对热电偶(5)温度补偿调制转化后经DC-DC隔离后输入到所述主控运算单元(8)，再经过所述A/D转换器(9)和D/A转换器(10)转换后，形成0-5V的控制量和TTL控制方波，经隔离后输送给所述功率调节器(3)；

当出现系统的设备初始化运行或死机时，通过所述复位电路(15)复位。