CN108181948A - 一种温度精确跟随控制方法及控制系统 - Google Patents

一种温度精确跟随控制方法及控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种温度精确跟随控制系统，在传统温控系统的温度加载单元上增加了冷却部分，可以实现温度精确跟随的控温要求。在此系统下，本发明还公开了一种新型的温度精确跟随控制方法，包括：读取温度传感器的数值，计算当前温度变化速率，判断当前温度与第一温度控制线和第二温度控制线的关系，以及当前温度变化速率与设定温度变化速率的关系，决策进行加热还是冷却，以及调整加热功率；为了减小设定温度斜率巨变对系统的冲击影响，控制方法还采用了插补算法，主动降低设定温度斜率变化的大小。本发明实时温度能够精确、快速跟随设定的目标温度曲线，过程跟随控温精度为±1.0℃，恒温控制精度为±0.5℃。

Description

一种温度精确跟随控制方法及控制系统
技术领域
本发明涉及温度控制方法及控制系统，具体涉及一种温度精确跟随控制方法及控制系统，属于测量控制系统技术领域。
背景技术
温度控制是工业控制一个重要的内容。一般的温度控制只是要求温度稳定在某一个目标温度点上，即恒温控制。但是，在一些特殊的场合，如实验室的某些化学实验，要求温度能够精度、快速跟随设定的目标温度曲线，即温度跟随控制。目前市场上的控温系统大都采用温度控制仪表构建，这样的系统便于调试(温度控制仪表一般都具有智能校准功能)，且对于恒温控制控温精度较好，但是对于温度跟随控制的控温精度较差。
为了改善目前市场上温控系统跟随控温精度较差的情况，本发明设计了一个高精度、快速跟随的温度控制系统，并提出了一种简便的温度跟随控制算法。
发明内容
本发明的目的在于弥补传统温控系统跟随控温精度较差的不足，通过改变传统温控系统的构架和温度控制算法，设计一种高精度、快速跟随的温度控制系统，以满足工业系统中特殊场合对温度控制的特殊要求——温度能够精度、快速跟随设定的目标温度曲线。
本发明是这样实现的：
一种温度精确跟随控制系统，包括具有设定的温度曲线的温度控制单元，以及与温度控制单元相连的温度测量单元和温度加载单元，温度测量单元测量温度控制对象的温度，温度加载单元用于根据温度控制单元的控制指令调整温度控制对象的温度，且温度加载单元有加热部分和冷却部分。
进一步的，本发明提供的温度精确跟随控制系统更具体的结构如下：
温度精确跟随控制系统包括一个腔体，腔体外侧设置有围绕腔体的冷却盘管，冷却盘管外侧设置有外壳，冷却盘管连接有冷水机，且通过电磁阀控制冷却水的启停和水量大小；电磁阀还通过继电器与单片机相连。在腔体下部设置有加热板，加热板通过可控硅与单片机相连，在腔体内部还设置有温度传感器，温度传感器通过信号处理采集电路与单片机相连。
进一步的，温度传感器为Pt100温度传感器，冷水机为工业冷水机。
进一步的，在冷却盘管和外壳之间设置有保温棉。
本发明还提供了一种温度精确跟随控制方法，包括：
读取温度传感器的数值，判断当前温度与第一温度控制线和第二温度控制线的关系；
如果当前温度小于第一温度控制线，则停止冷却，进行加热调整温度；
如果当前温度大于第二温度控制线，则停止加热，进行冷却调整温度；
如果当前温度大于第一温度控制线、且小于第二温度控制线，此时，计算当前温度斜率，并据此调整输出的控制信号，如果当前温度斜率大于当前设定的温度斜率，就停止加热、进行冷却；如果当前温度斜率小于当前设定的温度斜率，就停止冷却、进行加热调整；如果当前温度斜率等于当前设定的温度斜率，就停止冷却和加热调整。
进一步的，冷却调整温度，是控制工业冷水机旁路电磁阀的通断，控制是否将冷却水引入设备，单片机输出的控制信号为高低电平信号。
进一步的，加热调整温度，是控制通过可控硅控制加热板的加热功率，单片机输出的控制信号为PWM波，PWM波的占空比采用下式进行调整：
R＝k1(温度偏差)+k2(温度斜率偏差)+k3(当前设定温度斜率)
R：加热调整输出的PWM波的占空比；
k1(温度偏差)：当前温度偏离当前目标温度的反馈输出；
k2(温度斜率偏差)：当前温度斜率偏离当前目标温度斜率的反馈输出；
k3(当前设定温度斜率)：当前目标温度斜率的前馈输出。
进一步的，在设定温度曲线中的温度斜率转折处，采用了插补技术，即根据设定温度曲线自行生成设定温度曲线过度拟合段，在此期间温度控制目标为此设定温度曲线过度拟合段。采用的插补方式为：取设定温度曲线一段最后T时间为过度拟合前段时间；取设定温度曲线二段开始T时间为过度拟合后段时间；设定温度曲线拟合段的曲线斜率采用下式计算：
Xd＝(X1+X2)/2
Xd：设定温度曲线拟合段的曲线斜率；
X1：设定温度曲线一段的曲线斜率；
X2：设定温度曲线二段的曲线斜率。
在设定温度曲线上下方，分别设置有温度控制曲线，其中处于设定温度曲线下方的为第一温度控制线，处于设定温度曲线上方的为第二温度控制线。其中温度控制线的数学表达式如下：
Tk1＝f(t)-TS
Tk2＝f(t)+TS
Tk1：第一温度控制线；
Tk2：第二温度控制线；
f(t)：设定温度曲线的函数；
TS：系统温度控制精度要求。
为了改善目前市场上温控系统跟随控温精度较差的情况，本发明设计了一个高精度、快速跟随的温度控制系统，并提出了一种简便的温度跟随控制算法，本系统的主要特点有：
结构简单，本系统只在传统温控系统的结构上增加了温度冷却部分；
温度控制单元采用了嵌入式单片机技术，便于减小控制周期，提高温度控制精度；
创新性的温度控制算法，融合了反馈控制基本理论、PID工业控制算法和插补算法；
温度控制算法简便，算法以反馈控制基本理论为主线，精简了PID工业控制算法，使用的插补算法也为较简单的线性插补；
本系统实时温度能够精确、快速跟随设定的目标温度曲线，过程跟随控温精度为±1.0℃，恒温控制精度为±0.5℃。
附图说明
图1温度精确跟随控制系统整体框图；
图2温度精确跟随控制系统结构图；
图3规划的温度跟随曲线图；
图4温度精确跟随控制策略流程图；
图5设定温度曲线过度拟合段示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
如附图1所示，一种温度精确跟随控制系统，包括具有设定的温度曲线的温度控制单元，以及与温度控制单元相连的温度测量单元和温度加载单元，温度测量单元测量温度控制对象的温度，温度加载单元用于根据温度控制单元的控制指令调整温度控制对象的温度，且温度加载单元有加热部分和冷却部分。
如附图2所示，本发明提供的温度精确跟随控制系统更具体的结构如下：
温度精确跟随控制系统包括一个腔体1，腔体1外侧设置有围绕腔体的冷却盘管6，冷却盘管6外侧设置有外壳5，冷却盘管连接有冷水机9，且通过电磁阀8控制冷却水的启停和水量大小；电磁阀8还通过继电器10与单片机12相连。在腔体下部设置有加热板2，加热板通过可控硅7与单片机12相连，在腔体内部还设置有温度传感器3，温度传感器通过信号处理采集电路11与单片机12相连。
进一步的，温度传感器为Pt100温度传感器，冷水机为工业冷水机。
进一步的，在冷却盘管和外壳之间设置有保温棉4。
图2中，温度精确跟随控制系统的控制对象为腔体内的温度；温度控制单元采用嵌入式单片机技术；温度测量单元采用Pt100温度传感器，实时测量腔体内的温度，并反馈给单片机；温度加载单元的温度加热部分为加热板，冷却部分为工业冷水机。单片机输出占空比可调的信号(PWM波)通过可控硅来控制加热板的加热功率；单片机输出高低电平信号通过继电器控制冷水回路电磁阀的通断，从而控制是否对腔体进行冷却。为了减小外界环境温度对腔体温度的影响，在腔体和设备外壳间装有保温棉，这有利于控制系统对腔体温度的精确控制。
附图3是规划的温度跟随曲线图，其中粗实线表示设定温度曲线，细实线表示实时温度曲线，两条细虚线表示温度控制曲线。系统的控温目标为尽可能使实时温度曲线落入两条温度控制曲线之间。温度控制线的数学表达式如下：
Tk1＝f(t)-TS
Tk2＝f(t)+TS
Tk1：第一温度控制线；
Tk2：第二温度控制线；
f(t)：设定温度曲线的函数；
TS：系统温度控制精度要求。
本温度控制系统采用的温度控制策略如图4所示。温度控制流程为：1，读取当前温度值，判断当前温度与两条温度控制线的位置关系，据此调整输出的控制信号(如果当前温度位于第一温度控制线下方，就停止冷却、进行加热调整；如果当前温度位于第二温度控制线上方，就停止加热、进行冷却)；2，如果当前温度位于两条温度控制线之间，就计算当前温度斜率，并据此调整输出的控制信号(如果当前温度斜率大于当前设定的温度斜率，就停止加热、进行冷却；如果当前温度斜率小于当前设定的温度斜率，就停止冷却、进行加热调整；如果当前温度斜率等于当前设定的温度斜率，就停止冷却和加热调整)。图4也标示出了温度控制策略中控制加热调整与冷却回路开关的转折点。
温度冷却控制是控制工业冷水机旁路电磁阀的通断，控制是否将冷却水引入设备，单片机输出的控制信号为高低电平信号。温度加热控制是控制通过可控硅控制加热板的加热功率，单片机输出的控制信号为PWM波，PWM波的占空比采用下式进行调整：
R＝k1(温度偏差)+k2(温度斜率偏差)+k3(当前设定温度斜率)
R：加热调整输出的PWM波的占空比；
k1(温度偏差)：当前温度偏离当前目标温度的反馈输出；
k2(温度斜率偏差)：当前温度斜率偏离当前目标温度斜率的反馈输出；
k3(当前设定温度斜率)：当前目标温度斜率的前馈输出。
为了减小设定温度曲线中在温度斜率转折处实时温度偏离温度控制线的幅度，采用了插补技术，即根据设定温度曲线自行生成设定温度曲线过度拟合段，在此期间温度控制目标为此设定温度曲线过度拟合段。图5是设定温度曲线过度拟合段示意图，采用的插补方式为：取设定温度曲线一段最后T时间为过度拟合前段时间；取设定温度曲线二段开始T时间为过度拟合后段时间；设定温度曲线拟合段的曲线斜率采用下式计算：
Xd＝(X1+X2)/2
Xd：设定温度曲线拟合段的曲线斜率；
X1：设定温度曲线一段的曲线斜率；
X2：设定温度曲线二段的曲线斜率。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (10)

1.一种温度精确跟随控制系统，其特征在于：包括具有设定的温度曲线的温度控制单元，以及与温度控制单元相连的温度测量单元和温度加载单元，温度测量单元测量温度控制对象的温度，温度加载单元用于根据温度控制单元的控制指令调整温度控制对象的温度，且温度加载单元有加热部分和冷却部分。
2.根据权利要求1所述温度精确跟随控制系统，其特征在于：
温度精确跟随控制系统包括一个腔体，腔体外侧设置有围绕腔体的冷却盘管，冷却盘管外侧设置有外壳，冷却盘管连接有冷水机，且通过电磁阀控制冷却水的启停和水量大小；电磁阀还通过继电器与单片机相连；在腔体下部设置有加热板，加热板通过可控硅与单片机相连，在腔体内部还设置有温度传感器，温度传感器通过信号处理采集电路与单片机相连。
3.根据权利要求2所述温度精确跟随控制系统，其特征在于：
所述温度传感器为Pt100温度传感器。
4.根据权利要求2所述温度精确跟随控制系统，其特征在于：
所述冷水机为工业冷水机。
5.根据权利要求2所述温度精确跟随控制系统，其特征在于：
在冷却盘管和外壳之间设置有保温棉。
6.一种温度精确跟随控制方法，其特征在于包括：
读取温度传感器的数值，判断当前温度与第一温度控制线和第二温度控制线的关系；
如果当前温度小于第一温度控制线，则停止冷却，进行加热调整温度；
如果当前温度大于第二温度控制线，则停止加热，进行冷却调整温度；
如果当前温度大于第一温度控制线、且小于第二温度控制线，此时，计算当前温度斜率，并据此调整输出的控制信号，如果当前温度斜率大于当前设定的温度斜率，就停止加热、进行冷却；如果当前温度斜率小于当前设定的温度斜率，就停止冷却、进行加热调整；如果当前温度斜率等于当前设定的温度斜率，就停止冷却和加热调整。
7.根据权利要求6所述温度精确跟随控制方法，其特征在于：
冷却调整温度，是控制工业冷水机旁路电磁阀的通断，控制是否将冷却水引入设备，单片机输出的控制信号为高低电平信号。
8.根据权利要求6所述温度精确跟随控制方法，其特征在于：
加热调整温度，是控制通过可控硅控制加热板的加热功率，单片机输出的控制信号为PWM波，PWM波的占空比采用下式进行调整：
R＝k1+k2+k3
R：加热调整输出的PWM波的占空比；
k1为温度偏差：当前温度偏离当前目标温度的反馈输出；
k2为温度斜率偏差：当前温度斜率偏离当前目标温度斜率的反馈输出；
k3为当前设定温度斜率：当前目标温度斜率的前馈输出。
9.根据权利要求6所述温度精确跟随控制方法，其特征在于：
在设定温度曲线中的温度斜率转折处，采用了插补技术，即根据设定温度曲线自行生成设定温度曲线过度拟合段，在此期间温度控制目标为此设定温度曲线过度拟合段；采用的插补方式为：取设定温度曲线一段最后T时间为过度拟合前段时间；取设定温度曲线二段开始T时间为过度拟合后段时间；设定温度曲线拟合段的曲线斜率采用下式计算：
Xd＝(X1+X2)/2
Xd：设定温度曲线拟合段的曲线斜率；
X1：设定温度曲线一段的曲线斜率；
X2：设定温度曲线二段的曲线斜率。
10.根据权利要求6所述温度精确跟随控制方法，其特征在于：
第一温度控制线和第二温度控制线为温度控制曲线，其中处于设定温度曲线下方的为第一温度控制线，处于设定温度曲线上方的为第二温度控制线；其中温度控制线的数学表达式如下：
Tk1＝f(t)-TS
Tk2＝f(t)+TS
Tk1：第一温度控制线；
Tk2：第二温度控制线；
f(t)：设定温度曲线的函数；
TS：系统温度控制精度要求。
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