CN109765948B - 一种用于ct探测器的无过冲温度控制算法 - Google Patents
一种用于ct探测器的无过冲温度控制算法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种用于CT探测器的无过冲温度控制算法，包括以下步骤：系统初始化：设置目标温度、探测点温差、PID参数、采样数、目标温度AD值、ADC参考电压和PWM输出限制；测量温度：通过NTC热敏电阻采集测试点的温度；判断故障：判断温度探头的工作状态和温度是否在正常范围；若温度探头的工作状态和温度在正常范围内，则采用PID计算加热功率后进行加热：采用不同于常规PID算法公式，通过比例参数Kp来产生负误差；判断是否到达目标温度。新的PID算法设计，即使在达到稳态时，Kp也是在持续作用，与积分参数Ki共同维持平衡，过冲可完全消失。采用本发明技术方案可以将探测器模块的温度控制在37℃±1℃，快速且无过冲。
Description
技术领域
本发明涉及CT探测器控制算法技术领域，更具体地涉及一种用于CT探测器的无过冲温度控制算法。
背景技术
探测器是CT系统中的核心部件，探测器的性能优良直接决定CT的图像品质，为获得良好的CT图像，探测器需要工作在恒定的温度条件下，因此为探测器提供恒定的温度条件十分重要，各制造商CT探测器由于材料和工艺的差异，工作的温度也略有差异，但一般都是在37摄氏度左右。由于结构的差异，各制造商控制温度的方案也各有差异，PID温度控制是一种常见的温度控制方法，但传统PID算法很难解决温度的过冲问题，虽然温度过冲可以通过风扇或者空调来快速调节下来，但这也无法掩盖传统算法缺陷的事实。
现有中国专利CN103551218B公开了一种基于PID控制的恒温箱，所述的恒温箱的温控系统采用增量式PID控制，Δu(k)＝kp(e(k)-e(k-1))+kie(k)+kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))，通过计算当前系统误差e和误差变化率ec，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整，建立合适的模糊规则表，得到针对kp、ki、kd3个参数分别整定的模糊控制表，该发明基于PID控制的恒温箱，采用复合控制方式极大的弥补了单纯采用PID算法的不足。现有中国专利CN105807607B公开了一种遗传算法优化预测模糊PID焦化炉温度控制方法。本发明首先基于焦化炉温度对象的实时数据建立焦化炉温度对象的模型。在此模型的基础上，依据模糊控制在线调整PID控制器的参数，引入预测控制达到提前调整的目的。针对传统的获取控制规则方法的不足，采用遗传算法优化其模糊控制规则。文献“基于虚拟仪器的智能PID算法对化学反应过程温度的控制研究【J】，化工自动化及仪表，2004，31(5)：62-64”公开了通过引入α使得系统的增益为动态增益，改善系统的动态特性。同时，Δe的引入并配合系统的微分作用可明显改善系统的稳定性和鲁棒性。(2)βΔT设t+i可预测系统未来温升状态，改善了系统的鲁棒性，所述系统中β＝2。(3)γTt对系统在不同温度下的恒温特性有改善作用，可进一步减小系统的振荡。(4)初始温差大于2℃时，非等差温度级数的引入，可显著改善系统的温度过冲现象。
本发明采用基于测量的PID算法，引入负作用，可以从根本上解决温度过冲的问题。
发明内容
为解决现有技术中采用常规PID算法无法完全消除CT探测器过冲温度控制的现象，本发明提供了一种用于CT探测器的无过冲温度控制算法，具体技术方案如下：
一种用于CT探测器的无过冲温度控制算法，包括以下步骤：
(1)系统初始化：设置目标温度、探测点温差、PID参数、采样数、ADC参考电压和PWM输出限制，所述目标温度为37℃，所述探测点温差和PID参数经测试获得，所述采样数用于计算平均温度；
(2)测量温度：通过NTC热敏电阻采集测试点的温度，NTC热敏电阻的阻值与温度转换关系可通过Steinhart-Hart经验公式获得:
式中所计算的T为华氏温度，摄氏温度TC＝T-273.15；a、b、c为常数，通过Steinhart-Hart经验公式以及实测的三点温度数据和三点温度下对应的电阻值数据计算获得，a、b、c三个参数确定后，之后其他的温度与电子值关系就确定了；
(3)判断故障：判断温度探头的工作状态和温度是否在正常范围，具体判断依据为：
当Tc≥300℃时，可判断温度探头处于短路状态，或没接好，或已经损坏，
当45℃<Tc<300℃时，可判断探测器温度过高，发出高温错误警报，
当42℃<Tc≤45℃时，可判断探测器温度偏高，发出高温警报，
当-100℃<Tc<35℃时，可判断探测器温度过低，发出低温错误警报，
当Tc≤-100℃时，可判断温度探头处于开路状态，或没接好，或已经损坏，
若温度探头的工作状态和温度不在正常范围内，则返回到步骤(2)继续测量温度；
(4)所述目标温度AD值计算如下：
AD＝index+offset
index＝Tc×10-250
0≤index≤34|163≤index≤176offset＝501
35≤index≤43|133≤index≤162offset＝502
44≤index≤68|83≤index≤132offset＝503
69≤index≤82offset＝504
177≤index≤200offset＝500
ADC参考电压为3.3V，AD值的分辨率为10位，所述目标温度AD值为20个采样值的平均值，用于减轻误差或干扰的影响；
(5)若温度探头的工作状态和温度在正常范围内，则采用PID计算加热功率后进行加热：采用如下公式：
Output＝-Kp×[Input(t)-Inputinit]+Ki∫e(t)dt-Kd×dInput/dt
e＝Setpoint-Input
Setpoint为目标温度对应的AD值，Input为实时监控温度对应的AD值，Output为加热器的加热占空比；
(6)判断是否到达目标温度，若未达到目标温度，则返回到步骤(2)继续测量温度；若达到目标温度后，维持加热功率。
本发明具有以下有益效果：通过比例参数Kp来产生负误差，达到平衡点后，比例参数Kp的作用完全被颠覆，Kp提供的是反作用，阻止加热的进程，随着温度的增加，反作用逐步加强。传统的PID算法，在稳态时比例参数Kp的作用会消失，新的PID算法设计，即使在达到稳态时，Kp也是在持续作用，与积分参数Ki共同维持平衡，过冲可完全消失；采用本发明技术方案可以将探测器模块的温度控制在37℃±1℃，快速且无过冲。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为有过冲现象的探测器加热曲线图；
图3为无过冲现象的探测器加热曲线图；
图4为有过冲现象的P、I、D三个参数的作用效果分解图；
图5为本发明中无过冲现象的P、I、D三个参数的作用效果分解图。
具体实施例
实施例1
一种用于CT探测器的无过冲温度控制算法，包括以下步骤：
(1)系统初始化：设置目标温度、探测点温差、PID参数、采样数、目标温度AD值、ADC参考电压和PWM输出限制，所述目标温度即CT探测器目标温度为37℃，所述探测点温差和PID参数经测试获得，所述采样数用于计算平均温度；
(2)测量温度：通过NTC热敏电阻采集测试点的温度，NTC热敏电阻的阻值与温度转换关系可通过Steinhart-Hart经验公式获得:
式中所计算的T为华氏温度，摄氏温度TC＝T-273.15；
(3)判断故障：判断温度探头的工作状态和温度是否在正常范围，具体判断依据为：
当Tc≥300℃时，可判断温度探头处于短路状态，或没接好，或已经损坏，
当45℃<Tc<300℃时，可判断探测器温度过高，发出高温错误警报，
当42℃<Tc≤45℃时，可判断探测器温度偏高，发出高温警报，
当-100℃<Tc<35℃时，可判断探测器温度过低，发出低温错误警报，
当Tc≤-100℃时，可判断温度探头处于开路状态，或没接好，或已经损坏，
若温度探头的工作状态和温度不在正常范围内，则返回到步骤(2)继续测量温度；
(4)所述目标温度AD值计算如下：
AD＝index+offset
index＝Tc×10-250
0≤index≤34|163≤index≤176offset＝501
35≤index≤43|133≤index≤162offset＝502
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ADC参考电压为3.3V，AD值的分辨率为10位，所述目标温度AD值为20个采样值的平均值，用于减轻误差或干扰的影响；
(5)若温度探头的工作状态和温度在正常范围内，则采用PID计算加热功率后进行加热：采用如下公式：
Output＝-Kp×[Input(t)-Inputinit]+Ki∫e(t)dt-Kd×dInput/dt
e＝Setpoint-Input
Setpoint为目标温度对应的AD值，Input为实时监控温度对应的AD值，Output为加热器的加热占空比；
(6)判断是否到达目标温度，若未达到目标温度，则返回到步骤(2)继续测量温度；若达到目标温度后，维持加热功率。
已知常规的PID公式为：
Output＝Kp×e(t)+Ki×∫e(t)dt+Kd×de(t)/dt
基于上述公式，不管是用PI控制还是PID控制，都会出现不同程度的过冲现象，如图2所示；高温对CT探测器的损伤最大，理想的CT探测器的加热曲线应该是平缓上升，如图3所示。
常规的PID算法无法完全消除过冲现象，在Setpoint从120上升到150的过程中，假设Setpoint在120的稳态时，输出Output为7，由于稳态时e(t)＝0，所以P和D在稳态时作为为0，而0的不定积分是一个常数，Ki×∫e(t)dt＝7，即稳态时全靠I的作用使输出降到7，P、I、D三个参数的作用效果分解如图4所示。达到新的设置点之后，I的作用明显强于P和D，过冲随即产生，因此减轻过冲的唯一办法是减小积分参数Ki，但无法完全消除过冲。要消除过冲，就必须引入负误差，微分参数Kd虽然能提供一定的负误差但是作用太小，只能通过比例参数Kp来产生负误差，产生原理如下：
Output＝-Kp×[Input(t)-Inputinit]+Ki∫e(t)dt-Kd×dInput/dt
在上述公式中，达到平衡点后，比例参数Kp的作用完全被颠覆，Kp提供的是反作用，阻止加热的进程，随着温度的增加，反作用逐步加强。传统的PID算法，在稳态时比例参数Kp的作用会消失，然而新的PID算法设计即使在达到稳态时，Kp也是在持续作用，与积分参数Ki共同维持平衡，只要参数合理，过冲就可完全消失，如图5所示。
上述详细说明是针对本发明其中之一可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种用于CT探测器的无过冲温度控制算法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)系统初始化：设置目标温度、探测点温差、PID参数、采样数、ADC参考电压和PWM输出限制；其中，PID参数包括比例参数Kp、积分参数Ki和微分参数Kd；
(2)测量温度：通过NTC热敏电阻采集测试点的温度Tc；
(3)判断故障：判断温度探头的工作状态和温度Tc是否在正常范围；若温度探头的工作状态和温度不在正常范围内，则返回到步骤(2)继续测量温度；
(4)计算目标温度AD值：
AD＝index+offset
index＝Tc×10-250
0≤index≤34|163≤index≤176 offset＝501
35≤index≤43|133≤index≤162 offset＝502
44≤index≤68|83≤index≤132 offset＝503
69≤index≤82 offset＝504
177≤index≤200 offset＝500；
(5)若温度探头的工作状态和温度在正常范围内，则采用PID计算加热功率后进行加热：采用如下公式：
Output＝-Kpx[Input(t)-Inputinit]+Ki∫e(t)dt-Kd×dInput/dt
e＝Setpoint-Input
Setpoint为目标温度对应的AD值，Input为实时监控温度对应的AD值，Inputinit为温度初始值对应的AD值，Output为加热器的加热占空比；
(6)判断是否到达目标温度，达到目标温度后，维持加热功率；若未达到目标温度，则返回到步骤(2)继续测量温度。
2.根据权利要求1所述的一种用于CT探测器的无过冲温度控制算法，其特征在于，所述步骤(1)中目标温度为37℃，所述探测点温差、比例参数Kp、积分参数Ki和微分参数Kd经测试获得。
3.根据权利要求1所述的一种用于CT探测器的无过冲温度控制算法，其特征在于，所述步骤(2)中NTC热敏电阻的阻值R与温度T转换关系可通过Steinhart-Hart经验公式获得：
式中所计算的T为华氏温度，温度TC为摄氏温度，TC＝T-273.15，a、b、c为常数。
4.根据权利要求1所述的一种用于CT探测器的无过冲温度控制算法，其特征在于，所述步骤(3)中判断温度探头的工作状态和温度是否在正常范围，具体判断依据为：
当Tc≥300℃时，可判断温度探头处于短路状态，或没接好，或已经损坏，
当45℃<Tc<300℃时，可判断探测器温度过高，发出高温错误警报，
当42℃<Tc≤45℃时，可判断探测器温度偏高，发出高温警报，
当-100℃<Tc<35℃时，可判断探测器温度过低，发出低温错误警报，
当Tc≤-100℃时，可判断温度探头处于开路状态，或没接好，或已经损坏。
5.根据权利要求1所述的一种用于CT探测器的无过冲温度控制算法，其特征在于，所述目标温度AD值计算过程中ADC参考电压为3.3V，AD值的分辨率为10位。
6.根据权利要求1所述的一种用于CT探测器的无过冲温度控制算法，其特征在于，所述目标温度AD值为20个采样值的平均值，用于减轻误差或干扰的影响。
7.根据权利要求3所述的一种用于CT探测器的无过冲温度控制算法，其特征在于，所述步骤(2)中a、b、c通过Steinhart-Hart经验公式以及实测的三点温度数据和三点温度下对应的电阻值数据计算获得。
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