CN110413024A - 基于pid的数字微流控温控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用微流控技术领域，提供了一种基于PID的微流控温控系统及方法，该系统包括温控电路、加热片、加热台，所述加热片位于所述加热台中，所述温控电路与所述加热片电连接，由于采用温控电路控制加热片对加热台进行加热，且通过温控电路实时监测加热温度并进行动态调整，实现对加热台的精准加热，避免了加热过程中出现超调量问题。

Description

基于PID的数字微流控温控系统及方法

技术领域

本发明属于微流控技术领域，尤其涉及一种基于PID的数字微流控温控系统及方法。

背景技术

在进行微流控的温控中，通常采用PID算法进行温控，PID控制算法包括增量式、位置式、分段式、专家式和模糊式等。目前市面上主流的温控系统都采用了基于专家或模糊PID算法的控制方法。例如大连理工大学的闫卫平教授团队设计了集连续流动式PCR反应腔、微阀和微泵腔于一体的集成PCR芯片，其利用MEMS技术完成了硅基Pt薄膜加热器和温度传感器芯片的制备，以STM32F4为单片机进行系统控制，采用增量式PID算法进行温度控制。

然而，目前的基于PID的数字微流控温控系统均不能有效解决超调量问题，无法有效实现对系统温度的精准控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于PID的数字微流控温控系统及方法，旨在解决现有技术中的基于PID的数字微流控温控系统不能有效解决超调量问题的技术问题。

第一方面，本发明提供了一种基于PID的微流控温控系统，所述系统包括温控电路、加热片、加热台；所述加热片位于所述加热台中，所述温控电路与所述加热片电连接。

优选的，所述加热台包括至少三个导热片与至少一个隔热材料，所述三个导热片之间相互热连接。

优选的，所述导热片为铝片，所述隔热材料为特氟龙块。

优选的，第二个所述导热片布设有长条缕空处，所述长条缕空处用于放置薄膜热电阻。

优选的，所述加热片布设于所述隔热材料的上表面。

优选的，所述三个导热片之间的接触面采用导热粘合材料进行贴涂。

优选的，所述加热片为薄膜加热片。

优选的，所述温控电路包括电源模块、以及依次电连接的温度传感器、模数转换器和控制器，所述电源模块为所述温度传感器、模数转换器和控制器供电。

优选的，所述温度传感器的数量为至少两个。

第二方面，本发明提供了一种基于PID的数字微流控温控方法，包括：

设置PID的比例系数，所述比例系数为脉冲宽度调制的最大控制周期与温度控制范围的比值；

获取当前温度值与预设温度值之间的差值，并照所述差值调节所述PID中的积分系数和微分系数；

通过调整后的积分系数和微分系数计算所述脉冲宽度调制的输出值，并通过所述输出值控制当前温度值，直至将温度值控制在所述预设温度值。

本发明示出的基于PID的微流控温控系统包括温控电路、加热片、加热台，加热片位于所述加热台中，温控电路与所述加热片电连接，由于采用温控电路控制加热片对加热台进行加热，且通过温控电路实时监测加热温度并进行动态调整，实现对加热台的精准加热，避免了加热过程中出现超调量问题。

附图说明

图1是实施例一示出的基于PID的数字微流控温控系统的结构框图。

图2是根据一示例性实施例示出的第一(三)个导热片的形状示意图。

图3是根据一示例性实施例示出的第二个导热片的形状示意图。

图4是根据一示例性实施例示出的隔热材料的形状示意图。

图5是实施例二示出的基于PID的微流控温控方法的实现流程图。

图6是实施例二示出的进行微流控温控的工作流程图。

图7是实施例二示出的预设温度为74摄氏度时的局部控温曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

实施例一：

图1示出了本实施例提供的基于PID的数字微流控温控系统。如附图1所示，本实施例提供的基于PID的数字微流控温控系统X包括温控电路1、加热片2、加热台3，所述加热片2位于加热台3中，温控电路1与所述加热片2电连接。

由此，采用温控电路控制加热片对加热台进行加热，且通过温控电路实时监测加热温度并进行动态调整，实现对加热台的精准加热，避免了加热过程中出现超调量问题。

具体的，加热台3包括至少三个导热片与至少一个隔热材料，三个导热片之间相互热连接，导热片可采用金属导热片或非金属导热片，

采用金属导热片时，导热片可采用铁、铜、不锈钢、铝等常见导热金属；采用非金属导热片时，导热片可采用熟料等非金属导热材料。

可选的，隔热材料可采用有机隔热材料，例如特氟龙块，从而保证在极低成本下的温度隔离，保护系统其它器件。

可选的，当导热片的数量为三个时，三个导热片之间的接触面采用导热粘合材料进行贴涂，由上而下的第一个导热片上表面接触待加温物体，第二个导热片布设有长条缕空处，长条缕空处用于放置温度传感器，使薄温度传感器与第一个导热片下表面贴合，第三个导热片下表面与加热片直接接触。第三个导热片与第二个导热片长条缕空处的空隙处使用高导热系数的导热粘合材料粘合固定。该导热粘合材料可以为导热硅胶、导热凝胶或者液态导热垫片。

优选的，第二个导热片布设的长条缕空处数量可为2个以上，使放置的温度传感器数量为2个以上，当2个以上温度传感器所测温度值差异明显时，可判断控温异常并及时关闭加温程序上报用户，显著提高了系统的可靠性。并且通过在不同位置进行温度感测，既能准确测知待测物体温度，又能使有效避免温度传感器靠近加热片而导致的温度过高问题，有效提高了系统的可靠性，保证温度传感器在长期使用中位置不会异动。

可选的，加热片布设于隔热材料的上表面，有效避免影响其他器件，保证了系统安全性。

可选的，加热片为薄膜加热片，有效兼顾小巧及加热效率。

可选的，温控电路包括电源模块、以及依次电连接的温度传感器、模数转换器和控制器，所述电源模块为所述温度传感器、模数转换器和控制器供电，温度传感器的数量为至少两个。

温度传感器由变送器和薄膜热电阻(例如PT100)构成，其中薄膜热电阻负责将待测物体的温度转换为电阻值，变送器负责将薄膜热电阻的电阻值转化为电压值；模数转换器和控制器(例如微处理器、DSP、FPGA等)则负责采集温度变送器的电压值并送入到单片机中进行处理。电源模块包括AC-DC稳压电源和DC-DC稳压电源：AC-DC稳压电源为220V转24V的AC-DC稳压电源，为加热片和温度传感器供电；DC-DC稳压电源为24V转5VDC-DC稳压电源，为模数转换器和单片机供电。

具体的，图2、3、4分别是根据一示例性实施例示出的第一(三)个导热片、第二个导热片、隔热材料的形状示意图。加热台部分由三片正六边形的铝片(导热片)和一块正六边形的特氟龙块(隔热材料)组成，它们拥有相同的外边长(40毫米)。他们之间的接触面使用导热粘合材料进行贴涂，方便导热和相互粘结。第一(三)个铝片的形状如图2所示，a处的半圆形凹槽用于束集薄膜热电阻的信号线。第二个铝片的的外形如图3所示，三个长条镂空处(a处)是为了深入安装三个薄膜热电阻。特氟龙块的形状如图4所示，薄膜加热片放于该特氟龙块的上表面。其中三个过孔(b处)用于固定。a处的凹槽作用与第一、三片凹槽作用相同。长方形凹槽(c处)则用于导出薄膜加热片的两根电源线。所有薄膜热电阻和薄膜加热片的信号线和电源线统一由外边处和特氟龙处的凹槽导出到下部。

将温度传感器置于第二个导热片凹槽与第一个导热片的下表面处，既能准确测知待测物体温度，又能有效避免靠近加热片而导致的温度过高问题。同时提高了系统的可靠性，保证加热传感器在长期使用中位置不会异动。并且采用双温度传感器，当两个温度传感器所测温度值差异明显时，可判断控温异常并及时关闭加温程序上报用户，显著提高了系统的可靠性。

实施例二：

图5为实施例二示出的基于PID的微流控温控方法的实现流程图。实施例二示出的基于PID的微流控温控方法适用于基于PID的微流控温控系统。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

步骤S110，设置PID的比例系数，所述比例系数为脉冲宽度调制的最大控制周期与温度控制范围的比值。

步骤S120，获取当前温度值与预设温度值之间的差值，并照所述差值调节所述PID中的积分系数和微分系数。

步骤S130，通过调整后的积分系数和微分系数计算所述脉冲宽度调制的输出值，并通过所述输出值控制当前温度值，直至将温度值控制在所述预设温度值。

其中，PID由比例单元(Proportion)、积分单元(Integral)和微分单元(Differential)组成，因此，PID包括比例系数(P)、积分系数(I)和微分系数(D)。

可选的，在获取当前温度值与预设温度值的差值时，可按照预设的时间间隔获取温度传感器采集的当前温度值，进而根据当前温度值与预设温度值计算两者之间的差值。

如图6所示，当单片机上电后立即执行系统初始化步骤，然后等待上位机设置预定温度命令和发送加热开始命令。当单片机开始进行加热程序时，配置一个周期为1秒的定时器实时调节PWM的占空比周期。当定时器中断到来后，系统通过模数转换器来采集温度传感器的电压值并将其转化为温度值。然后送入线性增量式PID控制算法处理程序，算法处理完成后得到新的PWM占空比，将其应用于加热片功率的调整以达到控制加热片温度的目的。

常规PID算法公式为：

其中u(t)为控制输出量，即为PWM占空比，e(t)为控制输入量，即温度设定值与反馈值之差。K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数，常规PID算法的比例，积分和微分系数是固定不变的。将其离散化，得到第t-1次采样后的输出为：

u(t-1)＝K_p·e(t-1)+K_i·∑e(t-1)+K_d·(e(t-1)+e(t-2))

第t次采样后的输出为：

u(t)＝K_p·e(t)+K_i·∑e(t)+K_d·(e(t)+e(t-1))

则上述两式相减后得到的增量法计算公式为：

Δu(t)＝K_p·(e(t)-e(t-1))+K_i·e(t)+K_d·(e(t)-2·e(t-1)+e(t-2))

因此，使用上述离散化常规算法进行温度控制存在超调量的问题。

本实施例中通过对PID进行改进，具体的，对其积分系数和微分系数改进如下：

其中K_dn和K_in为改进后的积分系数和微分系数，T_th为温度控制范围。由于改进后的积分系数、微分系数与误差值(当前温度值与预设温度值)相关，因此通过动态调整积分和微分系数即可实现避免超调量的目标。

针对上述改进的线性增量式PID控制算法，我们需要首先整定比例系数、积分系数和微分系数。一个系数整定的实例如下：

A：先确定比例系数。一般而言，比例系数＝PWM设定最大控制周期/温度控制范围。在本发明的系统中，PWM设定最大控制周期为5000，温度控制范围(T_th)为1摄氏度，于是比例系数即为5000。

可选的，在薄膜加热片工作的时候，模数转换器所测电压数据具有明显波动现象。为了克服这个问题，我们将PWM控制周期中的前200点固定为低电平，即薄膜加热片没有工作，此时模数转换器所测电压数据为实际电压值。因此实际上PWM控制最大周期为4800，所以本系统中比例系数为4800。

B：根据所设定的比例系数从小到大调节积分系数，使得PI控制的系统稳态误差为预设温度调节精度的0.01，然后从小到大调节微分系数，使得PID控制的系统标准差最小。这里我们根据实验得到的积分系数为350。

C：整定微分系数，使得系统温度稳定后的均方根误差最小，这里我们根据实验数据得到的微分系数为400。

整定完PID控制参数后，我们需要把积分系数和微分系数线性化，即随着上述公式中温度设定值与反馈值之差e(t)的逐渐减少而逐渐增大积分系数(K_in)和微分系数(K_dn)。

本实施例使用的PID控制算法与常规PID控制算法的区别在于，其积分系数和微分系数随着误差的变化而动态调整，控制效果如图7所示，当预设温度为74摄氏度时，控温精度在±0.1摄氏度以内，而且线性变化具有计算量小，实现简便的优点。

在具体系统运行过程中，当温度稳定控制在预定温度附近时，由于模数转换器和温度传感器或多或少会存在测量温度明显异常的情况，具体变现为异常测量值明显高于或低于前后正常测量值。针对此现象，我们需要进行一定处理。本系统的措施为：在温度控制稳定在预定温度±0.1摄氏度区间内时，如果某次温度测量值明显高于或低于前一次和上上次测量值0.1摄氏度时，则前一次测量值代替该次温度测量值作为PID控制算法的输入。

在进行PID参数整定时，根据系统参数的不同选择合适的初始比例系数，然后按照步骤进行积分系数和微分系数整定，使积分系数和微分系数能够根据当前温度值与预设温度值之间的差值进行动态调整，有效避免了参数整定的盲目性和重复劳动，解决了数字微流控系统加热时的超调量问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于PID的微流控温控系统，其特征在于，所述系统包括温控电路、加热片、加热台；所述加热片位于所述加热台中，所述温控电路与所述加热片电连接。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述加热台包括至少三个导热片与至少一个隔热材料，所述三个导热片之间相互热连接。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述导热片为铝片，所述隔热材料为特氟龙块。

4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，第二个所述导热片布设有长条缕空处，所述长条缕空处用于放置薄膜热电阻。

5.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述加热片布设于所述隔热材料的上表面。

6.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述三个导热片之间的接触面采用导热粘合材料进行贴涂。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述加热片为薄膜加热片。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述温控电路包括电源模块、以及依次电连接的温度传感器、模数转换器和控制器，所述电源模块为所述温度传感器、模数转换器和控制器供电。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述温度传感器的数量为至少两个。

10.一种基于PID的数字微流控温控方法，其特征在于，所述方法包括：

设置PID的比例系数，所述比例系数为脉冲宽度调制的最大控制周期与温度控制范围的比值；

获取当前温度值与预设温度值之间的差值，并照所述差值调节所述PID中的积分系数和微分系数；

通过调整后的积分系数和微分系数计算所述脉冲宽度调制的输出值，并通过所述输出值控制当前温度值，直至将温度值控制在所述预设温度值。