CN112486222A - 一种基于真有效值功率反馈的电加热温度控制系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于真有效值功率反馈的电加热温度控制系统与方法，涉及电加热温度控制技术领域，为解决没有功率反馈，所以无法克服因电网波动而引起的加热功率波动，采用电压反馈或电流反馈控制的，也存在反馈电压或电流是平均值而不是有效值的差异，造成电网波动时引起加热功率波动，从而造成控制波动的问题。所述温度传感器的输出端与高分辨率转换器ADC的输入端电性连接，所述数字化运算模块与可控硅调压控制器的输入端连接，所述可控硅调压控制器的输出端与加热负载连接；其中，温度传感器对加热负载分温度数据进行采集；高分辨率转换器ADC对采集的温度数据进行转换；可控硅调压控制器通过改变可控硅导通角来实现加热功率控制。

Description

一种基于真有效值功率反馈的电加热温度控制系统与方法

技术领域

本发明涉及电加热温度控制技术领域，具体为一种基于真有效值功率反馈的电加热温度控制系统与方法。

背景技术

一些测试设备如温度传感器鉴定装置，为鉴定结果的有效性和权威性，需要精度很高的恒温控制系统，一般要达到0.001℃（500℃以上的量程）的显示分辨率，小于0.005℃的温度波动和控制精度。因此，要求控制器具有较高分辨率和稳定度的模数转换能力，较高分辨率的控制算法，以及较高分辨率的控制输出。被加热对象在散热条件相对稳定的前提下，被加热对象的温度与加热功率成正比，加热功率又与加热电压的平方成正比，与负载的电阻值成反比，因此，电网波动会放大热功率的波动。

目前，传统的可控硅过零触发控制虽然的是加热功率，因为其没有功率反馈，所以无法克服因电网波动而引起的加热功率波动，无法识别因被控温度细微变化而使控制输出细微变化的控制变量，造成控制波动；传统的可控硅移相触发控制虽然可以做到较高的控制分辨率，且含有电压或电流反馈，但也存在反馈电压或电流是平均值而不是有效值的差异，造成电网波动时引起加热功率波动，从而造成控制波动。因此市场上急需一种基于真有效值功率反馈的电加热温度控制系统与方法来解决这些问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于真有效值功率反馈的电加热温度控制系统与方法，以解决上述背景技术中提出没有功率反馈，所以无法克服因电网波动而引起的加热功率波动，采用电压反馈或电流反馈控制的，也存在反馈电压或电流是平均值而不是有效值的差异，造成电网波动时引起加热功率波动，从而造成控制波动的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于真有效值功率反馈的电加热温度控制系统，包括数字化运算模块、电源适配器、高分辨率转换器ADC、真有效值负载电流测量器、真有效值负载电压测量器、可控硅调压控制器、加热负载、温度传感器和液晶显示器，所述温度传感器的输出端与高分辨率转换器ADC的输入端电性连接，所述高分辨率转换器ADC的输出端与数字化运算模块连接，所述数字化运算模块与可控硅调压控制器的输入端连接，所述可控硅调压控制器的输出端与加热负载连接；

其中，温度传感器采用二等标准热电阻，对加热负载的温度数据进行采集，同时还能将采集的温度数据转化为电信号传输；

高分辨率转换器ADC采用24位高分辨率模数转换器作信号采样系统，对采集的温度数据进行转换；

可控硅调压控制器的分辨率被设计成16位或以上，与电流和电压信号的乘积比较，通过改变可控硅导通角来实现加热功率控制。

优选的，所述数字化运算模块包括比较器A、高分辨率PID控制器、数据设定器、比较器B、高分辨率可控硅移相控制器和乘法运算器；

其中，高分辨率PID控制器采用4字节浮点数运算，对输入的数据进行控制运算；

高分辨率可控硅移相控制器使用PI运算对控制输出与输入的功率反馈的偏差进行PI公式演算，从而对可控硅调压控制器发送合理的调控指令。

优选的，所述电源适配器分别与数字化运算模块、高分辨率转换器ADC、可控硅调压控制器、真有效值负载电流测量器、真有效值负载电压测量器和温度传感器的供电接口电性连接。

优选的，所述数据设定器可以向比较器A中输入相应的温度PID控制参数，所述比较器A可以对高分辨率转换器ADC和数据设定器输入的数据进行比较判断。

优选的，所述真有效值负载电流测量器和真有效值负载电压测量器的输入端均与加热负载电性连接，所述真有效值负载电流测量器和真有效值负载电压测量器的输出端均与乘法运算器连接，所述真有效值负载电流测量器和真有效值负载电压测量器的分辨率均选用19位或以上，所述真有效值负载电流测量器和真有效值负载电压测量器将采集的真有效值电压和电流值输入到乘法运算器中进行运算，从而计算加热负载的功率。

优选的，所述比较器B对经高分辨率PID控制器处理过后的数据与乘法运算器运算后的功率进行比较。

优选的，所述液晶显示器的输入端与可控硅调压控制器和温度传感器均电性连接。

一种基于真有效值功率反馈的电加热温度控制系统的方法，包括如下步骤：

步骤1：借助温度传感器对加热负载的温度数据进行采集，并将采集的数据输入到高分辨率转换器ADC中进行数据转换，从而实现温度信号采集；

步骤2：经高分辨率转换器ADC转换的温度数据输入到比较器A中，借助数据设定器对比较器A设定相应的温度参数数据，将设定值与采集的温度值进行比较后进入高分辨率PID控制器进行控制运算；

步骤3：借助真有效值负载电流测量器和真有效值负载电压测量器对加热负载上的电流和电压信号进行采集并对其进行真有效值转换，将采集的真有效值电压和电流数据输入到乘法运算器中进行功率计算，将反馈的功率与高分辨率PID控制器处理的数据进行功率比较，在经高分辨率可控硅移相控制器进行PI运算；

步骤4：根据高分辨率可控硅移相控制器的演算结果向可控硅调压控制器下发相应合理的控制指令，从而可以对加热负载的加热功率进行调控；

步骤5：可控硅调压控制器和温度传感器的工作数据都会被记录到液晶显示器中并直观的显示出来，从而便于工作人员对电网波动或温度导致电阻值变化影响加热功率进行探究。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.该发明装置通过高分辨率PID控制器、高分辨率可控硅移相控制器和可控硅调压控制器的设置，高分辨率可控硅移相控制器可以对真有效值功率反馈将及时反映负载加热功率的突变，并及时借助可控硅调压控制器改变可控硅导通角来维持原来的加热功率，有效克服了因电网波动需等到温度传感器才反应过来的系统滞后，再通过高分辨率PID控制器控制输出变化后收敛，所引起的温度控制系统波动，实现了高分辨率的温度控制。解决了没有功率反馈，无法克服因电网波动而引起的加热功率波动的问题。

2.该发明装置通过温度传感器、真有效值负载电流测量器和真有效值负载电压测量器的设置，借助真有效值负载电流测量器和真有效值负载电压测量器可以对加热负载的电流和电压信息进行采集，并通过乘法运算器测算出加热功率，从而实现功率反馈，而温度传感器则能对加热负载的温度进行采集，从而满足了控制系统温度测量的要求。解决了单一的电压或电流反馈还会因为负载电阻的变化改变加热功率，出现控制输出变化与温度变化之间的非线性，使控制品质下降的问题。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为本发明的数字化运算模块的原理示意图；

图3为本发明的工作流程图。

图中：1、数字化运算模块；2、电源适配器；3、高分辨率转换器ADC；4、真有效值负载电流测量器；5、真有效值负载电压测量器；6、可控硅调压控制器；7、加热负载；8、温度传感器；9、液晶显示器；10、比较器A；11、高分辨率PID控制器；12、数据设定器；13、比较器B；14、高分辨率可控硅移相控制器；15、乘法运算器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

请参阅图1-3，本发明提供的一种实施例：一种基于真有效值功率反馈的电加热温度控制系统，包括数字化运算模块1、电源适配器2、高分辨率转换器ADC3、真有效值负载电流测量器4、真有效值负载电压测量器5、可控硅调压控制器6、加热负载7、温度传感器8和液晶显示器9，温度传感器8的输出端与高分辨率转换器ADC3的输入端电性连接，高分辨率转换器ADC3的输出端与数字化运算模块1连接，数字化运算模块1与可控硅调压控制器6的输入端连接，可控硅调压控制器6的输出端与加热负载7连接；

其中，温度传感器8采用二等标准热电阻，对加热负载7的温度数据进行采集，同时还能将采集的温度数据转化为电信号传输；

高分辨率转换器ADC3采用24位高分辨率模数转换器作信号采样系统，对采集的温度数据进行转换，24位高分辨率模数转换器其采样分辨率达到百万分之一，相当于1000℃量程具有0.01℃的分辨率，有效满足了控制系统温度测量的要求；

可控硅调压控制器6的分辨率被设计成16位或以上，与电流和电压信号的乘积比较，通过改变可控硅导通角来实现加热功率控制，可在65℃控制比例带时，实现相当于不到0.001℃温度变化的控制输出响应，控制比例带越小，控制输出分辨率折算到温度分辨率越高，控制比例带由控制对象的数学模型决定，有效满足了控制系统输出分辨率的要求。

进一步，数字化运算模块1包括比较器A10、高分辨率PID控制器11、数据设定器12、比较器B13、高分辨率可控硅移相控制器14和乘法运算器15；

其中，高分辨率PID控制器11采用4字节浮点数运算，对输入的数据进行控制运算，运算采样4字节浮点数运算，具有很高的分辨率；

高分辨率可控硅移相控制器14使用PI运算对输入的功率进行公式演算，从而对可控硅调压控制器6发送合理的调控指令，演算公式设计成PI运算，可实现PID控制运算结果与加热功率成线性关系。

进一步，电源适配器2分别与数字化运算模块1、高分辨率转换器ADC3、可控硅调压控制器6、真有效值负载电流测量器4、真有效值负载电压测量器5和温度传感器8的供电接口电性连接，电源适配器2可以将电源进行合理转换，从而便于不同电器元件使用合适的电压。

进一步，数据设定器12可以向比较器A10中输入相应的温度PID控制参数，比较器A10可以对高分辨率转换器ADC3和数据设定器12输入的数据进行比较判断，比较器A10可以对数据进行比较。

进一步，真有效值负载电流测量器4和真有效值负载电压测量器5的输入端均与加热负载7电性连接，真有效值负载电流测量器4和真有效值负载电压测量器5的输出端均与乘法运算器15连接，真有效值负载电流测量器4和真有效值负载电压测量器5的分辨率均选用19位或以上，真有效值负载电流测量器4和真有效值负载电压测量器5将采集的真有效值电压和电流值输入到乘法运算器15中进行运算，从而计算加热负载7的功率，分辨率选用19位或以上的电路有效满足了控制系统真有效值电压电流信号测量的要求。

进一步，比较器B13对经高分辨率PID控制器11处理过后的数据与乘法运算器15运算后的功率进行比较，比较器B13可以进行功率比较。

进一步，液晶显示器9的输入端与可控硅调压控制器6和温度传感器8均电性连接，液晶显示器9可以将可控硅调压控制器6调控状态和温度传感器8温度数据进行显示，便于工作人员进行查看。

一种基于真有效值功率反馈的电加热温度控制系统的方法，包括如下步骤：

步骤1：借助温度传感器8对加热负载7的温度数据进行采集，并将采集的数据输入到高分辨率转换器ADC3中进行数据转换，从而实现温度信号采集；

步骤2：经高分辨率转换器ADC3转换的温度数据输入到比较器A10中，借助数据设定器12对比较器A10设定相应的温度参数数据，将设定值与采集的温度值进行比较后进入高分辨率PID控制器11进行控制运算；

步骤3：借助真有效值负载电流测量器4和真有效值负载电压测量器5对加热负载7上的电流和电压信号进行采集并对其进行真有效值转换，将采集的真有效值电压和电流数据输入到乘法运算器15中进行功率计算，将反馈的功率与高分辨率PID控制器11处理的数据进行功率比较，在经高分辨率可控硅移相控制器14进行PI运算；

步骤4：根据高分辨率可控硅移相控制器14的演算结果向可控硅调压控制器6下发相应合理的控制指令，从而可以对加热负载7的加热功率进行调控；

步骤5：可控硅调压控制器6和温度传感器8的工作数据都会被记录到液晶显示器9中并直观的显示出来，从而便于工作人员对电网波动或温度导致电阻值变化影响加热功率进行探究。

工作原理：使用时，借助温度传感器8采集加热负载7的温度并通过高分辨率转换器ADC3进出采样信号转换，通过数据设定器12设定相应的数据与采样信号数据比较在进入高分辨率PID控制器11进行控制运算，借助真有效值负载电流测量器4和真有效值负载电压测量器5对加热负载7的电流和电压信号采集并进行真有效值测量转换，将真有效值输入到乘法运算器15进行功率运算，将反馈的功率与高分辨率PID控制器11运算结果进行比较再经高分辨率可控硅移相控制器14演算出合理的调控指令，通过可控硅调压控制器6控制输出，从而维持原来的加热功率。三相电源供电的加热系统，可用3个电压真有效值测量和3个电流真有效值测量共6个参数传送给数字化运算模块1计算加热功率，实现真有效值功率反馈；针对温度不高的控温系统，在加热负载7的电阻值随温度基本不变的前提下，可只用单一的真有效值电压或电流信号的平方作为功率反馈信号，实现真有效值功率反馈的高分辨率电加热温度控制。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种基于真有效值功率反馈的电加热温度控制系统，包括数字化运算模块（1）、电源适配器（2）、高分辨率转换器ADC（3）、真有效值负载电流测量器（4）、真有效值负载电压测量器（5）、可控硅调压控制器（6）、加热负载（7）、温度传感器（8）和液晶显示器（9），其特征在于：所述温度传感器（8）的输出端与高分辨率转换器ADC（3）的输入端电性连接，所述高分辨率转换器ADC（3）的输出端与数字化运算模块（1）连接，所述数字化运算模块（1）与可控硅调压控制器（6）的输入端连接，所述可控硅调压控制器（6）的输出端与加热负载（7）连接；

其中，温度传感器（8）采用二等标准热电阻，对加热负载（7）的温度数据进行采集，同时还能将采集的温度数据转化为电信号传输；

高分辨率转换器ADC（3）采用24位高分辨率模数转换器作信号采样系统，对采集的温度数据进行转换；

可控硅调压控制器（6）的分辨率被设计成16位或以上，与电流和电压信号的乘积比较，通过改变可控硅导通角来实现加热功率控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于真有效值功率反馈的电加热温度控制系统，其特征在于：所述数字化运算模块（1）包括比较器A（10）、高分辨率PID控制器（11）、数据设定器（12）、比较器B（13）、高分辨率可控硅移相控制器（14）和乘法运算器（15）；

其中，高分辨率PID控制器（11）采用4字节浮点数运算，对输入的数据进行控制运算；

高分辨率可控硅移相控制器（14）使用PI运算对输入的功率进行公式演算，从而对可控硅调压控制器（6）发送合理的调控指令。

3.根据权利要求1所述的一种基于真有效值功率反馈的电加热温度控制系统，其特征在于：所述电源适配器（2）分别与数字化运算模块（1）、高分辨率转换器ADC（3）、可控硅调压控制器（6）、真有效值负载电流测量器（4）、真有效值负载电压测量器（5）和温度传感器（8）的供电接口电性连接。

4.根据权利要求2所述的一种基于真有效值功率反馈的电加热温度控制系统，其特征在于：所述数据设定器（12）可以向比较器A（10）中输入相应的温度PID控制参数，所述比较器A（10）可以对高分辨率转换器ADC（3）和数据设定器（12）输入的数据进行比较判断。

5.根据权利要求2所述的一种基于真有效值功率反馈的电加热温度控制系统，其特征在于：所述真有效值负载电流测量器（4）和真有效值负载电压测量器（5）的输入端均与加热负载（7）电性连接，所述真有效值负载电流测量器（4）和真有效值负载电压测量器（5）的输出端均与乘法运算器（15）连接，所述真有效值负载电流测量器（4）和真有效值负载电压测量器（5）的分辨率均选用19位或以上，所述真有效值负载电流测量器（4）和真有效值负载电压测量器（5）将采集的真有效值电压和电流值输入到乘法运算器（15）中进行运算，从而计算加热负载（7）的功率。

6.根据权利要求2所述的一种基于真有效值功率反馈的电加热温度控制系统，其特征在于：所述比较器B（13）对经高分辨率PID控制器（11）处理过后的数据与乘法运算器（15）运算后的功率进行比较。

7.根据权利要求1所述的一种基于真有效值功率反馈的电加热温度控制系统，其特征在于：所述液晶显示器（9）的输入端与可控硅调压控制器（6）和温度传感器（8）均电性连接。

8.一种基于真有效值功率反馈的电加热温度控制系统的方法，基于权利要求1-7任意一项一种基于真有效值功率反馈的电加热温度控制系统，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：借助温度传感器（8）对加热负载（7）的温度数据进行采集，并将采集的数据输入到高分辨率转换器ADC（3）中进行数据转换，从而实现温度信号采集；

步骤2：经高分辨率转换器ADC（3）转换的温度数据输入到比较器A（10）中，借助数据设定器（12）对比较器A（10）设定相应的温度参数数据，将设定值与采集的温度值进行比较后进入高分辨率PID控制器（11）进行控制运算；

步骤3：借助真有效值负载电流测量器（4）和真有效值负载电压测量器（5）对加热负载（7）上的电流和电压信号进行采集并对其进行真有效值转换，将采集的真有效值电压和电流数据输入到乘法运算器（15）中进行功率计算，将反馈的功率与高分辨率PID控制器（11）处理的数据进行功率比较，在经高分辨率可控硅移相控制器（14）进行PI运算；

步骤4：根据高分辨率可控硅移相控制器（14）的演算结果向可控硅调压控制器（6）下发相应合理的控制指令，从而可以对加热负载（7）的加热功率进行调控；

步骤5：可控硅调压控制器（6）和温度传感器（8）的工作数据都会被记录到液晶显示器（9）中并直观的显示出来，从而便于工作人员对电网波动或温度导致电阻值变化影响加热功率进行探究。

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