CN113359907B - 一种快速响应的主动控温方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速响应的主动控温方法，以负反馈调节为基础，基于PID控制方法，具体包括以下步骤：预先设定被控温度值，获取被控对象当前时刻的温度测量值，并根据样品腔的热阻计算PID控制的比例系数范围，进行初步的主动比例控温调节；根据相应的比例系数范围，进而计算确定积分系数以及微分系数，完成快速主动控温。本发明的PID控制方法，根据样品腔的温度波动动态特性，采用控制系数的预计算，一方面可以使系统快速响应，达到所需温度；另一方面，使加热功率在较小的范围内波动，防止过冲，减少了因为大惯性所造成的温度误差，提高了控温的精确性。

Description

一种快速响应的主动控温方法

技术领域

本发明涉及主动控温方法，具体涉及一种快速响应的主动控温方法。

背景技术

随着科学技术的发展，各个研究领域对温度环境的稳定性要求越来越高，温度精准控制技术越来越成熟，但其很大程度上是静态的领域。对于某些应用，具有时序，精度约束以及明确且稳定的动态系统行为，使用标准的PID控制器就足够了。但是，精密工业温度控制不属于这些标准应用。例如，注模工艺需要快速更换，即以最小的过冲来重新调节受控温度。另外，加热过程没有表现出稳定的动态行为，因为加热和冷却速率在每个温度设定点都不同。另外，多区域加热系统的区域之间的耦合使得动态行为非常不可预测。因此，不仅需要精确的温度控制，还需要更快的预热阶段和对干扰的更快响应，并且在设定值发生变化时具有最小的过冲和下冲。

目前对温度的控制很多情况下是通过手动方式完成，控制过程中，操作员根据温度偏差，波动特性，由经验判断控制量的大小和操作时间。虽然手动控制可以得到较好的控制效果，但是可能持续时间较长，且对于无经验操作时可能会出现超调量过大，调节时间过长，甚至会因为与工艺过程中的温度控制精度相差太大，而无法使用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的对温度对象进行控制时存在的超调量大、调节时间长的问题，本发明提供了一种快速响应的主动控温方法，能够根据样品腔的温度波动动态特性，采用控制系数的预计算，对温度对象实现超调量小、调节时间短的PID控制。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案包括以下步骤：

(1)预设被控温度值，并监测被控对象的实时温度值；

(2)获取被控对象的温度动态传递模型；

(3)根据被控对象的温度动态传递模型，以及热阻、实时温度以及设定温度的实时反馈，计算PID控制的比例系数范围，进行对应加热功率的加载，完成比例控温调节；

(4)根据相应的比例系数范围，计算确定积分系数以及微分系数，完成PID快速主动控温。

进一步地，所述被控对象的温度动态传递模型包括：

e(t)＝T_real(t)-T_set

其中，q(t)为加载的加热功率，T_real(t)为被控对象的实时温度，T_set是目标温度，即设定温度，e(t)为输入偏差，K_P、K_I和K_D分别为比例系数、积分系数和微分系数，T为调节周期，T_I和T_D分别为积分时间常数和微分时间常数。

进一步地，所述比例系数K_P、积分系数K_I和微分系数K_D的范围分别由下式确定：

K_I＝βK_P

K_D＝γK_P

其中，∑R为热阻，α、β和γ分别为修正系数。

进一步地，所述修正系数中：α＝0.08～0.5，β＝0.01～0.05，γ＝0～0.01。

进一步地，所述被控对象包括样品腔，样品腔设置有加热设备，样品腔还设置有能够实时监测样品腔的温度变化的温度计，所述热阻包括从温度波动源头到样品腔的系统的总热阻之和，加热设备与系统之间的热阻，以及系统与环境之间的热阻。

进一步地，所述加热设备与系统之间的热阻若趋于零，则只有比例和积分调节即可，即γ＝0。

进一步地，所述热阻通过加载不同加热功率，得到对应的温度值，并通过测量被测对象的实时温度，进而通过下式得到热阻：

其中，Δq为两次加载不同热流功率之差，ΔT为不同加载功率下所对应的被测对象温度之差。

进一步地，所述热阻通过获得相应的热流功率-温度曲线图，再通过计算斜率得到对应的热阻。

与现有技术相比，本发明通过预先设定被控温度值，获取被控对象当前时刻的温度测量值，并根据样品腔的热阻计算PID控制的比例系数范围，调节样品腔上的加热设备热流，进行初步的主动比例控温调节；根据相应的比例系数范围，进而计算确定积分系数以及微分系数，完成快速主动控温，本发明基于负反馈调节理念，根据样品腔的温度波动动态特性，采用控制系数的预计算，一方面可以使系统快速响应，达到所需温度；另一方面，使加热功率在较小的范围内波动，防止过冲，减少了因为大惯性所造成的温度误差，提高了控温的精确性，有效的抑制样品腔的温度波动。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明实施例的被测对象系统的结构示意图；

图3是本发明实施例的被测对象的总热阻确定图；

图4a是本发明实施例的被测对象采用不同比例系数的温度波动调控图；

图4b是本发明实施例的被测对象采用不同积分系数的温度波动调控图；

其中，1-制冷机冷头，2-热连接，3-样品腔，4-加热设备。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例对本发明作进一步地解释说明，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明提供了一种快速响应的主动控温方法，以负反馈调节为基础，基于PID控制方法，适用于各种需要精确温度控制的场合，例如：如图2所示的基于冷头-样品腔结构的低温系统，该系统包括制冷机冷头1，制冷机冷头1通过热连接2将冷量传递给样品腔3，使样品腔达到低温，与此同时制冷机冷头1上固有的温度波动也通过热连接2传递至样品腔3，造成低温系统内部温度稳定性较差，加热设备4耦合在样品腔上，并通过温度计实时监测样品腔的温度变化。

下面以低温系统的PID快速主动控温为例对本发明进行详细说明。

参见图1，本发明具体包括以下步骤：

(1)预先设定样品腔3的被控温度，即设定温度，监测被控对象当前时刻的温度测量值，即利用温度计监测实时温度；

(2)获取被控对象的温度动态传递模型；

(3)根据被控对象的热阻、实时温度以及设定温度的实时反馈，计算PID控制的比例系数范围，进行样品腔3上加热设备4对应加热功率的加载，完成比例控温调节；

(4)根据相应的比例系数范围，计算确定积分系数以及微分系数，完成PID快速主动控温。

被控对象的温度动态传递模型是一个二阶系统，模型包括加载在加热设备4上的加热功率，如下式(1)～(3)所示：

e(t)＝T_real(t)-T_set (4)

其中，q(t)为加热设备4上加载的加热功率，T_real(t)为被控对象实时温度，T_set是目标温度，即设定温度，e(t)为输入偏差，K_P、K_I和K_D分别为比例系数、积分系数和微分系数，T为调节周期，T_I和T_D分别为积分时间常数和微分时间常数。

PID控制的各项系数范围，即比例系数K_P、积分系数K_I和微分系数K_D的范围，由式(5)～(7)确定：

K_I＝βK_P (6)

K_D＝γK_P (7)

其中∑R为从温度波动源头到样品腔3的系统的总热阻之和，加热设备4与系统之间的热阻，以及系统与环境之间的热阻。α、β和γ分别为修正系数，α＝0.08-0.5，β＝0.01-0.05，γ＝0-0.01。其中，如果加热设备4和系统之间的热阻很小，即趋于零，则只有比例和积分调节即可满足要求，即γ＝0。

由于实验中很难确定总热阻的具体值，故可以通过加载不同加热功率，得到对应的温度值，并通过测量被测对象的实时温度，进而得到总热阻，如下式(8)所示：

其中，Δq为两次加载不同热流功率之差，ΔT为不同加载功率下所对应的被测对象温度之差。另外，总热阻的获得也可通过相应的热流功率-温度曲线图，通过斜率得到其对应的总热阻。

本发明实施例中通过加载不同加热功率，得到对应的温度值，并通过测量被测对象的实时温度，得到加热功率-温度曲线，如图3所示，通过对曲线拟合，可得到其拟合公式如式(9)：

如图4a所示，被测对象采用不同比例系数的温度波动调控图对温度波动进行补偿控制，进而抑制温度波动，由图4a可知，随着比例系数的增加，响应越快，但是超调值也在增加，温度的波动峰峰值先增加后减小。当比例系数如式(10)进行范围确定，其中α＝0.08～0.5，即K_p＝125～750，温度波动得到了很好的抑制，且可以快速响应，超调值在1mK～100mK之间，波动峰峰值为0.05mK～0.6mK，相较之前无控制其温度波动减小了一个量级。因此，可根据不同需求，调节不同的参数范围。

同理，被测对象采用不同积分系数的温度调控图如图4b所示，α＝0.08，积分系数越大，超调值越大，且响应越慢，但积分调节的存在，可使得温度值更接近设定值，当积分系数如式(11)进行确定，被测对象的温度与设定值之间的偏差在3mK以内。因此，可选择合适范围内的积分系数，使得在快速响应以及不改变温度稳定性的基础上，得到的温度曲线更接近于设定值。此外，对于该实施例，其对应的加热设备和系统之间的热阻较小，因此，此实施例不需要微分控制即可达到要求。

K_I＝βK_P (11)

本发明其以负反馈调节为基础，基于PID控制方法，预先设定被控温度值，获取被控对象当前时刻的温度测量值，并根据样品腔的热阻计算PID控制的比例系数范围，进行初步的主动比例控温调节；根据相应的比例系数范围，进而计算确定积分系数以及微分系数，完成快速主动控温。本发明的PID控制方法，根据样品腔的温度波动动态特性，采用控制系数的预计算，一方面可以使系统快速响应，达到所需温度；另一方面，使加热功率在较小的范围内波动，防止过冲，减少了因为大惯性所造成的温度误差，提高了控温的精确性，实现了对温度对象进行精确、超调量小、调节时间短的PID控制，适用于各种需要精确温度控制的场合。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种快速响应的主动控温方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)预设被控温度值，并监测被控对象的实时温度值；

(2)获取被控对象的温度动态传递模型；所述被控对象的温度动态传递模型包括：

e(t)＝T_real(t)-T_set

其中，q(t)为加载的加热功率，T_real(t)为被控对象的实时温度，T_set是目标温度，即设定温度，e(t)为输入偏差，K_P、K_I和K_D分别为比例系数、积分系数和微分系数，T为调节周期，T_I和T_D分别为积分时间常数和微分时间常数；

(3)根据被控对象的温度动态传递模型，以及热阻、实时温度以及设定温度的实时反馈，计算PID控制的比例系数范围，进行对应加热功率的加载，完成比例控温调节；

(4)根据相应的比例系数范围，计算确定积分系数以及微分系数，完成PID快速主动控温；

所述比例系数K_P、积分系数K_I和微分系数K_D的范围分别由下式确定：

K_I＝βK_P

K_D＝γK_P

其中，∑R为热阻，α、β和γ分别为修正系数；所述热阻通过加载不同加热功率，得到对应的温度值，并通过测量被测对象的实时温度，进而通过下式得到热阻：

其中，Δq为两次加载不同热流功率之差，ΔT为不同加载功率下所对应的被测对象温度之差；或者所述热阻通过获得相应的热流功率-温度曲线图，再通过计算斜率得到对应的热阻。

2.根据权利要求1所述的一种快速响应的主动控温方法，其特征在于，所述修正系数中：α＝0.08～0.5，β＝0.01～0.05，γ＝0～0.01。

3.根据权利要求2所述的一种快速响应的主动控温方法，其特征在于，所述被控对象包括样品腔，样品腔设置有加热设备，样品腔还设置有能够实时监测样品腔的温度变化的温度计，所述热阻包括从温度波动源头到样品腔的系统的总热阻之和，加热设备与系统之间的热阻，以及系统与环境之间的热阻。

4.根据权利要求3所述的一种快速响应的主动控温方法，其特征在于，所述加热设备与系统之间的热阻若趋于零，则只有比例和积分调节即可，即γ＝0。

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