CN113551440A - 一种箱体的温度控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种箱体的温度控制系统及其控制方法，控制系统包括温控腔体、风道、加热装置、蒸发器、风机和冷量产生装置。方法包括：步骤1：计算温度控制系统运行时的加热参数；步骤2：冷量产生装置6开启的情况下，当预设温度值T_PV低于环境温度5℃时，通过加热装置的通断调节温控腔体内的温度；步骤3：计算该状态下的系统参数P₂、I₂和D₂；步骤4：冷量产生装置6关闭的情况下，当预设温度值T_PV高于环境温度5℃时，通过加热装置的通断调节温控腔体内的温度；步骤5：计算该状态下的系统参数P₁、I₁和D₁。本发明的箱体的温度控制系统及控制方法，具有能够让本来就难以获得精确数学模型的高低温温度控制具有很好的适应性和较强的鲁棒性等优点。

Description

一种箱体的温度控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及温度控制的技术领域，特别是涉及一种箱体的温度控制系统及其控制方法。

背景技术

温度控制，是指通过以温度作为被控变量的开环或闭环控制系统，来实现温度高低的调节或者维持环境温度在恒定值左右。

在生物医疗领域内，温度控制应用范围非常广泛。由于生物医疗领域中，很多情况下需要将环境温度控制在一定的范围之内，甚至是很精确地范围之内，因此生物医疗领域中使用的温控设备对温度控制性能要求很高。在国内大多生产厂家未达到其使用性能要求，较多用户只能选择进口设备，而价格是高昂的。

常用PID(比例P、积分I和微分D)调节器/温控仪控制算法包括常规PID、模糊控制、神经网络、fuzzy-PID、神经网络PID、模糊神经网络、遗传PID及广义预测等算法。常规PID控制易于建立线性温度控制系统被控对象模型；模糊控制基于规则库，并以绝对或增量形式给出控制决策；神经网络控制采用数理模型模拟生物神经细胞结构，并用简单处理单元连接成复杂网络；puzzy-PID为线性控制，且结合模糊与PID控制优点。

因此，突破传统的PID控制瓶颈至关重要，传统PID控制方法对温度控制主要存在较多不足。目前，实验室中常常设置有同时具备高低温功能的腔体。这种腔体的温度控制系统，是具有时滞和非线性的复杂系统。对于这种具备高低温功能的腔体，采用常规的PID系统，是不能做到快速地动态响应、精确的温度控制的，很难满足实验室的温度控制的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种鲁棒性好、具有较强适应性的箱体的温度控制系统及控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案。

一种箱体的温度控制系统，其结构特点，包括温控腔体1、风道2、加热装置3、蒸发器4、风机5和冷量产生装置6；

所述温控腔体1上设置有风道2；所述风道2上设置有风机5；

所述温控腔体1的左侧壁和右侧壁上均设置有加热装置3；

所述所述温控腔体1的后侧壁上设置有蒸发器4；所述蒸发器与冷量产生装置6相连接。

所述加热装置为加热管或加热线。

所述冷量产生装置6为半导体制冷片或压缩机。

本发明还公开了一种上述箱体的温度控制系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤1：计算温度控制系统运行时的加热参数；

步骤2：冷量产生装置6开启的情况下，当预设温度值T_PV低于环境温度5℃时，冷量产生装置6处于常开状态，通过加热装置的通断调节温控腔体内的温度；

步骤3：根据步骤2的温度调节过程，计算该状态下的系统参数P₂、I₂和D₂；

步骤4：冷量产生装置6关闭的情况下，当预设温度值T_PV高于环境温度5℃时，冷量产生装置6处于常闭状态，通过加热装置的通断调节温控腔体内的温度；

步骤5：根据步骤4的温度调节过程，计算该状态下的系统参数P₁、I₁和D₁。

所述步骤1中，所述加热参数至少包括加热周期T0和加热时间t。

所述步骤2中，通过加热装置的通断调节温控腔体内的温度达到预设温度值T_PV时，冷量产生装置6继续维持常开状态，通过加热装置的通断进行加热，来维持温控腔体内的温度保持在预设温度值T_PV。

所述步骤4中，通过加热装置的通断调节温控腔体内的温度达到预设温度值T_PV时，冷量产生装置6继续维持常闭状态，通过加热装置的通断进行加热，来维持温控腔体内的温度保持在预设温度值T_PV。

本发明的有益效果是：

本发明公开了一种箱体的温度控制系统及控制方法，控制系统包括温控腔体、风道、加热装置、蒸发器、风机和冷量产生装置。

控制方法包括：步骤1：计算温度控制系统运行时的加热参数；步骤2：冷量产生装置6开启的情况下，当预设温度值T_PV低于环境温度5℃时，通过加热装置的通断调节温控腔体内的温度；步骤3：计算该状态下的系统参数P₂、I₂和D₂；步骤4：冷量产生装置6关闭的情况下，当预设温度值T_PV高于环境温度5℃时，通过加热装置的通断调节温控腔体内的温度；步骤5：计算该状态下的系统参数P1、I1和D1。该控制方法，可以让本来就难以获得精确数学模型的高低温温度控制，能够具有很好的适应性和较强的鲁棒性。

本发明的箱体的温度控制系统及控制方法，具有能够让本来就难以获得精确数学模型的高低温温度控制具有很好的适应性和较强的鲁棒性等优点。

附图说明

图1是本发明箱体的温度控制系统的示意图。

图2是本发明箱体的温度控制系统的控制方法的温度控制曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1-2，本发明的一种箱体的温度控制系统，包括温控腔体1、风道2、加热装置3、蒸发器4、风机5和冷量产生装置6；

所述温控腔体1上设置有风道2；所述风道2上设置有风机5；

所述温控腔体1的左侧壁和右侧壁上均设置有加热装置3；

所述所述温控腔体1的后侧壁上设置有蒸发器4；所述蒸发器与冷量产生装置6相连接。

所述加热装置为加热管或加热线。

所述冷量产生装置6为半导体制冷片或压缩机。

如图1，箱体的温度控制系统，箱体内部为进行热量交换和恒温的温控腔体1，箱体上包括有风循环的风道2、补充热量的加热管或加热线、减少热量增加冷量的蒸发器4、强制内腔体风循环的风机5、做功产生冷量的半导体制冷片或压缩机。通过制冷时的PID调节和加热时的PID调节，温控PID控制器通过模糊自适应调节比例、积分、微分控制参数，计算和输出相应开关信号，控制加热器件和制冷装置，达到高低温的平稳控制。具有较好的鲁棒性和较理想的温控效果。通过本发明的控制系统及其方法，通过实验证明，能够在不同的高低温箱体上实现稳定和较准确的温度控制。

一种上述箱体的温度控制系统的控制方法，其包括如下步骤：

步骤1：计算温度控制系统运行时的加热参数；

步骤2：冷量产生装置6开启的情况下，当预设温度值T_PV低于环境温度5℃时，冷量产生装置6处于常开状态，通过加热装置的通断调节温控腔体内的温度；

步骤3：根据步骤2的温度调节过程，计算该状态下的系统参数P₂、I₂和D₂；

在步骤2-3的情况下，PID值获取步骤如下。

1)将加热装置3、蒸发器4、风机5和冷量产生装置6等装置置于温控腔体1中，开启冷量产生装置6，关闭加热装置3，计时器清零并开始计时；

2)当温控腔体1内温度比环境温度低15℃时，记录此时腔体温度T₀和时间t₀并开启加热装置3；

3)加热一段时间后腔体内温度升高，当腔体内的实时温度比T₀高1℃时，记录此时温度T₁和时间t₁并关闭加热管；

4)在腔体受余热影响，温度上升到最高后下降1℃时，记录此时箱体温度温度T₂和时间t₂并开启加热管；

5)当腔体内温度比T₂高1℃时，记录此时时间t₃并关闭加热管；

6)当腔体内温度比T₂低时，记录此时环境温度T₃，箱体温度T₄和时间t₄并开启加热管；

7)当腔体内温度比T₄高1℃并且高于环境温度时，记录此时温度T₅和时间t₅并关闭加热管；

8)在腔体受余热影响，温度上升到最高后下降1℃时，记录此时箱体温度T₆和时间t₆并开启加热管；

9)当腔体内温度比T₆高1℃时，记录此时时间t₇并关闭加热管；

10)当箱体内温度比T₆低时，记录此时环境温度T₇，箱体温度T₈和时间t₈。

在这种冷量产生装置6开启的情况下，PID参数的模糊计算式包括如下公式(2)～(9)。

P₂＝T0/(6*T0+T₂-T₁) (2)

D₂＝T0*(t₁-t₀)*(T0+T₂-T₁)/(t₂-t₀) (4)

KK₂＝T₃-T₄ (5)

I₃＝[T0*(t₇-t₆)/(t₈-t₆)-P₂]/13 (6)

D₃＝T0*(t₅-t₄)*(50+T₆-T₄)/(t₆-t₄) (7)

KI₂＝1000*(I₃-I₂)/(KK₂+T₈-T₇) (8)

KD₂＝1000*(D₂-D₃)/(KK₂+T₈-T₇) (9)

通过以上(2)～(9)计算所得到的参数P₂、I₂、D₂、KK₂、KI₂和KD₂存入存储器。

本发明中，P₁、I₁、D₁、P₂、I₂、D₂、P₃、I₃、D₃等参数，是计算过程中便于计算和标记而产生的参数。如，I₃是由以P₂和不同时间算出的值。这些参数，在计算过程中是自动往下进行判断和计算，根据条件再回到起点进行循环计算。不同下标1、2、3，在计算过程中的时间顺次不一样，条件有所变化，所以PID往下进行调整，下标1，2，3，。。。就是往下进行调整的数值。这些参数用于下面的各个算式取值计算，如式10。

第一种情况下，当预设温度值T_PV不超过环境温度时，取ΔT为环境温度与预设温度值T_PV之差。则PID参数的取值方式如下式(10)。

P＝P₂/3

I＝(I₂+KI₂*(KK₂-ΔT)/1000)/3

D＝D₂+KD₂*(KK₂-ΔT)/1000 (10)

第二种情况下，当预设温度值T_PV超过环境温度时，则PID参数的取值方式如下式(11)。

P＝P₂/3

I＝(I₂+KI₂*KK₂/1000))/3

D＝D₂+KD₂*KK₂/1000 (11)

步骤4：冷量产生装置6关闭的情况下，当预设温度值T_PV高于环境温度5℃时，冷量产生装置6处于常闭状态，通过加热装置的通断调节温控腔体内的温度；

步骤5：根据步骤4的温度调节过程，计算该状态下的系统参数P₁、I₁和D₁。

在步骤4-5的情况下，PID值获取步骤如下。

1)将加热装置3、蒸发器4、风机5和冷量产生装置6等装置置于温控腔体1中，，开启冷量产生装置6分钟后，关闭冷量产生装置6，计时器清零，180s后，开启加热装置；

2)当腔体内温度比环境温度高时，记录此时温度T₀₀和时间t₀₀；

3)当腔体内温度比T₀₀高1℃时，记录此时温度T₁₁和时间t₁₁，并关闭加热管；

4)在腔体受余热影响，温度上升到最高后下降1℃时，记录此时腔体温度T₂₂和时间t₂₂，并开启加热管；

5)当腔体内温度比T₂₂高1℃时，记录此时时间t₃₃，并关闭加热管；

6)当腔体内温度比T₂₂低时，记录此时环境温度T₃₃，腔体温度T₄₄和时间t₄₄，并开启加热管；

7)当腔体内温度高于最高极限温度时，记录此时温度T₅₅和时间t₅₅，并关闭加热管；

8)在腔体受余热影响，温度上升到最高后下降1℃时，记录此时腔体温度T₆₆和时间t₆₆，并开启加热管；

9)当腔体内温度比T₆₆高1℃时，记录此时时间t₇₇，并关闭加热管；

10)当腔体内温度比T₆₆低时，记录此时环境温度T₇₇，腔体温度T₈₈和时间t₈₈。

在这种冷量产生装置6关闭的情况下，PID参数的模糊计算式包括如下公式(12)～(19)。

P₁＝60000/(300+T₂₂-T₁₁) (12)

I₁＝[6000*(t₃₃-t₂₂)/(t₄₄-t₂₂)-P₁₁]/15 (13)

D₁＝50*(t₁₁-t₀)*(100+T₂₂-T₁₁)/(t₂₂-t₀₀) (14)

KK₁＝T₄₄-T₃₃ (15)

I₃＝[6000*(t₇₇-t₆₆)/(t₈₈-t₆₆)-P₁₁]/20 (16)

D₃＝50*(t₅₅-t₄₄)*(100+T₆₆+10-T₄₄)/(t₆₆-t₄₄) (17)

KI₁＝100*(I₃₃-I₁₁)/(T₈₈-T₇₇-KK₁₁) (18)

KD₁＝100*(D₃₃-D₁₁)/(T₈₈-T₇₇-KK₁₁) (19)

通过以上公式(12)～(19)计算所得到的参数P₁、I₁、D₁、KK₁、KI₁和KD₁存入存储器。公式(12)～(19)中，下表11、33等和之前的公式情况类似，下标仅仅表示该参数在计算过程中的时间顺次不一样，条件有所变化，所以PID往下进行调整，下标1，2，3....就是往下进行调整的数值，是计算过程中的参数，其目的是为了最终计算该情况下的3个参数P、I、D，不同下标是便于计算过程对参数进行区别。

PID参数的取值方式如下式(20)。

P＝P₁

I＝I₁

D＝D₁ (20)

所述步骤1中，所述加热参数至少包括加热周期T0和加热时间t。

所述步骤2中，通过加热装置的通断调节温控腔体内的温度达到预设温度值T_PV时，冷量产生装置6继续维持常开状态，通过加热装置的通断进行加热，来维持温控腔体内的温度保持在预设温度值T_PV。

所述步骤4中，通过加热装置的通断调节温控腔体内的温度达到预设温度值T_PV时，冷量产生装置6继续维持常闭状态，通过加热装置的通断进行加热，来维持温控腔体内的温度保持在预设温度值T_PV。

本发明的温度控制系统运行时加热时间计算，采用位置式PID控制方法时，需要确定以下两个参数加热周期T0和加热时间t。不管压缩机启停状态，都是通过控制加热装置来控制温度。加热周期T0：为每次加热装置导通与闭合的时间之和。在一个具体实施例中，将加热周期T0模糊定为为5000ms。加热时间t：每个加热周期内加热装置导通时间，单位为毫秒ms。为计算加热时间前设置值与实际值之差，精度取为0.1℃。加热时间t可通过下式(1)计算得到。

t＝(P*ΔT₁+I*(ΔT₁+ΔT₂+ΔT₃+ΔT₄+ΔT₅)+D*(ΔT₁-ΔT₂))/8 (1)

上述公式(1)中，P为比例参数，I为积分参数，D为微分参数。由于时间顺次不一样，条件有所变化，所以PID的标记需要下标往下排序进行调整和标识，下标1，2，3......就是往下进行调整的数值，以示区别。以上p取p1，I取I1，D取D1，往下依次累计计算，每个连续时间段内的加热导通时间不一样，如每200ms的相隔时间，其不同的温度差ΔT₁，ΔT₂等，然后算总的加热时间t。

本发明公开了一种箱体的温度控制方法，按以上方法通过自适应调节比例、积分、微分控制参数，计算和输出相应开关信号，控制加热器件和制冷装置，各参数的自动调节，提高了高低温控制的稳定性和精确度，达到高低温的平稳控制。具有较好的鲁棒性和较理想的温控效果。

本发明的控制系统包括温控腔体、风道、加热装置、蒸发器、风机和冷量产生装置。

控制方法包括：步骤1：计算温度控制系统运行时的加热参数；步骤2：冷量产生装置6开启的情况下，当预设温度值TPV低于环境温度5℃时，通过加热装置的通断调节温控腔体内的温度；步骤3：计算该状态下的系统参数P2、I2和D2；步骤4：冷量产生装置6关闭的情况下，当预设温度值TPV高于环境温度5℃时，通过加热装置的通断调节温控腔体内的温度；步骤5：计算该状态下的系统参数P1、I1和D1。

附图2说明，环境温度变化对本发明的控制结果基本上是无影响的，控制方法的加热和制冷工作时都非常平稳。该控制方法，可以让本来就难以获得精确数学模型的高低温温度控制，能够具有很好的适应性和较强的鲁棒性。

本发明的箱体的温度控制系统及控制方法，具有能够让本来就难以获得精确数学模型的高低温温度控制具有很好的适应性和较强的鲁棒性等优点。

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。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种箱体的温度控制系统，其特征在于，包括温控腔体(1)、风道(2)、加热装置(3)、蒸发器(4)、风机(5)和冷量产生装置(6)；

所述温控腔体(1)上设置有风道(2)；所述风道(2)上设置有风机(5)；

所述温控腔体(1)的侧壁上设置有加热装置(3)；

所述所述温控腔体(1)的后侧壁上设置有蒸发器(4)；所述蒸发器与冷量产生装置(6)相连接。

2.根据权利要求1所述的箱体的温度控制系统，其特征在于，所述加热装置(3)为加热管或加热线。

3.根据权利要求1所述的箱体的温度控制系统，其特征在于，所述冷量产生装置(6)为半导体制冷片或压缩机。

4.一种根据权利要求1-3之一的箱体的温度控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：计算温度控制系统运行时的加热参数；

步骤2：冷量产生装置(6)开启的情况下，当预设温度值T_PV低于环境温度5℃时，冷量产生装置(6)处于常开状态，通过加热装置(3)的通断调节温控腔体内的温度；

步骤3：根据步骤2的温度调节过程，计算该状态下的系统参数P₂、I₂和D₂；

步骤4：冷量产生装置(6)关闭的情况下，当预设温度值T_PV高于环境温度5℃时，冷量产生装置(6)处于常闭状态，通过加热装置(3)的通断调节温控腔体内的温度；

步骤5：根据步骤4的温度调节过程，计算该状态下的系统参数P₁、I₁和D₁。

5.根据权利要求4所述的箱体的温度控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤1中，所述加热参数至少包括加热周期T0。

6.根据权利要求4所述的箱体的温度控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤1中，所述加热参数至少包括加热时间t。

7.根据权利要求4所述的箱体的温度控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤2中，通过加热装置(3)的通断调节温控腔体内的温度达到预设温度值T_PV时，冷量产生装置(6)继续维持常开状态，通过加热装置(3)的通断进行加热，来维持温控腔体内的温度保持在预设温度值T_PV。

8.根据权利要求4所述的箱体的温度控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤4中，通过加热装置(3)的通断调节温控腔体内的温度达到预设温度值T_PV时，冷量产生装置(6)继续维持常闭状态，通过加热装置(3)的通断进行加热，来维持温控腔体内的温度保持在预设温度值T_PV。

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