CN114020071B - 恒温系统及恒温控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种恒温系统及恒温控制方法，该恒温系统包括：恒温装置、温度控制电路、温度检测电路和主控制器；恒温装置至少包括恒温腔体和TEC；恒温装置、温度控制电路、温度检测电路和主控制器之间对应连接；温度检测电路将测量到的温度值输入至主控制器；主控制器将温度值转换为PWM信号输入至温度控制电路；温度控制电路将PWM信号转换为电流信号，使TEC基于电流信号控制恒温腔体的温度处于目标温度值。在本方案中，将恒温腔体的内部温度和TEC的下表面温度作为控制目标，并对检测到的温度值进行处理，从而控制恒温腔体的内部温度和TEC的下表面温度处于目标温度值，实现高精度的恒温控制。
Description
技术领域
本发明涉及电子设备的温度控制技术领域，尤其涉及一种恒温系统及恒温控制方法。
背景技术
温度作为工业生产的重要参数，其检测和控制的精度直接影响电子设备等产品的性能。
在现有技术中，恒温装置的结构一般由恒温室、冷源和热源三部分组成。恒温室均为由低导热系数保温材料构建的密封空间，用于隔绝外界环境影响，只是尺寸不尽相同。冷源和热源为恒温室提供冷量和热量，用于调整恒温装置内温度。恒温装置的实现方式有基于恒温液体控制的方式和基于TEC控制的方式。其中，基于恒温液体控制的恒温装置一般会在侧壁等处设置液体通路，恒温液体与装置内部腔体进行换热，但是需要对液体的温度进行控制，系统复杂，体积较大，不利于恒温控制；基于TEC(Thermo Electric Cooler，半导体制冷器)控制的恒温装置是通过控制TEC对恒温装置的腔体进行加热或制冷，但是，受TEC和恒温腔体间的热容影响，对基于TEC进行温度控制会存在一定程度的波动，影响恒温精度。
综上所述，现有的恒温装置不能实现稳定的温度控制。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种恒温系统及恒温控制方法，以实现高精度的恒温控制的目的。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
本发明实施例第一方面公开了一种恒温系统，包括：恒温装置、温度控制电路、温度检测电路和主控制器；
所述恒温装置至少包括恒温腔体和半导体制冷器TEC，所述恒温装置上设置有恒温腔体测温点、TEC测温点和环境测温点，所述恒温腔体用于放置温度标准段；其中，所述TEC测温点至少包括位于TEC与恒温腔体的接触面上的测温点，用于测量TEC的下表面温度；
所述温度检测电路的输出端与所述主控制器的输入端连接，所述温度检测电路将基于所述恒温腔体测温点、所述TEC测温点和所述环境测温点测量到的温度值输入至所述主控制器；
所述主控制器的输出端与所述温度控制电路的输入端连接，所述主控制器将所述温度值转换为脉冲宽度调制PWM信号，并将所述PWM信号输入至所述温度控制电路；
所述温度控制电路的输出端与所述TEC连接，所述温度控制电路将所述PWM信号转换为电流信号，使所述TEC基于所述电流信号控制所述恒温腔体的内部温度处于目标温度值。
可选的，所述主控制器包括串联的MPC控制器和比例-积分-微分PID控制器；
所述MPC控制器的输入端与所述温度检测电路的第一输出端连接，所述MPC控制器的输出端与所述PID控制器的第一输入端连接，所述MPC控制器接收所述温度检测电路测量的所述恒温腔体的内部温度，利用所述恒温腔体的预设温度目标值与所述内部温度进行计算，得到TEC的下表面目标温度值，并发送给所述PID控制器；
所述PID控制器的第二输入端与所述温度检测电路的第二输出端连接，所述PID控制器的输出端与所述温度控制电路的输入端连接，所述PID控制器接收所述TEC的下表面目标温度值和所述TEC的下表面温度，利用所述TEC的下表面目标温度值与所述TEC的下表面温度进行计算，得到所述PWM信号，并发送给所述温度控制电路。
可选的，所述MPC控制器包括温度预测模型、在线校正电路、第一乘法器和滚动优化模块；
所述在线校正电路的第一输入端与所述温度检测电路的第一输出端连接，所述在线校正电路的输出端与所述第一乘法器的输入端连接，所述在线校正电路接收所述温度检测电路测量的所述恒温腔体的内部温度，利用所述内部温度对恒温腔体的内部温度预测值进行校正，得到校正后的内部温度预测值，并发送给所述第一乘法器；
所述第一乘法器的输出端与所述滚动优化模块的输入端连接，所述第一乘法器利用接收到的所述校正后的内部温度预测值与所述恒温腔体的预设温度目标值进行计算，得到优化目标函数，并发送给所述滚动优化模块；
所述滚动优化模块的第一输出端与所述温度预测模型的输入端连接，所述滚动优化模块的第二输出端与所述PID控制器连接，所述滚动优化模块利用接收到的所述优化目标函数进行滚动优化，将得到的TEC下表面温度序列发送给所述温度预测模型，将得到的TEC的下表面目标温度值发送给所述PID控制器；
所述温度预测模型的输出端与所述在线校正电路的第二输入端连接，所述温度预测模型利用接收到的所述TEC下表面温度序列和所述恒温腔体的内部温度进行预测，得到所述恒温腔体的内部温度预测值，并发送给所述在线校正电路；
其中，所述温度预测模型基于对恒温腔体的热平衡模型
进行离散化得到；
其中，mc为恒温腔体的质量，cc为恒温腔体的比热容，T1(t)为所述TEC下表面温度，T2(t)为所述恒温腔体的内部温度，T3(t)为外部环境温度，Rct为恒温腔体和外部空气之间的等效热阻，Rce为TEC下表面和恒温腔体之间的等效热阻，q是恒温对象的产热功率。
可选的，所述PID控制器包括第二乘法器和第一PID控制器；
所述第二乘法器的第一输入端与所述温度检测电路的第二输出端连接，所述第二乘法器的第二输入端与所述滚动优化模块的第二输出端连接，所述第二乘法器的输出端与所述第一PID控制器的输入端连接，所述第二乘法器接收所述TEC的下表面温度和所述TEC的下表面目标温度值，利用所述TEC的下表面目标温度值与所述TEC的下表面温度进行计算，得到数值，并发送给所述第一PID控制器；
所述第一PID控制器的输出端与所述温度控制电路的输入端连接，所述PID控制器利用接收到的所述数值转换得到所述PWM信号，并发送给所述温度控制电路；
其中，所述第一PID的控制器的参数根据利用外部环境温度T3(t)划分的温度段确定，每一温度段对应唯一的所述第一PID的控制器的参数。
可选的，所述恒温装置还包括：散热系统、隔热层和外壳；
所述TEC的输入端与所述温度控制电路的输出端连接，所述TEC的下表面焊接于所述恒温腔体的顶部，所述TEC接收所述温度控制电路输出的电流信号，基于所述电流信号控制所述TEC的下表面的温度，使所述恒温腔体的内部温度处于目标温度值；
所述恒温腔体上的恒温腔体测温点与所述温度检测电路的检测端连接，保持所述恒温腔体的内部温度处于目标温度值；
所述TEC和所述恒温腔体的外侧由所述隔热层包裹；
所述隔热层的外侧由所述外壳包裹；
所述散热系统包括风扇和散热片，所述散热片设置在所述外壳的顶部，所述散热片的底部焊接于所述TEC的上表面，所述风扇设置于所述散热片的顶部，对所述TEC进行散热。
可选的，所述温度控制电路包括串联的buck斩波电路和H桥电路；
所述buck斩波电路的输入端与所述PID控制器的输出端连接，所述buck斩波电路的输出端与所述H桥电路的输入端连接，所述buck斩波电路接收所述PID控制器输出的PWM信号，将所述PWM信号转换为所述电流信号，并输入至所述H桥电路；
所述H桥电路的两个输出端分别与所述TEC的输入端连接，所述H桥电路根据所述电流信号的流向切换所述两个输出端，使所述电流信号由导通的输出端输出至所述TEC。
可选的，所述温度检测电路包括铂电阻和恒流源驱动电路；
所述铂电阻与所述恒流源驱动电路连接，所述铂电阻作为热敏电阻测量所述恒温腔体测温点、所述TEC测温点和所述环境测温点的温度，得到随温度变化的电阻信号，并输入至所述恒流源驱动电路；
所述恒流源驱动电路接收所述铂电阻输出的所述电阻信号，向所述电阻信号提供恒定的电流，基于所述电流和所述电阻信号得到所述电压信号，并输入至所述主控制器。
本发明实施例第二方面公开了一种恒温控制方法，适用于本发明实施例第一方面中任一项所述的恒温系统，所述恒温控制方法包括：
主控制器接收温度检测电路检测到的温度值，所述温度值包括所述温度检测电路在恒温腔体测温点、半导体制冷器TEC测温点和环境测温点测量到的温度；其中，所述TEC测温点至少包括位于TEC与恒温腔体的接触面上的测温点，用于测量TEC的下表面温度；
所述主控制器将所述温度值转换为脉冲宽度调制PWM信号，并将所述PWM信号输入至温度控制电路，使所述温度控制电路将所述PWM信号转换为电流信号，并使TEC基于所述电流信号控制恒温腔体的内部温度处于目标温度值。
可选的，所述主控制器包括温度预测模型、在线校正电路、第一乘法器、滚动优化模块、第二乘法器和第一PID控制器，所述主控制器接收温度检测电路检测到的温度值，包括：
所述在线校正电路接收温度检测电路测量的所述恒温腔体的内部温度，以及所述第二乘法器接收所述温度检测电路测量的TEC的下表面温度；
相应的，所述主控制器将所述温度值转换为脉冲宽度调制PWM信号，并将所述PWM信号输入至温度控制电路，包括：
所述在线校正电路利用所述内部温度对恒温腔体的内部温度预测值进行校正，得到校正后的内部温度预测值，并发送给所述第一乘法器；
所述第一乘法器利用接收到的所述校正后的内部温度预测值与所述恒温腔体的预设温度目标值进行计算，得到优化目标函数，并发送给所述滚动优化模块；
所述滚动优化模块利用接收到的所述优化目标函数进行滚动优化，将得到的TEC下表面温度序列发送给所述温度预测模型，将得到的TEC的下表面目标温度值发送给所述第二乘法器；
所述温度预测模型利用接收到的所述TEC下表面温度序列和所述恒温腔体的内部温度进行预测，得到所述恒温腔体的内部温度预测值，并发送给所述在线校正电路；
所述第二乘法器利用接收到的所述TEC的下表面目标温度值和所述TEC的下表面温度进行计算，得到数值，并发送给所述第一PID控制器；
所述第一PID控制器利用接收到的所述数值转换得到所述PWM信号，并发送给温度控制电路；
其中，所述第一PID的控制器的参数根据利用外部环境温度划分的温度段确定，每一温度段对应唯一的所述第一PID的控制器的参数。
可选的，所述滚动优化模块利用接收到的所述优化目标函数进行滚动优化，将得到的TEC下表面温度序列发送给所述温度预测模型，包括：
所述滚动优化模块利用接收到的优化目标函数和初始温度序列确定当前下表面温度序列下的梯度，所述初始温度序列由所述恒温腔体的内部温度预测值确定；
所述滚动优化模块根据所述梯度计算梯度下降距离，并将所述梯度下降距离中的每个参数的绝对值与截止参数进行比较，若均小于截止参数，则将所述当前下表面温度序列发送给所述温度预测模型；否则，将所述当前下表面温度序列减少所述梯度下降距离之后，循环执行计算梯度、梯度下降距离，以及与截止参数进行比较的过程。
基于上述本发明实施例提供的一种恒温系统及恒温控制方法，所述恒温系统包括：恒温装置、温度控制电路、温度检测电路和主控制器；所述恒温装置至少包括恒温腔体和半导体制冷器TEC，所述恒温装置上设置有恒温腔体测温点、TEC测温点和环境测温点，所述恒温腔体用于放置温度标准段；其中，所述TEC测温点至少包括位于TEC与恒温腔体的接触面上的测温点，用于测量TEC的下表面温度；所述温度检测电路的输出端与所述主控制器的输入端连接，所述温度检测电路将基于所述恒温腔体测温点、所述TEC测温点和所述环境测温点测量到的温度值输入至所述主控制器；所述主控制器的输出端与所述温度控制电路的输入端连接，所述主控制器将所述温度值转换为脉冲宽度调制PWM信号，并将所述PWM信号输入至所述温度控制电路；所述温度控制电路的输出端与所述TEC连接，所述温度控制电路将所述PWM信号转换为电流信号，使所述TEC基于所述电流信号控制所述恒温腔体的内部温度处于目标温度值。在本方案中，通过将恒温装置、温度控制电路、温度检测电路和主控制器对应连接在一起，将恒温腔体的内部温度和TEC的下表面温度作为控制目标，温度检测电路将测量到的温度值输入至主控制器，主控制器将温度值转换为PWM信号输入至温度控制电路，温度控制电路将PWM信号转换为电流信号，从而控制恒温腔体的内部温度和TEC的下表面温度处于目标温度值，实现高精度的恒温控制。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种恒温系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种恒温系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种恒温装置的剖面图；
图4为本发明实施例提供的再一种恒温系统的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的又一种恒温系统的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种恒温系统的内环PID控制的TEC的下表面温度T1(t)的变化曲线图；
图7为本发明实施例提供的一种恒温系统的外环MPC控制的恒温腔体的内部温度T2(t)的变化曲线图；
图8为本发明实施例提供的一种恒温控制方法的流程示意图；
图9为本发明实施例提供的另一种恒温控制方法的流程示意图；
图10为本发明实施例提供的再一种恒温控制方法的流程示意图。
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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
由背景技术可知，现有的恒温装置不能实现稳定的温度控制，也不能实现高精度的恒温控制的目的。
因此，本发明实施例提供一种恒温系统及恒温控制方法，在本方案中，提出基于TEC的温度控制，通过将恒温装置、温度控制电路、温度检测电路和主控制器对应连接在一起，将恒温腔体的内部温度和TEC的下表面温度作为控制目标，也就是说，将恒温腔体的内部温度和TEC与恒温腔体的接触面的温度作为控制目标，温度检测电路将测量到的温度值输入至主控制器，主控制器将温度值转换为PWM(Pulse width modulation，脉冲宽度调制)信号输入至温度控制电路，温度控制电路将PWM信号转换为电流信号，从而控制恒温腔体的内部温度和TEC的下表面温度处于目标温度值，实现高精度的恒温控制。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种恒温系统的结构示意图，该恒温系统包括：恒温装置1、温度检测电路2、温度控制电路3和主控制器4。
具体的，恒温装置1的输出端与温度检测电路2的输入端连接，温度检测电路2的输出端与主控制器3的输入端连接，主控制器3的输出端与温度控制电路4的输入端连接，温度控制电路4的输出端与恒温装置1的输入端连接。
在本发明实施例中，恒温装置1至少包括恒温腔体和半导体制冷器TEC。
如图2所示为本发明实施例提供的另一种恒温系统的结构示意图，其中，恒温装置1包括恒温腔体11和TEC12。
在具体实现中，恒温装置1上设置有恒温腔体测温点、TEC测温点和环境测温点。
恒温腔体测温点用于测量恒温腔体11的温度，TEC测温点至少包括位于TEC与恒温腔体的接触面上的测温点，用于测量TEC12的下表面温度，环境测温点用于测量恒温装置1的外部环境温度。
具体的，温度检测电路2将基于恒温腔体测温点、TEC测温点和环境测温点测量到的温度值输入至主控制器3。
主控制器3将温度值转换为PWM信号，并将PWM信号输入至温度控制电路4。
温度控制电路4将PWM信号转换为电流信号，使TEC12基于电流信号控制恒温腔体11的温度处于目标温度值。
需要说明的是，PWM信号一般可以由芯片或单片机等输出。
例如：TNY256、TL494等电源芯片，单片机内部设置有硬件PWM模块，通过单片机内部的运算或者逻辑判断，可以输出占空比可调的PWM信号。
在具体实现中，TEC12的输入端作为恒温装置1的输入端与温度控制电路4的输出端连接，TEC12的下表面焊接于恒温腔体11的顶部。
恒温腔体11上的恒温腔体测温点与温度检测电路2的检测端连接。
TEC12接收温度控制电路4输出的电流信号，基于电流信号控制所述TEC的下表面的温度，使恒温腔体11的内部温度处于目标温度值。
也就是说，在TEC12基于电流信号的作用下，恒温腔体11保持内部温度处于目标温度值。
需要说明的是，TEC12利用塞贝克效应和帕尔贴效应，具有体积小、响应速度快、无制冷剂、高精度和易于实现加热制冷转换等特点。TEC12利用热面和冷面实现热量的交换，可以通过调节TEC12的功率来改变冷热面温度。具体实现为：TEC12至少包括多个P型半导体和N型半导体，P型半导体和N型半导体通过电极相连，并夹在两个陶瓷电极之间，当有电流从TEC12流过时，电流产生的热量会从TEC的一个面传至另一个面，从而完成制冷或者加热。
恒温腔体11用于放置温度标准段。温度标准段也即需要进行恒温控制的恒温对象。
在本发明实施例中，恒温腔体11可以根据温度标准段的体积大小进行匹配设计，本发明不加以限定。
在本发明实施例中，恒温腔体11相当于一个容器，其可以与TEC12配合安装形成密封腔体。将温度标准段置于恒温腔体11中可以通过TEC12控制恒温腔体11的内部温度。
结合图2，如图3所示为本发明实施例提供的一种恒温装置的剖面图，其中，恒温装置1还包括：散热系统13、隔热层14和外壳15。
具体的，TEC12和恒温腔体11的外侧由隔热层14包裹。
隔热层14的外侧由外壳15包裹。
可以理解的是，恒温腔体11与外壳15之间布置有隔热层14。
需要说明的是，在本发明实施例中，外壳15可以看作是一个缺少一面的空心长方体或者空心正方体，隔热层14、恒温腔体11和TEC12可以与外壳15配合安装，形成一个腔体。
具体的，外壳15的内壁(包括四个侧壁和底部)设置有隔热层14，隔热层14的内壁设置有恒温腔体11。恒温腔体11与TEC12下表面通过焊接集成在一起。
可选的，外壳15中还设置有用于安装导线的通孔，可以直接通过对外壳15进行打孔作为安装导线的线孔。
具体的，散热系统13包括风扇131和散热片132，散热片132设置在外壳15的顶部，散热片132的底部焊接于TEC12的上表面，风扇131设置于散热片132的顶部，对TEC12进行散热。
这里需要说明的是，散热片132与TEC12之间有空隙，风扇131向该空隙抽风或者送风。
散热系统13对TEC12进行散热，也就是说，主要通过吹风或者抽风的方式来对TEC12进行散热。
具体的，温度检测电路2包括铂电阻和恒流源驱动电路。
在具体实现中，铂电阻与恒流源驱动电路连接，铂电阻作为热敏电阻测量恒温腔体测温点、TEC测温点和环境测温点的温度，得到随温度变化的电阻信号，并输入至恒流源驱动电路。
恒流源驱动电路接收铂电阻输出的电阻信号，向电阻信号提供恒定的电流，基于电流和电阻信号得到电压信号，并输入至主控制器3。
在本发明实施例中，恒流源驱动电路包括电源稳压电路、恒流源芯片和运算放大电路，通过将电源稳压电路、恒流源芯片和运算放大电路之间对应连接，实现电压信号的输出。
这里需要说明的是，电压信号与具体的温度值有一定的对应关系，因此，电压信号可以表征温度值。
具体的，温度控制电路4包括串联的buck斩波电路和H桥电路。
在具体实现中，buck斩波电路的输出端与H桥电路的输入端连接，H桥电路的两个输出端作为温度控制电路4的输出端分别与TEC12的输入端连接。
buck斩波电路的输入端作为温度控制电路4的输入端与主控制器3的输出端连接，用于接收主控制器3输出的PWM信号，将PWM信号转换为电流信号，并输入至H桥电路。
H桥电路根据电流信号的流向在两个输出端之间进行切换，使电流信号由导通的输出端输出至TEC12。
在本发明实施例中，buck斩波电路将PWM信号转换为电流信号输出，从而控制TEC的工作功率。
H桥电路将接收到的电流信号输入至TEC12以及控制TEC12两端的电压方向，从而对TEC12进行加热或者制冷的切换控制。
可以理解的是，温度控制电路4通过采用buck斩波电路和H桥电路串联方式，将占空比的PWM信号转换成可变方向的输出电压，也就是说，温度控制电路4通过buck斩波电路将PWM信号转换为电流信号，H桥电路将接收到的电流信号输入至TEC12，使TEC12基于电流信号控制恒温腔体11的温度处于目标温度值。
在本发明实施例中，温度检测电路2和温度控制电路4均集成在PCB(Printedcircuit boards，印制电路板)上。
需要说明的是，PCB是电子元器件电气连接的提供者。
基于上述本发明实施例提供的一种恒温系统，该恒温系统包括：恒温装置、温度控制电路、温度检测电路和主控制器；恒温装置至少包括恒温腔体和半导体制冷器TEC，恒温装置上设置有恒温腔体测温点、TEC测温点和环境测温点，恒温腔体用于放置温度标准段；温度检测电路的输出端与主控制器的输入端连接，温度检测电路将基于恒温腔体测温点、TEC测温点和环境测温点测量到的温度值输入至主控制器；主控制器的输出端与温度控制电路的输入端连接，主控制器将温度值转换为脉冲宽度调制PWM信号，并将PWM信号输入至温度控制电路；温度控制电路的输出端与TEC连接，温度控制电路将PWM信号转换为电流信号，使TEC基于电流信号控制恒温腔体的内部温度处于目标温度值。在本方案中，通过将恒温装置、温度控制电路、温度检测电路和主控制器对应连接在一起，将恒温腔体的内部温度和TEC的下表面温度作为控制目标，温度检测电路将测量到的温度值输入至主控制器，主控制器将温度值转换为PWM信号输入至温度控制电路，温度控制电路将PWM信号转换为电流信号，从而控制恒温腔体的内部温度和TEC的下表面温度处于目标温度值，实现高精度的恒温控制。
结合图1和图2，如图4所示为本发明实施例提供的再一种恒温系统的结构示意图，其中，主控制器3包括模型预测模型MPC控制器31和比例-积分-微分PID控制器32。
具体的，MPC控制器31的输入端与温度检测电路2的第一输出端连接，MPC控制器31的输出端与PID控制器32的第一输入端连接。
在具体实现中，MPC控制器31接收温度检测电路2测量的恒温腔体11的内部温度，利用恒温腔体11的预设温度目标值与恒温腔体11的内部温度进行计算，得到TEC的下表面目标温度值，并发送给PID控制器32。
具体的，PID控制器32的第二输入端与温度检测电路2的第二输出端连接，接收温度检测电路2测量的TEC12的下表面温度，PID控制器32的输出端作为主控制器3的输出端与温度控制电路4的输入端连接。其中，温度检测电路2的第一输出端和第二输出端共同构成温度检测电路2的输出端，MPC控制器31的输入端和PID控制器32的第二输入端共同构成主控制器3的输入端。
在具体实现中，PID控制器32接收TEC12的下表面目标温度值和TEC12的下表面温度，利用TEC12的下表面目标温度值与TEC12的下表面温度进行计算，得到PWM信号，并发送给温度控制电路4。
基于上述本发明实施例提供的一种恒温系统，通过将恒温装置、温度控制电路、温度检测电路、MPC控制器和PID控制器对应连接在一起，将恒温腔体的内部温度和TEC的下表面温度作为控制目标，温度检测电路将测量到的温度值输入至MPC控制器，MPC控制器利用接收到的温度值与恒温腔体的预设温度目标值进行计算，得到TEC的下表面目标温度值，并发送给PID控制器，PID控制器利用接收到的TEC的下表面目标温度值和温度值进行计算，得到PWM信号，并发送给温度控制电路，温度控制电路将PWM信号转换为电流信号，从而控制恒温腔体的内部温度和TEC的下表面温度处于目标温度值，实现高精度的恒温控制。
结合图4，如图5所示为本发明实施例提供的又一种恒温系统的结构示意图，其中，MPC控制器31包括在线校正电路311、第一乘法器312、滚动优化模块313和温度预测模型314，PID控制器32包括第二乘法器321和第一PID控制器322。
这里需要说明的是，在图5中的两个温度检测电路2为功能和结构相同的温度检测电路2。为了直观地描述恒温系统中各部件的连接方式和体现恒温系统中各部件的功能，因此，在图5中绘制了两个温度检测电路2，以温度检测电路2的不同输出端和输入端来区分与之相连接的部件，以及区分温度检测电路2的不同输出端和输入端的功能。
具体的，在线校正电路311的第一输入端与温度检测电路2的第一输出端连接，在线校正电路311的输出端与第一乘法器312的输入端连接。
在具体实现中，在线校正电路311接收温度检测电路2测量的恒温腔体11的内部温度，利用恒温腔体11的内部温度对恒温腔体11的内部温度预测值进行校正，得到校正后的内部温度预测值，并发送给第一乘法器312。
具体的，第一乘法器312的输出端与滚动优化模块313的输入端连接。
在具体实现中，第一乘法器312接收在线校正电路311输出的校正后的内部温度预测值，利用接收到的校正后的内部温度预测值与恒温腔体11的预设温度目标值进行计算，得到优化目标函数，并发送给滚动优化模块313。
具体的，滚动优化模块313的第一输出端与温度预测模型314的输入端连接，滚动优化模块313的第二输出端作为MPC控制器31的输出端与PID控制器32连接。
在具体实现中，滚动优化模块313接收第一乘法器312输出的优化目标函数，利用接收到的优化目标函数进行滚动优化，将得到的TEC下表面温度序列发送给温度预测模型314，将得到的TEC12的下表面目标温度值发送给PID控制器32。
具体的，温度预测模型314的输出端与在线校正电路311的第二输入端连接。
在具体实现中，温度预测模型314接收滚动优化模块313输出的TEC下表面温度序列，利用接收到的TEC下表面温度序列和恒温腔体的内部温度进行预测，得到恒温腔体11的内部温度预测值，并发送给在线校正电路311。
其中，所述温度预测模型基于对恒温腔体的热平衡模型
进行离散化得到；
其中，mc为恒温腔体的质量，cc为恒温腔体的比热容，T1(t)为所述TEC下表面温度，T2(t)为所述恒温腔体的内部温度，T3(t)为外部环境温度，Rct为恒温腔体和外部空气之间的等效热阻，Rce为TEC下表面和恒温腔体之间的等效热阻，q是恒温对象的产热功率。
PID控制器32包括第二乘法器321和第一PID控制器322。
具体的，第二乘法器321的第一输入端与温度检测电路2的第二输出端连接，第二乘法器321的第二输入端与滚动优化模块313的第二输出端连接，第二乘法器321的输出端与第一PID控制器322的输入端连接。
在具体实现中，第二乘法器321接收温度检测电路2测量的TEC12的下表面温度和滚动优化模块313输出的TEC12的下表面目标温度值，利用TEC12的下表面目标温度值与TEC12的下表面温度进行计算，得到数值，并发送给第一PID控制器322。
具体的，第一PID控制器322的输出端与温度控制电路4的输入端连接。
在具体实现中，第一PID控制器322接收第二乘法器321输出的数值，利用接收到的数值转换得到PWM信号，并发送给温度控制电路4。
需要说明的是，第一PID的控制器322的参数根据利用外部环境温度T3(t)划分的温度段确定，每一温度段对应唯一的第一PID的控制器322的参数。
在图5中，将恒温腔体11、TEC12、温度控制电路4、温度检测电路2、在线校正电路311、第一乘法器312、滚动优化模块313、温度预测模型314、第二乘法器321和第一PID控制器322对应连接，形成了内外环结构，通过内外环控制来实现恒温控制。
在内环结构中，SP1是TEC的下表面温度的PID控制的目标值，即为TEC的下表面目标温度值，PWM是PID控制器的输出变量，TEC的下表面温度T1(t)是PID控制器的过程变量。设输入函数为PWM，输出函数为T1(t)，T1(t)的传递函数为G1(s)。当传递函数G1(s)不变时，PID控制器的比例系数kp1、积分系数ki1和微分系数kd1不需要改变。总之，在内环结构中，PID控制器是通过PWM控制T1(t)稳定在目标温度SP1。
在外环结构中，SP2是恒温腔体的内部温度的MPC控制的目标值，即为恒温腔体的预设温度目标值，SP1是MPC控制器的输出变量，即为TEC的下表面目标温度值，外环输出变量是内环的输入，恒温腔体的内部温度T2(t)是MPC控制器的过程变量。总之，在外环结构中，MPC控制器是通过SP1控制T2(t)稳定在目标温度SP2。
需要说明的是，内环结构和外环结构的具体的执行原理和过程可参见上述温度控制电路4、温度检测电路2、在线校正电路311、第一乘法器312、滚动优化模块313、温度预测模型314、第二乘法器321和第一PID控制器322的执行原理和过程，这里不再赘述。
为了更好地理解上述的说明内容，下面对上述涉及到的相关原理或过程进行详细地讲解。
下面介绍串级MPC-PID控制算法中的MPC算法。
首先，建立预测模型。
由恒温腔体的质量mc、恒温腔体的比热容cc、恒温装置的外部环境温度T3(t)、恒温腔体和外部空气之间的等效热阻Rct、半导体制冷器TEC下表面和恒温腔体之间的等效热阻Rce和恒温对象的产热功率q可得恒温腔体的热平衡方程式如公式(1)所示：
其中，T1(t)为TEC的下表面温度，T2(t)为恒温腔体的内部温度。
对公式(1)进行离散化，得到恒温腔体的温度的预测模型，如公式(2)所示：
在公式(2)中，T2m(k+1)为模型预测的k+1时刻恒温腔体的内部温度，T2(k)为k时刻恒温腔体的内部温度，T1(k)为k时刻TEC的下表面温度，T3(k)为k时刻恒温装置的外部环境温度，q(k)为k时刻温度标准段的产热功率。
在公式(3)中，j＝1，2，...，p-1，p代表模型预测控制优化考虑的未来步骤数。
使用公式(2)可以预测k时刻恒温腔体的内部温度，然后利用公式(3)进行迭代，就可以得到有限时域的未来多步预测的恒温腔体的内部温度。
需要说明的是，由于未来步骤中的环境温度T3(k)未知，预测模型中可假定在未来短时间内环境温度趋于稳定即T(k+j)＝T3(k)，j＝1，2，...，p-1。
其次，进行反馈校正。
选用k+1时刻恒温腔体的内部温度和预测模型的恒温腔体的温度的误差e(k+1)作为反馈校正量，得出k+j+1时刻修正后的恒温腔体的内部温度预测值T2P(k+j+1)，如公式(4)所示：
T2P(k+j+1)＝T2m(k+j+1)+he(k+1)，j＝1，2，...，p-1 (4)，
其中，h为反馈校正系数，e(k+1)的表达式如公式(5)所示：
e(k+1)＝T2(k+1)-T2m(k+1) (5)。
再其次，进行滚动优化。
在不同时刻下，设置恒温腔体的内部温度参考值T2r(k+j+1)均是预期的设定温度值T2s，表达式如公式(6)所示：
T2r(k+j+1)＝T2s，j＝1，2，...，p-1 (6)，
根据恒温腔体的内部温度预测值与参考值，建立滚动优化的性能指标，确定TEC下表面温度的最优值，优化目标函数J如公式(7)所示：
其中，p是预测时域长度，λ是控制加权系数，ΔT1(k+i)是TEC的下表面温度的增量，ΔT1(k+i)的表达式如公式(8)所示：
ΔT1(k+i)＝T1(k+i+1)-T1(k+i)，i＝1，2，...，p-1 (8)，
需要说明的是，公式(7)的第一项最小化能够使预测温度和参考温度最相近，第二项最小化能够使跟踪参考温度所需的变化最小。
公式(2)、公式(3)、公式(7)和公式(8)表明，优化目标函数J是TEC下表面温度序列T1a＝[T1(k+2)T1(k+3)…T1(k+p)]的函数，则优化计算可以转换为求解使优化目标函数J最小化的温度值T1a。
在求解使优化目标函数J最小化的温度值T1a前，需要计算优化目标函数J对变量T1a的梯度g，梯度g的表达式如公式(9)所示：
当i＝1，2，…，p-1时，表达式如公式(10)所示：
设T1(k+p+1)＝0，其中，f(k+j+1)i是T2p(k+j+1)对变量T1(k+i+1)的偏导，当j＜i时，f(k+j+1)i＝0，当j≥i时，f(k+j+1)i的表达式如公式(11)所示：
通过上述的求解，可以得到当前温度值T1a下的梯度
最后，使用梯度下降法进行数值算法优化，即采用梯度下降法(GD)求解minJ。
求解过程如下：
步骤1：给定初始点T1a,0 T＝[T2sT2sT2s…T2s]1x(p-1)。
步骤2：利用式(9)确定当前温度值T1a下的梯度
步骤3：得到当前温度值下的梯度下降距离：
其中，α为步长系数。
步骤4：设ε为截止参数，当
的每个元素的绝对值均小于ε时，算法终止，即当前的T1a T为最终结果。否则进入步骤5。
步骤5：更新温度值T1a T，其更新表达式如式(12)所示：
更新完成后，继续转入步骤2。
可选的，也可以使用拟牛顿法(DFP)求解minJ。
下面介绍串级MPC-PID控制算法中的PID算法。
当环境温度T3(t)变化时，传递函数G1(s)会改变。当环境温度变化较大时，PID控制器的比例系数kp1、积分系数ki1和微分系数kd1要进行更新来满足控制要求。因此，根据需要采用分段PID控制的方法来满足控制要求。
具体的，将环境温度T3(t)进行分段，形成温度标准段，为每一温度标准段设置特定的PID参数。
例如，将环境温度T3(t)分为三段。当T3(t)≤T31(t)时，(kp1，ki1，kd1)取值为(kp11，ki11，kd11)；当T31(t)＜T3(t)≤T32(t)时，(kp1，ki1，kd1)取值为(kp12，ki12，kd12)；当T3(t)＞T32(t)时，(kp1，ki1，kd1)取值为(kp13，ki13，kd13)。
为了更好地理解分段PID控制的方法，下面举一应用实例进行详细说明。
本实例的恒温装置用于保持光纤传感器中光纤标定段的温度恒定，需要将光纤标定段放置于恒温腔，根据光纤标定段的体积定制相同体积的恒温腔体。标定段要求的恒定温度为25℃，即SP2＝25℃。
恒温装置处在的环境温度在0℃～40℃之间波动，恒温装置的MPC-PID串级控制中的PID参数如表1所示。
表1：
| 单位(℃) | k<sub>p1</sub> | k<sub>i1</sub> | k<sub>d1</sub> |
| T<sub>3</sub>(t)＜10 | 89 | 0.1 | 0.03 |
| 10＜T<sub>3</sub>(t)≤20 | 65 | 0.08 | 0.03 |
| 20＜T<sub>3</sub>(t)≤30 | 71 | 0.1 | 0.03 |
| T<sub>3</sub>(t)＞30 | 82 | 0.09 | 0.03 |
恒温控制结果如图6和图7所示，其中，图6为内环PID控制的TEC的下表面温度T1(t)的变化曲线图，图7为外环MPC控制的恒温腔体的内部温度T2(t)的变化曲线图，由图6和图7可以得出本恒温装置通过串级MPC-PID控制算法实现了高精度的恒温控制。
基于上述本发明实施例提供的一种恒温系统，通过将恒温装置、温度控制电路、温度检测电路、在线校正电路、第一乘法器、滚动优化模块、温度预测模型、第二乘法器和第一PID控制器对应连接在一起，将恒温腔体的内部温度和TEC的下表面温度作为控制目标，温度检测电路将测量到的温度值输出，通过在线校正电路、第一乘法器、滚动优化模块、温度预测模型、第二乘法器和第一PID控制器对该温度值进行处理，得到PWM信号，并输出至温度控制电路，温度控制电路将PWM信号转换为电流信号，从而控制恒温腔体的内部温度和TEC的下表面温度处于目标温度值，实现高精度的恒温控制。
与上述本发明实施例示出的恒温系统相对应，本发明实施例还对应提供了一种恒温控制方法，如图8所示，该恒温控制方法主要包括以下步骤：
步骤S801：主控制器接收温度检测电路检测到的温度值。
在步骤S801中，温度值包括温度检测电路在恒温腔体测温点、半导体制冷器TEC测温点和环境测温点测量到的温度。
其中，TEC测温点至少包括位于TEC与恒温腔体的接触面上的测温点，用于测量TEC的下表面温度。
在具体实现步骤S801的过程中，温度检测电路检测恒温腔体测温点、半导体制冷器TEC测温点和环境测温点的温度，得到具体的温度值，并将温度值输入至主控制器，主控制器接收该温度值。
步骤S802：主控制器将温度值转换为PWM信号，并将PWM信号输入至温度控制电路，使温度控制电路将PWM信号转换为电流信号，并使TEC基于电流信号控制恒温腔体的内部温度处于目标温度值。
在步骤S802中，PWM信号可以由芯片或单片机等输出。
在具体实现步骤S802的过程中，主控制器将接收到的温度值转换为PWM信号，并将转换得到的PWM信号输入至温度控制电路，使温度控制电路将PWM信号转换为电流信号，并使TEC基于电流信号控制恒温腔体的内部温度处于目标温度值。
基于上述本发明实施例提供的一种恒温控制方法，通过主控制器接收温度检测电路检测到的温度值，主控制器将温度值转换为PWM信号，并将PWM信号输入至温度控制电路，使温度控制电路将PWM信号转换为电流信号，并使TEC基于电流信号控制恒温腔体的内部温度处于目标温度值。在本方案中，将恒温腔体的内部温度和TEC的下表面温度作为控制目标，通过主控制器将接收到的温度值转换为PWM信号，并将转换得到的PWM信号输入至温度控制电路，温度控制电路将PWM信号转换为电流信号，从而控制恒温腔体的内部温度和TEC的下表面温度处于目标温度值，实现高精度的恒温控制。
基于上述本发明实施例提供的一种恒温控制方法，如图9所示，为本发明实施例提供的另一种恒温控制方法的流程示意图，其中，主控制器包括：串联的MPC控制器和比例-积分-微分PID控制器，该恒温控制方法主要包括以下步骤：
步骤S901：MPC控制器接收温度测量的恒温腔体的内部温度，以及PID控制器接收TEC的下表面目标温度值和温度检测电路测量的TEC的下表面温度。
在步骤S901中，TEC的下表面目标温度值由MPC控制器输出。
在具体实现步骤S901的过程中，MPC控制器接收温度检测电路测量的恒温腔体的内部温度，以及PID控制器接收MPC控制器输出的TEC的下表面目标温度值和温度检测电路测量的TEC的下表面温度。
步骤S902：MPC控制器利用接收到的内部温度和恒温腔体的预设温度目标值进行计算，得到TEC的下表面目标温度值，并发送给PID控制器。
在具体实现步骤S902的过程中，MPC控制器通过对接收到的恒温腔体的内部温度和恒温腔体的预设温度目标值进行计算，得到TEC的下表面目标温度值，并将得到的TEC的下表面目标温度值发送给PID控制器。
步骤S903：PID控制器利用接收到的TEC的下表面目标温度值和TEC的下表面温度进行计算，得到PWM信号，并发送给温度控制电路，使温度控制电路将PWM信号转换为电流信号，并使TEC基于电流信号控制恒温腔体的内部温度处于目标温度值。
在具体实现步骤S903的过程中，PID控制器通过对接收到的TEC的下表面目标温度值和TEC的下表面温度进行计算，得到PWM信号，并发送给温度控制电路，使温度控制电路将PWM信号转换为电流信号，并将转换得到的电流信号发送给TEC，使TEC基于电流信号控制恒温腔体的内部温度处于目标温度值。
基于上述本发明实施例提供的一种恒温控制方法，将恒温腔体的内部温度和TEC的下表面温度作为控制目标，MPC控制器利用接收到的内部温度和恒温腔体的预设温度目标值进行计算，得到TEC的下表面目标温度值，并发送给PID控制器，PID控制器利用接收到的TEC的下表面目标温度值和温度值进行计算，得到PWM信号，并发送给温度控制电路，温度控制电路将PWM信号转换为电流信号，从而控制恒温腔体的内部温度和TEC的下表面温度处于目标温度值，实现高精度的恒温控制。
基于上述本发明实施例提供的一种恒温控制方法，如图10所示，为本发明实施例提供的再一种恒温控制方法的流程示意图，其中，MPC控制器包括温度预测模型、在线校正电路、第一乘法器和滚动优化模块，PID控制器包括第二乘法器和第一PID控制器，该恒温控制方法主要包括以下步骤：
步骤S1001：在线校正电路接收温度检测电路测量的恒温腔体的内部温度，以及第二乘法器接收TEC的下表面目标温度值和温度检测电路测量的TEC的下表面温度。
在步骤S1001中，TEC的下表面目标温度值由滚动优化模块输出。
在具体实现步骤S1001的过程中，在线校正电路接收温度检测电路测量的恒温腔体的内部温度，以及第二乘法器接收滚动优化模块输出的TEC的下表面目标温度值和温度检测电路测量的TEC的下表面温度。
步骤S1002：在线校正电路利用恒温腔体的内部温度对恒温腔体的内部温度预测值进行校正，得到校正后的内部温度预测值，并发送给第一乘法器。
在具体实现步骤S1002的过程中，在线校正电路利用接收到的恒温腔体的内部温度对恒温腔体的内部温度预测值进行校正，得到校正后的内部温度预测值，并将得到的校正后的内部温度预测值发送给第一乘法器。
步骤S1003：第一乘法器利用接收到的校正后的内部温度预测值与恒温腔体的预设温度目标值进行计算，得到优化目标函数，并发送给滚动优化模块。
在具体实现步骤S1003的过程中，第一乘法器接收在线校正电路输出的校正后的内部温度预测值，通过对接收到的校正后的内部温度预测值与恒温腔体的预设温度目标值进行计算，得到优化目标函数，并将得到的优化目标函数发送给滚动优化模块。
步骤S1004：滚动优化模块利用接收到的优化目标函数进行滚动优化，将得到的TEC下表面温度序列发送给温度预测模型，将得到的TEC的下表面目标温度值发送给PID控制器。
在具体实现步骤S1004的过程中，滚动优化模块接收第一乘法器输出的优化目标函数，对接收到的优化目标函数进行滚动优化，得到TEC下表面温度序列和TEC的下表面目标温度值，将得到的TEC下表面温度序列发送给温度预测模型，将得到的TEC的下表面目标温度值发送给PID控制器。
在具体实现中，滚动优化模块对接收到的优化目标函数进行滚动优化的过程包括：
首先，利用接收到的优化目标函数和初始温度序列确定当前下表面温度序列下的梯度，所述初始温度序列由所述恒温腔体的内部温度预测值确定。
其次，根据所述梯度计算梯度下降距离，并将所述梯度下降距离中的每个参数的绝对值与截止参数进行比较，若均小于截止参数，则将所述当前下表面温度序列发送给所述温度预测模型。该当前下表面温度序列即为TEC下表面温度序列。
否则，将所述当前下表面温度序列减少所述梯度下降距离之后，循环执行计算梯度、梯度下降距离，以及与截止参数进行比较的过程，直至得到的梯度下降距离中的每个参数的绝对值均小于截止参数，将计算该梯度下降距离过程中使用到的下表面温度序列发送给温度预测模型。
步骤S1005：温度预测模型利用接收到的TEC下表面温度序列和恒温腔体的内部温度进行预测，得到恒温腔体的内部温度预测值，并发送给在线校正电路。
在步骤S1005中，需要先构建温度预测模型，具体的构建过程包括以下步骤：
步骤S51：根据恒温腔体的质量mc、恒温腔体的比热容cc、TEC的下表面温度T1(t)、恒温腔体的内部温度T2(t)、恒温装置的外部环境温度T3(t)、恒温腔体和外部空气之间的等效热阻Rct、半导体制冷器TEC下表面和恒温腔体之间的等效热阻Rce和恒温对象的产热功率q，得到恒温腔体的热平衡模型为
步骤S52：对恒温腔体的热平衡模型进行离散化，得到恒温腔体的温度预测模型为
在步骤S52中，T2m(k+1)为模型预测的k+1时刻恒温腔体的内部温度，T2(k)为k时刻恒温腔体的内部温度，T1(k)为k时刻TEC的下表面温度，T3(k)为k时刻恒温装置的外部环境温度，q(k)为k时刻温度标准段的产热功率。
对恒温腔体的热平衡模型进行离散化就是将热平衡模型中的
转换为T2(t+1)-T2(t)。
在具体实现步骤S1005的过程中，温度预测模型接收滚动优化模块输出的TEC下表面温度序列，利用接收到的TEC下表面温度序列和恒温腔体的内部温度进行预测，得到恒温腔体的内部温度预测值，并得到的恒温腔体的内部温度预测值发送给在线校正电路。
步骤S1006：第二乘法器接收TEC的下表面目标温度值，利用TEC的下表面目标温度值和TEC的下表面温度进行计算，得到数值，并发送给第一PID控制器。
在步骤S1006中，TEC的下表面目标温度值由滚动优化模块输出。
在具体实现步骤S1106的过程中，第二乘法器接收滚动优化模块输出的TEC的下表面目标温度值，利用接收到的TEC的下表面目标温度值和TEC的下表面温度进行计算，得到数值，并将得到的数值发送给第一PID控制器。
步骤S1007：第一PID控制器利用接收到的数值转换得到PWM信号，并发送给温度控制电路，使温度控制电路将PWM信号转换为电流信号，并使TEC基于电流信号控制恒温腔体的内部温度处于目标温度值。
在步骤S1007中，第一PID的控制器的参数根据利用外部环境温度划分的温度段确定，每一温度段对应唯一的第一PID的控制器的参数。
在具体实现步骤S1007的过程中，第一PID控制器接收第二乘法器输出的数值，利用接收到的数值转换得到PWM信号，并发送给温度控制电路，使温度控制电路将PWM信号转换为电流信号，并使TEC基于电流信号控制恒温腔体的内部温度处于目标温度值。
基于上述本发明实施例提供的一种恒温控制方法，将恒温腔体的内部温度和TEC的下表面温度作为控制目标，通过在线校正电路、第一乘法器、滚动优化模块、温度预测模型、第二乘法器和第一PID控制器对接收到的温度值进行相应的处理，得到PWM信号，并输出至温度控制电路，温度控制电路将PWM信号转换为电流信号，从而控制恒温腔体的内部温度和TEC的下表面温度处于目标温度值，实现高精度的恒温控制。
通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本申请可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)、闪存(FLASH)、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述的方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种恒温系统，其特征在于，包括：恒温装置、温度控制电路、温度检测电路和主控制器，所述主控制器包括串联的MPC控制器和比例-积分-微分PID控制器，所述MPC控制器包括温度预测模型、在线校正电路、第一乘法器和滚动优化模块，所述PID控制器包括第二乘法器和第一PID控制器；所述MPC控制器的输入端与所述温度检测电路的第一输出端连接，所述MPC控制器的输出端与所述PID控制器的第一输入端连接；所述在线校正电路的第一输入端与所述温度检测电路的第一输出端连接，所述在线校正电路的输出端与所述第一乘法器的输入端连接；所述第二乘法器的第一输入端与所述温度检测电路的第二输出端连接，所述第二乘法器的第二输入端与所述滚动优化模块的第二输出端连接，所述第二乘法器的输出端与所述第一PID控制器的输入端连接；
所述恒温装置至少包括恒温腔体和半导体制冷器TEC，所述恒温装置上设置有恒温腔体测温点、TEC测温点和环境测温点，所述恒温腔体用于放置温度标准段；其中，所述TEC测温点至少包括位于TEC与恒温腔体的接触面上的测温点，用于测量TEC的下表面温度；
所述温度检测电路的输出端与所述主控制器的输入端连接，所述温度检测电路将基于所述恒温腔体测温点、所述TEC测温点和所述环境测温点测量到的温度值输入至所述主控制器；
所述主控制器的输出端与所述温度控制电路的输入端连接，所述主控制器将所述温度值转换为脉冲宽度调制PWM信号，并将所述PWM信号输入至所述温度控制电路；
所述温度控制电路的输出端与所述TEC连接，所述温度控制电路将所述PWM信号转换为电流信号，使所述TEC基于所述电流信号控制所述恒温腔体的内部温度处于目标温度值；
所述第二乘法器接收所述TEC的下表面温度和所述TEC的下表面目标温度值，利用所述TEC的下表面目标温度值与所述TEC的下表面温度进行计算，得到数值，并发送给所述第一PID控制器；
所述第一PID控制器的输出端与所述温度控制电路的输入端连接，所述PID控制器利用接收到的所述数值转换得到所述PWM信号，并发送给所述温度控制电路；
其中，所述第一PID的控制器的参数根据利用外部环境温度T3(t)划分的温度段确定，每一温度段对应唯一的所述第一PID的控制器的参数；
所述在线校正电路接收所述温度检测电路测量的所述恒温腔体的内部温度，利用所述内部温度对恒温腔体的内部温度预测值进行校正，得到校正后的内部温度预测值，并发送给所述第一乘法器；
所述第一乘法器的输出端与所述滚动优化模块的输入端连接，所述第一乘法器利用接收到的所述校正后的内部温度预测值与所述恒温腔体的预设温度目标值进行计算，得到优化目标函数，并发送给所述滚动优化模块。
2.根据权利要求1所述的恒温系统，其特征在于，所述MPC控制器接收所述温度检测电路测量的所述恒温腔体的内部温度，利用所述恒温腔体的预设温度目标值与所述内部温度进行计算，得到TEC的下表面目标温度值，并发送给所述PID控制器；
所述PID控制器的第二输入端与所述温度检测电路的第二输出端连接，所述PID控制器的输出端与所述温度控制电路的输入端连接，所述PID控制器接收所述TEC的下表面目标温度值和所述TEC的下表面温度，利用所述TEC的下表面目标温度值与所述TEC的下表面温度进行计算，得到所述PWM信号，并发送给所述温度控制电路。
3.根据权利要求2所述的恒温系统，其特征在于，其中，所述优化目标函数为：
p是预测时域长度，λ是控制加权系数，ΔT1(k+i)是TEC的下表面温度的增量；
所述滚动优化模块的第一输出端与所述温度预测模型的输入端连接，所述滚动优化模块的第二输出端与所述PID控制器连接，所述滚动优化模块利用接收到的所述优化目标函数进行滚动优化，将得到的TEC下表面温度序列发送给所述温度预测模型，将得到的TEC的下表面目标温度值发送给所述PID控制器；
所述温度预测模型的输出端与所述在线校正电路的第二输入端连接，所述温度预测模型利用接收到的所述TEC下表面温度序列和所述恒温腔体的内部温度进行预测，得到所述恒温腔体的内部温度预测值，并发送给所述在线校正电路；
其中，所述温度预测模型基于对恒温腔体的热平衡模型
进行离散化得到；
其中，mc为恒温腔体的质量，cc为恒温腔体的比热容，T1(t)为所述TEC下表面温度，T2(t)为所述恒温腔体的内部温度，T3(t)为外部环境温度，Rct为恒温腔体和外部空气之间的等效热阻，Rce为TEC下表面和恒温腔体之间的等效热阻，q是恒温对象的产热功率。
4.根据权利要求1所述的恒温系统，其特征在于，所述恒温装置还包括：散热系统、隔热层和外壳；
所述TEC的输入端与所述温度控制电路的输出端连接，所述TEC的下表面焊接于所述恒温腔体的顶部，所述TEC接收所述温度控制电路输出的电流信号，基于所述电流信号控制所述TEC的下表面的温度，使所述恒温腔体的内部温度处于目标温度值；
所述恒温腔体上的恒温腔体测温点与所述温度检测电路的检测端连接，保持所述恒温腔体的内部温度处于目标温度值；
所述TEC和所述恒温腔体的外侧由所述隔热层包裹；
所述隔热层的外侧由所述外壳包裹；
所述散热系统包括风扇和散热片，所述散热片设置在所述外壳的顶部，所述散热片的底部焊接于所述TEC的上表面，所述风扇设置于所述散热片的顶部，对所述TEC进行散热。
5.根据权利要求2所述的恒温系统，其特征在于，所述温度控制电路包括串联的buck斩波电路和H桥电路；
所述buck斩波电路的输入端与所述PID控制器的输出端连接，所述buck斩波电路的输出端与所述H桥电路的输入端连接，所述buck斩波电路接收所述PID控制器输出的PWM信号，将所述PWM信号转换为所述电流信号，并输入至所述H桥电路；
所述H桥电路的两个输出端分别与所述TEC的输入端连接，所述H桥电路根据所述电流信号的流向切换所述两个输出端，使所述电流信号由导通的输出端输出至所述TEC。
6.根据权利要求1所述的恒温系统，其特征在于，所述温度检测电路包括铂电阻和恒流源驱动电路；
所述铂电阻与所述恒流源驱动电路连接，所述铂电阻作为热敏电阻测量所述恒温腔体测温点、所述TEC测温点和所述环境测温点的温度，得到随温度变化的电阻信号，并输入至所述恒流源驱动电路；
所述恒流源驱动电路接收所述铂电阻输出的所述电阻信号，向所述电阻信号提供恒定的电流，基于所述电流和所述电阻信号得到电压信号，并输入至所述主控制器。
7.一种恒温控制方法，其特征在于，适用于权利要求1～6的任一所述的恒温系统，所述恒温控制方法包括：
主控制器接收温度检测电路检测到的温度值，所述温度值包括所述温度检测电路在恒温腔体测温点、半导体制冷器TEC测温点和环境测温点测量到的温度；其中，所述TEC测温点至少包括位于TEC与恒温腔体的接触面上的测温点，用于测量TEC的下表面温度；
所述主控制器将所述温度值转换为脉冲宽度调制PWM信号，并将所述PWM信号输入至温度控制电路，使所述温度控制电路将所述PWM信号转换为电流信号，并使TEC基于所述电流信号控制恒温腔体的内部温度处于目标温度值；
其中，所述温度预测模型基于对恒温腔体的热平衡模型
进行离散化得到；
其中，mc为恒温腔体的质量，cc为恒温腔体的比热容，T1(t)为所述TEC下表面温度，T2(t)为所述恒温腔体的内部温度，T3(t)为外部环境温度，Rct为恒温腔体和外部空气之间的等效热阻，Rce为TEC下表面和恒温腔体之间的等效热阻，q是恒温对象的产热功率；
所述主控制器接收温度检测电路检测到的温度值，包括：
所述在线校正电路接收温度检测电路测量的所述恒温腔体的内部温度，以及所述第二乘法器接收所述温度检测电路测量的TEC的下表面温度；
相应的，所述主控制器将所述温度值转换为脉冲宽度调制PWM信号，并将所述PWM信号输入至温度控制电路，包括：
所述在线校正电路利用所述内部温度对恒温腔体的内部温度预测值进行校正，得到校正后的内部温度预测值，并发送给所述第一乘法器；
所述第一乘法器利用接收到的所述校正后的内部温度预测值与所述恒温腔体的预设温度目标值进行计算，得到优化目标函数，并发送给所述滚动优化模块；其中，所述优化目标函数为：
p是预测时域长度，λ是控制加权系数，ΔT1(k+i)是TEC的下表面温度的增量；
所述滚动优化模块利用接收到的所述优化目标函数进行滚动优化，将得到的TEC下表面温度序列发送给所述温度预测模型，将得到的TEC的下表面目标温度值发送给所述第二乘法器；
所述温度预测模型利用接收到的所述TEC下表面温度序列和所述恒温腔体的内部温度进行预测，得到所述恒温腔体的内部温度预测值，并发送给所述在线校正电路；
所述第二乘法器利用接收到的所述TEC的下表面目标温度值和所述TEC的下表面温度进行计算，得到数值，并发送给所述第一PID控制器；
所述第一PID控制器利用接收到的所述数值转换得到所述PWM信号，并发送给温度控制电路；
其中，所述第一PID的控制器的参数根据利用外部环境温度划分的温度段确定，每一温度段对应唯一的所述第一PID的控制器的参数。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述滚动优化模块利用接收到的所述优化目标函数进行滚动优化，将得到的TEC下表面温度序列发送给所述温度预测模型，包括：
所述滚动优化模块利用接收到的优化目标函数和初始温度序列确定当前下表面温度序列下的梯度，所述初始温度序列由所述恒温腔体的内部温度预测值确定；
所述滚动优化模块根据所述梯度计算梯度下降距离，并将所述梯度下降距离中的每个参数的绝对值与截止参数进行比较，若均小于截止参数，则将所述当前下表面温度序列发送给所述温度预测模型；否则，将所述当前下表面温度序列减少所述梯度下降距离之后，循环执行计算梯度、梯度下降距离，以及与截止参数进行比较的过程。
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