CN115268538B - 一种水温及流量的同步pid控制装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水温及流量的同步PID控制装置及方法，其中水温及流量的同步PID控制装置包括水箱、液泵、加热管、流量计、MCU控制单元、温度保护开关和温度传感器，水箱、液泵、加热管、流量计经管路依次连接为回路，温度传感器设置在水箱的出口端，温度保护开关设置在加热管的外壁，MCU控制单元通过固态继电器控制加热管，MCU控制单元通过驱动模块控制液泵，流量计、温度传感器和温度保护开关分别与MCU控制单元电连接。本发明水温及流量的同步PID控制装置和方法可控制水箱内的水温快速、精确达到设定值，达到快速稳定水箱液体温度，降低水箱内流体波动的目的。
Description
技术领域
本发明涉及水温及流量控制技术领域，具体是一种水温及流量的同步PID控制装置和方法。
背景技术
在水浴加热、药物溶出等应用中，往往需要通过水箱加热并控制水温。例如，随着制药行业的发展，溶出环境温度控制是药物溶出实验至关重要的一个环节，药物溶出杯需要在一个温度稳定的环境中进行模拟人体的溶出实验，水的比热容在液态的情况下是4.2*103J/(kg·℃)，比热容大，温度波动小，因此水浴是一个温度稳定的系统。
水浴温度的控制通常由加热管和液泵两大组件构成，现有的药物溶出仪等仪器普遍采用液泵流速固定的方法进行加热，然而液泵工作在全速状态下扰流大、噪音大、发热量大、震动严重、耗电量高等缺陷影响着仪器的使用，将液泵的流速固定在一个较低的水平又影响整个系统的加热速度，在快速升温阶段不足以满足系统对流速的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种水温及流量的同步PID控制装置和方法，以控制水箱内的水温快速、精确达到设定值，达到快速稳定水箱液体温度，降低水箱内流体波动的目的。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种水温及流量的同步PID控制装置，包括水箱、液泵、加热管、流量计、MCU控制单元、温度保护开关和温度传感器，所述的水箱、液泵、加热管、流量计经管路依次连接为回路，所述的温度传感器设置在所述的水箱的出口端，所述的温度保护开关设置在所述的加热管的外壁，所述的MCU控制单元通过固态继电器控制所述的加热管，所述的MCU控制单元通过驱动模块控制所述的液泵，所述的流量计、温度传感器和温度保护开关分别与所述的MCU控制单元电连接，当所述的水箱内的实际温度达到设定的目标温度后，管路中温度波动产生水箱内的实际温度与目标温度的温度偏差时，所述的MCU控制单元通过PID算法调整系数以控制所述的液泵的液体流速并通过PID模糊算法调整系数以控制所述的加热管的加热功率。
作为优选，所述的温度传感器为PT1000温度传感器，所述的加热管为220V用电加热管，所述的液泵为24V用电液泵。
作为优选，所述的温度保护开关通过导热硅胶贴附固定在所述的加热管上。
利用上述装置实施的水温及流量的同步PID控制方法，包括以下步骤：
1)MCU控制单元先控制液泵全速运行，通过流量计的反馈判断管路中液体流量是否异常，若液体流量异常，则MCU控制单元关闭液泵，并报警，方法结束；若液体流量正常，则此时液泵的液体流速达到最大，能最快速度填充管路，同时MCU控制单元控制加热管以单比例系数全功率运行，当温度保护开关反馈管路中温度过热和/或流量计反馈管路中液体流量过小时，MCU控制单元报警，方法结束；当温度保护开关反馈管路中温度正常且流量计反馈管路中液体流量正常时，进入步骤2)；
2)当流量计检测到管路中液体流量大于设定的流量阈值时，管路填充完成，MCU控制单元分三段控制加热管工作：
2-1)设定水箱内的实际温度与目标温度之间允许的温差为ΔT，判断水箱内的实际温度值与目标温度值的差值是否小于ΔT；
第一段：当水箱内的实际温度值与目标温度值的差值大于ΔT时，MCU控制单元控制加热管以单比例系数P全功率运行，直至水箱内的实际温度值与目标温度值的差值小于ΔT；
当水箱内的实际温度值与目标温度值的差值小于ΔT时，进入步骤2-2)；
2-2)第二段：MCU控制单元控制加热管以单比例系数P降功率运行，并控制液泵同步降速运行，当温度保护开关反馈管路中温度过热和/或流量计反馈管路中液体流量过小时，MCU控制单元报警，方法结束；当温度保护开关反馈管路中温度正常且流量计反馈管路中液体流量正常时，进入步骤2-3)；
2-3)MCU控制单元根据温度传感器的反馈判断水箱内的实际温度是否达到目标温度，当水箱内的实际温度未达到目标温度时，转至步骤2-2)；当水箱内的实际温度达到目标温度时，转至步骤2-4)；
2-4)第三段：水箱内的实际温度达到目标温度后，管路中温度波动产生水箱内的实际温度与目标温度的温度偏差时，MCU控制单元通过PID算法调整系数以控制液泵的液体流速并通过PID模糊算法调整系数以控制加热管的加热功率；
2-5)MCU控制单元持续通过PID算法调整系数以控制液泵的液体流速并通过PID模糊算法调整系数以控制加热管的加热功率，保持水箱内温度稳定，当温度保护开关反馈管路中温度过热和/或流量计反馈管路中液体流量过小时，MCU控制单元报警，方法结束；当温度保护开关反馈管路中温度正常且流量计反馈管路中液体流量正常时，转至步骤3)；
3)人为决定是否终止水箱加热或MCU判断水箱加热是否结束，若判断为否，则转至步骤2-5)；若判断为是，则方法结束。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明水温及流量的同步PID控制装置和方法，将整个系统的温度控制在目标温度一定范围内之后，液泵工作在低流速的状态，因流速较低水箱内水流扰动小，可增加整个加热过程水温及流量的稳定性和准确性，且水箱内液体散热慢，温度均匀，同时因液泵的工作功率低，整个系统的静音效果也得到改善。本发明水温及流量的同步PID控制装置和方法可控制水箱内的水温快速、精确达到设定值，达到快速稳定水箱液体温度，降低水箱内流体波动的目的。
2、本发明中，加热管使用三段式加热法，以水箱内的实际温度为反馈输入项，前两段使用单比例系数P加热，第三段引入PID模糊算法；液泵先使用大流量填充管路，再配合加热管采用PID算法调整液体流速，以水箱内实际温度与目标温度的温度偏差为反馈输入项，通过对水箱内实际温度与目标温度的温度偏差的判断，液体流速跟随温度偏差实时改变，实现温度控制，以确保水箱内的水温快速准确地达到目标温度。
附图说明
图1为实施例1中水温及流量的同步PID控制装置的结构连接示意图；
图2为实施例2中水温及流量的同步PID控制装置的流程图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：一种水温及流量的同步PID控制装置，如图1所示，包括水箱1、液泵2、加热管3、流量计4、MCU控制单元5、温度保护开关6和温度传感器7，水箱1、液泵2、加热管3、流量计4经管路8依次连接为回路，温度传感器7设置在水箱1的出口端，温度保护开关6设置在加热管3的外壁，MCU控制单元5的低压信号通过固态继电器控制加热管3，MCU控制单元5通过驱动模块控制液泵2，流量计4、温度传感器7和温度保护开关6分别与MCU控制单元5电连接，当水箱1内的实际温度达到设定的目标温度后，管路8中温度波动产生水箱1内的实际温度与目标温度的温度偏差时，MCU控制单元5通过PID算法调整系数以控制液泵2的液体流速并通过PID模糊算法调整系数以控制加热管3的加热功率。
实施例1中，温度传感器7为PT1000温度传感器7；加热管3为220V用电加热管3，具体地，本实施例中，加热管3为陶瓷加热管3，温度保护开关6的保护温度可随着目标温度的范围区间进行选择，进一步提高加热管3使用的安全性；液泵2为24V用电液泵2；温度保护开关6通过导热硅胶贴附固定在加热管3上。
实施例2：利用实施例1的装置实施的水温及流量的同步PID控制方法，如图2所示，该控制方法包括以下步骤：
1)为避免管路8未填充满液体造成加热管3的空烧，MCU控制单元5先控制液泵2全速运行，通过流量计4的反馈判断管路8中液体流量是否异常，若液体流量异常，则MCU控制单元5关闭液泵2，并报警，方法结束；若液体流量正常，则此时液泵2的液体流速达到最大，能最快速度填充管路8，同时MCU控制单元5控制加热管3以单比例系数全功率运行，当温度保护开关6反馈管路8中温度过热(例如，设定90℃为温度过热阈值)和/或流量计4反馈管路8中液体流量过小(例如，设定5mL/s为流量过小阈值)时，MCU控制单元5报警，方法结束；温度保护开关6反馈管路8中温度正常且流量计4反馈管路中液体流量正常时，进入步骤2)；
2)当流量计4检测到管路8中液体流量大于设定的流量阈值时，管路8填充完成，MCU控制单元5分三段控制加热管3工作：
2-1)设定水箱1内的实际温度与目标温度之间允许的温差为ΔT，判断水箱1内的实际温度值与目标温度值的差值是否小于ΔT；
第一段：当水箱1内的实际温度值与目标温度值的差值大于ΔT时，MCU控制单元5控制加热管3以单比例系数P全功率运行，直至水箱1内的实际温度值与目标温度值的差值小于ΔT；
当水箱1内的实际温度值与目标温度值的差值小于ΔT时，进入步骤2-2)；
2-2)第二段：MCU控制单元5控制加热管3以单比例系数P降功率运行，并控制液泵2同步降速运行，此时不使用PID调节的原因是因为PID调节接近目标温度时，为了避免过冲严重，PID调节通常会将加热功率调至较低的水平，而对于水浴加热而言，小幅度的过冲反而会减短水浴加热的时间，加快加热效率和实验效率；当温度保护开关6反馈管路8中温度过热和/或流量计4反馈管路8中液体流量过小时，MCU控制单元5报警，方法结束；当温度保护开关6反馈管路8中温度正常且流量计4反馈管路中液体流量正常时，进入步骤2-3)；
2-3)MCU控制单元5根据温度传感器7的反馈判断水箱1内的实际温度是否达到目标温度，当水箱1内的实际温度未达到目标温度时，转至步骤2-2)；当水箱1内的实际温度达到目标温度时，转至步骤2-4)；
2-4)第三段：水箱1内的实际温度达到目标温度后，管路8中温度波动产生水箱1内的实际温度与目标温度的温度偏差时，MCU控制单元5通过PID算法调整系数以控制液泵2的液体流速并通过PID模糊算法调整系数以控制加热管3的加热功率；本发明中PID算法及PID模糊算法采用现有技术，此处不做详细介绍，其中，比例系数P-比例控制系统的响应，快速作用于输出，实现温度偏差较大时，加大液泵2功率，加快液体在整个系统中的流动，并实现加热管3快速加热，将箱体中液体快速控制在允许范围内；比例系数I-积分控制系统，消除静差，提高实际温度的无差性，注意要及时消除累计误差避免系统的波动过大；比例系数D-微分控制系统，具有超前控制作用，能及时预判温度的变化，从而调整系统的流速，当实际温度波动较大时可使整个系统更加稳定，一旦发现实际温度和目标温度的偏差有变大或变小的趋势，马上增大或减小液泵2的液体流速并与加热管3配合，防止系统温度的过冲和超调；
2-5)MCU控制单元5持续通过PID算法调整系数以控制液泵2的液体流速并通过PID模糊算法调整系数以控制加热管3的加热功率，保持水箱1内温度稳定，当温度保护开关6反馈管路8中温度过热和/或流量计4反馈管路8中液体流量过小时，MCU控制单元5报警，方法结束；当温度保护开关6反馈管路8中温度正常且流量计4反馈管路中液体流量正常时，转至步骤3)；
3)人为决定是否终止水箱1加热或MCU判断水箱1加热是否结束，若判断为否，则转至步骤2-5)；若判断为是，则方法结束。
上述实施方式不应理解为对本发明保护范围的限制。在不脱离本发明精神的情况下，对本发明做出的任何形式的改变均应落入本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种水温及流量的同步PID控制装置，其特征在于，包括水箱、液泵、加热管、流量计、MCU控制单元、温度保护开关和温度传感器，所述的水箱、液泵、加热管、流量计经管路依次连接为回路，所述的温度传感器设置在所述的水箱的出口端，所述的温度保护开关设置在所述的加热管的外壁，所述的MCU控制单元通过固态继电器控制所述的加热管，所述的MCU控制单元通过驱动模块控制所述的液泵，所述的流量计、温度传感器和温度保护开关分别与所述的MCU控制单元电连接，当所述的水箱内的实际温度达到设定的目标温度后，管路中温度波动产生水箱内的实际温度与目标温度的温度偏差时，所述的MCU控制单元通过PID算法调整系数以控制所述的液泵的液体流速并通过PID模糊算法调整系数以控制所述的加热管的加热功率，利用上述装置实施的水温及流量的同步PID控制方法，包括以下步骤：
1)MCU控制单元先控制液泵全速运行，通过流量计的反馈判断管路中液体流量是否异常，若液体流量异常，则MCU控制单元关闭液泵，并报警，方法结束；若液体流量正常，则此时液泵的液体流速达到最大，能最快速度填充管路，同时MCU控制单元控制加热管以单比例系数全功率运行，当温度保护开关反馈管路中温度过热和/或流量计反馈管路中液体流量过小时，MCU控制单元报警，方法结束；当温度保护开关反馈管路中温度正常且流量计反馈管路中液体流量正常时，进入步骤2)；
2)当流量计检测到管路中液体流量大于设定的流量阈值时，管路填充完成，MCU控制单元分三段控制加热管工作：
2-1)设定水箱内的实际温度与目标温度之间允许的温差为ΔT，判断水箱内的实际温度值与目标温度值的差值是否小于ΔT；
第一段：当水箱内的实际温度值与目标温度值的差值大于ΔT时，MCU控制单元控制加热管以单比例系数P全功率运行，直至水箱内的实际温度值与目标温度值的差值小于ΔT；
当水箱内的实际温度值与目标温度值的差值小于ΔT时，进入步骤2-2)；
2-2)第二段：MCU控制单元控制加热管以单比例系数P降功率运行，并控制液泵同步降速运行，当温度保护开关反馈管路中温度过热和/或流量计反馈管路中液体流量过小时，MCU控制单元报警，方法结束；当温度保护开关反馈管路中温度正常且流量计反馈管路中液体流量正常时，进入步骤2-3)；
2-3)MCU控制单元根据温度传感器的反馈判断水箱内的实际温度是否达到目标温度，当水箱内的实际温度未达到目标温度时，转至步骤2-2)；当水箱内的实际温度达到目标温度时，转至步骤2-4)；
2-4)第三段：水箱内的实际温度达到目标温度后，管路中温度波动产生水箱内的实际温度与目标温度的温度偏差时，MCU控制单元通过PID算法调整系数以控制液泵的液体流速并通过PID模糊算法调整系数以控制加热管的加热功率；
2-5)MCU控制单元持续通过PID算法调整系数以控制液泵的液体流速并通过PID模糊算法调整系数以控制加热管的加热功率，保持水箱内温度稳定，当温度保护开关反馈管路中温度过热和/或流量计反馈管路中液体流量过小时，MCU控制单元报警，方法结束；当温度保护开关反馈管路中温度正常且流量计反馈管路中液体流量正常时，转至步骤3)；
3)人为决定是否终止水箱加热或MCU判断水箱加热是否结束，若判断为否，则转至步骤2-5)；若判断为是，则方法结束。
2.根据权利要求1所述的一种水温及流量的同步PID控制装置，其特征在于，所述的温度传感器为PT1000温度传感器，所述的加热管为220V用电加热管，所述的液泵为24V用电液泵。
3.根据权利要求1所述的一种水温及流量的同步PID控制装置，其特征在于，所述的温度保护开关通过导热硅胶贴附固定在所述的加热管上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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