CN117450631A - 一种基于数字图像相关算法的实验室控温系统 - Google Patents

一种基于数字图像相关算法的实验室控温系统 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于数字图像相关算法的实验室控温系统，属于实验室控温系统技术领域；包括数字控制模块，是控温系统的核心，对数据的接收，执行，输出实现控温的效果，可以接收温度的指令，根据指令及环境温度进行温度指定值的调节，用于接收到执行模块的指令后进行执行动，利用加热原件实现，用于将温度信号转换为标准信号，且可以进行传输，处理及监控，是数字控制模块到加热模块的中转站，位置式控制器在系统运行的过程中，可以通过积分调节使系统消除稳态误差，提高无差度，且微分调节反应系统偏差信号的变化率，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，可改善系统的动态性能。

Description

一种基于数字图像相关算法的实验室控温系统
技术领域
本申请涉及实验室控温系统技术领域，更具体地说，涉及一种基于数字图像相关算法的实验室控温系统。
背景技术
控温系统技术是对建筑物内部的温度进行自动控制已达到所需温度的技术。
现有技术公开号为CN115013949A的文献提供一种基于图像识别的室内温度控制系统与方法，该装置通过控制终端，以及与控制终端电性连接的检测终端和调温终端，所述控制终端包括图像获取模块、对象识别模块、建筑识别模块、方案匹配模块和控制传输模块，所述检测终端包括图像收录模块和温度检测模块，所述调温终端包括空调模块和地暖模块；所述图像收录模块用于实时拍摄室内的图像并传输至图像获取模块，所述温度检测模块用于实时检测室温，所述图像获取模块用于接收并存储来自图像收录模块的室内图像，所述对象识别模块用于根据室内图像识别出室内的对象，所述建筑识别模块用于根据室内图像识别出建筑类型，所述方案匹配模块用于根据室内的对象和建筑类型在预设的控制方案数据库中匹配对应的控制方案，所述控制传输模块用于将控制方案传输至空调模块和地暖模块。
上述中的现有技术方案虽然通过现有技术的结构可以实现与有关的有益效果，但是仍存在以下缺陷：系统在使用时，由于温度的不同及因素的影响会出现不同，在调节过程中系统会出现偏差进行调整，会导致系统稳定性下降，甚至造成系统不稳定的情况。
鉴于此，我们提出一种基于数字图像相关算法的实验室控温系统。
发明内容
1.要解决的技术问题
本申请的目的在于提供一种基于数字图像相关算法的实验室控温系统的方法，解决了上述背景技术中的系统在使用时，由于温度的不同及因素的影响会出现不同，在调节过程中系统会出现偏差进行调整，会导致系统稳定性下降，甚至造成系统不稳定的情况的技术问题，实现了技术效果。
2.技术方案
本申请技术方案提供了一种基于数字图像相关算法的实验室控温系统，包括：
数字控制模块，是控温系统的核心，对数据的接收，执行，输出实现控温的效果；
执行模块，可以接收温度的指令，根据指令及环境温度进行温度指定值的调节；
加热模块，用于接收到执行模块的指令后进行执行动，利用加热原件实现；
温度变送模块，用于将温度信号转换为标准信号，且可以进行传输，处理及监控，是数字控制模块到加热模块的中转站。
其中所述加热模块还包括PID控制算法和自诊断加热算法，所述控制算法由数字控制模块实现，且通过实际的实验室温度和温度值来调整加热的功率，所述自诊断加热算法中控制所述加热流体和冷却流体的阀门的开关开启程度相同，在所述PID控制算法执行过程大于第一时间阈值且所述温度的监测数值在一固定时间段内的平均温度的波动小于第一温度阈值时，PID控制算法切换到所述自诊断加热算法并持续第二时间阈值后获取最新温度数值，如果该最新温度数值与所述平均温度的差值小于第二温度阈值时，则所述加热和冷却设备自校验通过并切换至PID控制算法，否则进行警报停机。
通过采用上述技术方案，位置式控制器在系统运行的过程中，可以通过积分调节使系统消除稳态误差，提高无差度，且微分调节反应系统偏差信号的变化率，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，可改善系统的动态性能。
作为本申请文件技术方案的一种可选方案，所述数字控制模块包括
数据采集单元，用于对实验室环境温度的获取，并将其转换为信号进行传输；
温控计时单元，对与当前实验室内温度及给定温度获得温度差后，在一定时间范围内达到给定值并将其转化为控制信号输出；
储存单元，对温度数据、控制参数、温度状态等数据进行记录储存；
用户单元，可以实时的对实验室温度，设备温度的达到，或参数的设置进行监控。
通过采用上述技术方案，通过数字控制模块对温度的升温范围及升温时间进行加入限制，进行整体的控制。
作为本申请文件技术方案的一种可选方案，所述执行模块可通过加热或冷却设备进行实现温度的调节执行；
还包括阀门，可以通过加热或冷却中流体的流动或流量进行控制温度的变化；
温度传感器，可以对执行时的温度进行及时的收集，并反馈到数字控制模块进行调整；
熔断器，用于过载保护，到电流达到一定值时熔断器会断开电路进行保护设备。
作为本申请文件技术方案的一种可选方案，所述加热模块通过加热元件进行；
所述加热元件包含加热电阻、加热板等；
所述加热模块还包括控制算法，所述控制算法由数字控制模块实现，且通过实际的实验室温度和温度值来调整加热的功率。
通过采用上述技术方案，可以实际的对负责对温度的条件控制，通过操作加热，冷却等来完成实际的调节，并通过设置熔断器对设备进行过载保护，防止出现给定值与室内温差较大，且又需要在一定时间内完成而出现电流较大的情况。
作为本申请文件技术方案的一种可选方案，所述控制算法利用PID控制进行，所述PID控制能改善系统在调节过程中的动态特性，PID控制的位置型控制可以计算比例、积分和微分项来生成控制输出。包括：
位置型控制公式如下：
位置型的递推公式：
u(n)＝u(n-1)+Δu(n)＝u(n-1)+a0e(n)+a1e(n-1)+a2e(n-2)。
作为本申请文件技术方案的一种可选方案，所述PID控制还包括增量型控制，可以可以减少控制器对系统初始状态的依赖，使得控制更为稳定，其增量型控制公式如下：
增量型PID算法的算式：Δu(n)＝a0e(n)+a1e(n-1)+a2e(n-2)；
式中
通过采用上述技术方案，可以让对温度的调整进行较为精确的控制，使得温度可以维持在设定的范围内，同时可以快速的进行温度调整的反应，忽略维持时间。
作为本申请文件技术方案的一种可选方案，所述温度变送模块的功能包括信号转换，将获取的温度转换为标准的信号进行传输；
信号线性化，可以对温度信号进行线性化转换；
信号补偿校正，可以根据环境等因素的影响，对信号进行处理，提高温度的准确性；
信号隔离，可以隔离其他设备信号的干扰，让系统进行稳定的运行。
通过采用上述技术方案，不仅可以提供准确的温度信号，让温度可以准确的达到预定值，提高了调节的可靠性。
3.有益效果
本申请技术方案中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1、本申请通过PID控制算法和自校验算法的切换可以使得无需借助外部校验设备，也无需停机就可以实现内部的加热和冷却设备的自校验，大大提高了工作效率，也减少了操作的繁琐性。
2、本申请通过位置式控制器在系统运行的过程中，可以通过积分调节使系统消除稳态误差，提高无差度，且微分调节反应系统偏差信号的变化率，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，可改善系统的动态性能。
附图说明
图1为本申请一较佳实施例公开的基于数字图像相关算法的实验室控温系统的整体示意图；
图2为本申请一较佳实施例公开的基于数字图像相关算法的实验室控温系统的数字控制模块示意图；
图3为本申请一较佳实施例公开的基于数字图像相关算法的实验室控温系统的执行模块硬件配置示意图；
具体实施方式
以下结合说明书附图对本申请作进一步详细说明。
参照图1，本申请实施例提供了一种基于数字图像相关算法的实验室控温系统，包括：
数字控制模块，是控温系统的核心，对数据的接收，执行，输出实现控温的效果；
执行模块，可以接收温度的指令，根据指令及环境温度进行温度指定值的调节；
加热模块，用于接收到执行模块的指令后进行执行动，利用加热原件实现；
温度变送模块，用于将温度信号转换为标准信号，且可以进行传输，处理及监控，是数字控制模块到加热模块的中转站。
位置式控制器在系统运行的过程中，可以通过积分调节使系统消除稳态误差，提高无差度，且微分调节反应系统偏差信号的变化率，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，可改善系统的动态性能。
其中所述加热模块还包括PID控制算法和自诊断加热算法，所述控制算法由数字控制模块实现，且通过实际的实验室温度和温度值来调整加热的功率，所述自诊断加热算法中控制所述加热流体和冷却流体的阀门的开关开启程度相同，在所述PID控制算法执行过程大于第一时间阈值且所述温度的监测数值在一固定时间段内的平均温度的波动小于第一温度阈值时，PID控制算法切换到所述自诊断加热算法并持续第二时间阈值后获取最新温度数值，如果该最新温度数值与所述平均温度的差值小于第二温度阈值时，则所述加热和冷却设备自校验通过并切换至PID控制算法，否则进行警报停机。
该种设计使得无需借助外部校验设备，也无需停机就可以实现内部的加热和冷却设备的自校验。
参照图2，本申请实施例提供了一种基于数字图像相关算法的实验室控温系统，所述数字控制模块包括：
数据采集单元，用于对实验室环境温度的获取，并将其转换为信号进行传输；
温控计时单元，对与当前实验室内温度及给定温度获得温度差后，在一定时间范围内达到给定值并将其转化为控制信号输出；
储存单元，对温度数据、控制参数、温度状态等数据进行记录储存；
用户单元，可以实时的对实验室温度，设备温度的达到，或参数的设置进行监控。
通过数字控制模块对温度的升温范围及升温时间进行加入限制，进行整体的控制。
参照图3，本申请实施例提供了一种基于数字图像相关算法的实验室控温系统，所述执行模块可通过加热或冷却设备进行实现温度的调节执行；
还包括阀门，可以通过加热或冷却中流体的流动或流量进行控制温度的变化；
温度传感器，可以对执行时的温度进行及时的收集，并反馈到数字控制模块进行调整；
熔断器，用于过载保护，到电流达到一定值时熔断器会断开电路进行保护设备。
所述加热模块通过加热元件进行；
所述加热元件包含加热电阻、加热板等；
所述加热模块还包括控制算法，所述控制算法由数字控制模块实现，且通过实际的实验室温度和温度值来调整加热的功率。
可以实际的对负责对温度的条件控制，通过操作加热，冷却等来完成实际的调节，并通过设置熔断器对设备进行过载保护，防止出现给定值与室内温差较大，且又需要在一定时间内完成而出现电流较大的情况。
所述控制算法利用PID控制进行，所述PID控制能改善系统在调节过程中的动态特性，PID控制的位置型控制可以计算比例、积分和微分项来生成控制输出。包括：
位置型控制公式如下：
位置型的递推公式：
u(n)＝u(n-1)+Δu(n)＝u(n-1)+a0e(n)+a1e(n-1)+a2e(n-2)。
所述PID控制还包括增量型控制，可以可以减少控制器对系统初始状态的依赖，使得控制更为稳定，其增量型控制公式如下：
增量型PID算法的算式：Δu(n)＝a0e(n)+a1e(n-1)+a2e(n-2)；
式中
可以让对温度的调整进行较为精确的控制，使得温度可以维持在设定的范围内，同时可以快速的进行温度调整的反应，忽略维持时间。
所述温度变送模块的功能包括信号转换，将获取的温度转换为标准的信号进行传输；
信号线性化，可以对温度信号进行线性化转换；
信号补偿校正，可以根据环境等因素的影响，对信号进行处理，提高温度的准确性；
信号隔离，可以隔离其他设备信号的干扰，让系统进行稳定的运行。
不仅可以提供准确的温度信号，让温度可以准确的达到预定值，提高了调节的可靠性。
当需要该基于数字图像相关算法的实验室控温系统时，首先，输入需要控制温度的数值，通过数据采集单元，利用传感器对室内温度进行收集，转换为电信号达到数字控制模块发出指令，进行控制温度与室内温度的比较分析计算两者的差值，对与当前实验室内温度及给定温度获得温度差后，在一定时间范围内达到给定值并将其转化为控制信号输出，同时对温度数据、控制参数、温度状态等数据进行记录储存；
此时，信号输出后通过控制算法利用PID控制进行算法计算，PID控制的位置型控制可以计算比例、积分和微分项来生成控制输出。
位置型的递推公式：u(n)＝u(n-1)+Δu(n)＝u(n-1)+a0e(n)+a1e(n-1)+a2e(n-2)。增量型控制，可以可以减少控制器对系统初始状态的依赖，使得控制更为稳定，
增量型PID算法的算式：Δu(n)＝a0e(n)+a1e(n-1)+a2e(n-2)；
式中
可以让对温度的调整进行较为精确的控制，使得温度可以维持在设定的范围内，同时可以快速的进行温度调整的反应，忽略维持时间，此时可以计算比例、积分和微分项来生成控制输出，通过加热或冷却设备进行温度的调节执行，在进行调整后，通过温度传感器，可以对执行时的温度进行及时的收集，并反馈到数字控制模块进行调整，保证温度的稳定性。
上述过程中本申请通过PID控制算法和自校验算法的切换可以使得无需借助外部校验设备，也无需停机就可以实现内部的加热和冷却设备的自校验，大大提高了工作效率，也减少了操作的繁琐性。

Claims (7)

1.一种基于数字图像相关算法的实验室控温系统，其特征在于：包含：
数字控制模块，是控温系统的核心，对数据的接收，执行，输出实现控温的效果；
执行模块，可以接收温度的指令，根据指令及环境温度进行温度指定值的调节；
加热模块，用于接收到执行模块的指令后进行执行动作，利用加热元件实现；
温度变送模块，用于将温度信号转换为标准信号，且可以进行传输，处理及监控，是数字控制模块到加热模块的中转站；
所述数字控制模块包括数据采集单元，用于对实验室环境温度的获取，并将其转换为信号进行传输；温控计时单元，对与当前实验室内温度及给定温度获得温度差后，在一定时间范围内达到给定值并将其转化为控制信号输出,用户单元，可以实时的对实验室温度，设备温度的达到，或参数的设置进行监控；
所述执行模块可通过加热或冷却设备进行实现温度的调节执行,还包括阀门，可以通过加热或冷却中流体的流动或流量进行控制温度的变化,温度传感器，可以对执行时的温度进行及时的收集，并反馈到数字控制模块进行调整；
其中所述加热模块还包括PID控制算法和自诊断加热算法，所述控制算法由数字控制模块实现，且通过实际的实验室温度和温度值来调整加热的功率，所述自诊断加热算法中控制所述加热流体和冷却流体的阀门的开关开启程度相同，在所述PID控制算法执行过程大于第一时间阈值且所述温度的监测数值在一固定时间段内的平均温度的波动小于第一温度阈值时，PID控制算法切换到所述自诊断加热算法并持续第二时间阈值后获取最新温度数值，如果该最新温度数值与所述平均温度的差值小于第二温度阈值时，则所述加热和冷却设备自校验通过并切换至PID控制算法，否则进行警报停机。
2.根据权利要求1所述的基于数字图像相关算法的实验室控温系统，其特征在于：所述数字控制模块包括储存单元，对温度数据、控制参数、温度状态数据进行记录储存。
3.根据权利要求1所述的基于数字图像相关算法的实验室控温系统，其特征在于：熔断器，用于过载保护，到电流达到一定值时熔断器会断开电路进行保护设备。
4.根据权利要求1所述的基于数字图像相关算法的实验室控温系统，其特征在于：所述加热模块通过加热元件进行；
所述加热元件包含加热电阻、加热板。
5.根据权利要求4所述的基于数字图像相关算法的实验室控温系统，其特征在于：所述控制算法利用PID控制进行，所述PID控制能改善系统在调节过程中的动态特性，PID控制的位置型控制可以计算比例、积分和微分项来生成控制输出，包括：
位置型控制公式如下：
位置型的递推公式：
u(n)＝u(n-1)+Δu(n)＝u(n-1)+a0e(n)+a1e(n-1)+a2e(n-2)。
6.根据权利要求5所述的基于数字图像相关算法的实验室控温系统，其特征在于：所述PID控制还包括增量型控制，可以可以减少控制器对系统初始状态的依赖，使得控制更为稳定，其增量型控制公式如下：
增量型PID算法的算式：Δu(n)＝a0e(n)+a1e(n-1)+a2e(n-2)；
式中
7.根据权利要求1所述的基于数字图像相关算法的实验室控温系统，其特征在于：所述温度变送模块的功能包括信号转换，将获取的温度转换为标准的信号进行传输；
信号线性化，可以对温度信号进行线性化转换；
信号补偿校正，可以根据环境因素的影响，对信号进行处理，提高温度的准确性；
信号隔离，可以隔离其他设备信号的干扰，让系统进行稳定的运行。
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