CN203012544U - 一种智能线性升温温控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种智能线性升温温控装置，该装置包括：铂电阻温度传感器（1）将温度转换为电阻值输出，再利用四线式测电阻方式通过耐高温导线（2）接在数字万用表（3）的四个表头测量端口，数字万用表（3）和数字电源（6）通过GPIB总线（4）与计算机（5）相连接，由计算机远（5）程控制实时采集、保存数据和升温过程，线性升温控制由变参数PID和周期时间内高精度升温速率测量方法的程序控制构成，根据线性升温控制得出的调控电压加在被控对象的电阻加热片（7）上，从而实现对被控对象的线性升温。本实用新型线性升温测控装置具有控制精度高、稳定性好和装置结构简单的优点。

Description

一种智能线性升温温控装置

技术领域

本实用新型涉及自动化温度测控技术领域，特别是一种智能线性升温测控装置，该装置为适用于在物理、化学等实验过程中使用的高精度智能的线性升温测控装置。 

背景技术

线性升温温度控制系统在物理、化学、生物等科学实验环境中应用极为广泛，这就要求有高精度的升温速率。考虑到线性升温装置具有滞后性、时变性和非线性，难以建立该系统的准确数学模型，要实现高精度线性升温控制难度大，因此如果使用常规的线性控制理论，要达到满意的控制效果是非常困难的；另一方面，常规的PID具有简单实用等优点使得在该领域内有了广泛应用，但其弊端是PID参数整定需要经验丰富的工程师完成且花费时间较长，其次当系统受到较强干扰或系统结构发生变化时，容易导致被控变量的反馈值过大，使得输入过多的控制量，进而导致系统超调、较大振荡等现象，甚至发散，导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低；此外，对匀速升温控制系统来说，提高温控系统精度的关键在于提高升温速率采样的精度，传统的方法是尽可能的缩短采集周期，再根据相连采集周期内的两个温度值采样点得到的来保证升温系统的精度，这种仅靠两点获取升温速率精度有限且受到的外界干扰大。 

发明内容

本实用新型的目的是提供一种线性升温速率精度高、抗扰动强的智能线性升温温控系统。 

本实用新型采用的技术方案为：一种智能线性升温温控装置，该装置包括：铂电阻温度传感器，耐高温导线，数字万用表，GPIB总线，计算机，数字电源和电阻加热片，被控对象中的铂电阻温度传感器将温度转换为电阻值输出，再利用四线式测电阻方式通过耐高温导线接在数字万用表的四个表头测量端口，数字万用表通过GPIB总线与计算机相连接，计算机的远程控制进行实时采集和保存温度数据，计算机得出的控制量通过GPIB总线远程控制数字电源的电压输出大小，数字电源反馈调控电压给安装在被控对象的电阻加热片上，从而实现被控对象的线性升温。 

优选的，所述的铂电阻温度传感器为Pt100温度传感器。 

优选的，所述的数字万用表为KEITHLEY2000型数字万用表。 

优选的，所述的数字电源型号为Agilent E3642A。 

本实用新型的优点和积极效果为： 

（1）、本实用新型装置中采用独立的数字万用表和数字电源相对于传统温度测控器的数模和数模部分而言测量精度高、采集速度快，这使得本测控装置比传统的温度控制器的精度要高。 

（2）、本实用新型通过远程控制对数字万用表和数字电源的控制，能够实现快速读取保存数据。 

（3）、本实用新型具有灵敏度高、稳定性好和装置结构简单的优点。 

附图说明

图1为控制系统原理图。 

图2为本发明所述的智能线性升温温控装置结构图。 

图3为周期时间内高精度升温速率测量方法流程图。 

图4为智能线性升温温控流程图。 

图5为三个温度段的线性升温控制效果图。 

图中，1、铂电阻温度传感器，2、耐高温导线，3、数字万用表，4、GPIB总线，5、计算机，6、数字电源，7、电阻加热片。 

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本实用新型。 

一种智能线性升温温控装置，该装置包括：铂电阻温度传感器1，耐高温导线2，数字万用表3，GPIB总线4，计算机5，数字电源6和电阻加热片7，根据图1和图2给出的本实用新型具体装置图组建连接本实施的智能线性测控装置。将热电阻温度传感器(铂电阻)安装在被控对象中，铂电阻温度传感器1将温度转换为电阻值输出，再利用四线式测电阻方式通过耐高温导线2接在数字万用表3的四个表头测量端口，数字万用表3通过GPIB总线4与计算机5相连接，可利用计算机5的远程控制进行实时采集和保存温度数据，线性升温控制部分通过计算机5的软件编程实现，这包括变参数PID和周期时间内高精度升温速率测量方法的程序控制，得出的控制量通过GPIB总线4远程控制数字电源6的电压输出大小，数字电源6反馈调控电压给安装在被控对象的电阻加热片7上，从而实现被控对象的线性升温。本实用新型装置中采用独立的数字万用表3和数字电源6相对于传统温度测控器的数模转换和数模转换部分而言测量精度高、采集速度快，这使得本测控装置的精度比传统的温度控制器要高，另外，通过远程控制对数字多用表和数字电源的控制，能够实现快速读取保存数据。 

实验中所用的仪器分别有温度传感器热敏电阻为Pt100，数字万用表采用KEITHLEY2000型数字万用表，数字电压源为Agilent E3642A，给被控对象加热装置为多个minco电阻加热片，总线接口卡采用台湾凌华的PCI-3488型GPIB总线接口并安装在计算的PCI插槽口上，GPIB总线采用市场上通用的GPIB电缆线。远程控制方面，利用MATLAB软件中仪器控制工具箱(Instrument Control Toolbox)提供的对GPIB总线接口通信的支持，即可利用PC机对数字万用表和数字电源进行远程控制，控制语言为SCPI。 

智能线性升温温控流程图如图4所示，具体为：首先通过计算机远程控制采集温度传感器Pt100的双精度阻值，再根据由于Pt100温度传感器的电阻R_T和温度T之间的关系进行解方程获得相应的温度值，其表达式如下： 

R_T＝R₀(1+3.908×10^-3·T-5.802×10^-7·T²),R₀＝100Ω  (1) 

其次，由计算机控制进行周期时间内多点采集温度与相应地时间数据，再根据现行拟合的方法计算升温速率y，比较设定升温速率R与实际升温速率y的偏差e=R-y，根据设定的变参数PID算法计算调控电压u，调控电压通过远程控制控制数字电源E3642A输出电压的大小，使得电阻加热片产生相应的热量加热被控物体。判断是否达到最高温度，没达到最高温度时，继续采集待温控的装置上的温度信号，否则结束线性升温过程。 

软件控制具体为：对于典型的PID控制器，其输出可表示为： 

$u=K_p(e+\frac{1}{T_i}\∫\mathrm{edt}+T_d\frac{\mathrm{de}}{\mathrm{dt}})---\left(2\right)$

式中偏差e=R-y,R为设定值，y为实际值；K_p为比例增益；K_i=K_p/T_i为积分增益；K_d=K_pT_d为微分增益。由于传统的PID控制器的各参数物理意义明确，工程应用操作也十分方便，但是对于一个PID控制系统，也只有当K_p,K_i,K_d这3个参数适合适当的前提下，才能使系统的过渡过程达到快速、平稳和准确的要求。为此，采用变参数PID控制方法。变参数PID控制方法是根据误差信号e的变化对PID控制器各参数进行在线整定，可以用下列关系式来反应他们的关系： 

$K_p=K_{p0}[1-K_p^{\′}(1-\exp (-0.3e^2))]---\left(3\right)$

$K_i=K_{i0}[1-K_i^{\′}\exp (-0.3{(\∫\mathrm{edt})}^2)]---\left(4\right)$

$K_d=K_{d0}[1-K_d^{\′}\exp (-0.3{\left(\frac{\mathrm{de}}{\mathrm{dt}}\right)}^2)]---\left(5\right)$

式中K′_p、K′_i、K′_d为修正系数，它们主要决定系统稳定时的PID控制器的参数和在线调整 PID控制器参数的快慢程度。将这种方法应用到线性升温系统的控制中，可以增强PID控制的鲁棒性。本系统中相应参数设定值为K_p0=0.5,K_i0=0.4,K_d0=0.4,K′_p=0.4,K′_i=0.2,K′_d=0.2。 

在提高升温速率采样的精度方面，针对传统的通过缩短采集周期以获取升温速率的方法难以提高精度，采用了周期时间内多点采集的线性拟合方法计算升温速率。方案流程图如3所示，首先设定采集周期ts和初始当前时间t₀，然后远程控制采集当前温度值T_i并记录当前时间t_i，计算出采样用去的时间Δt_i=t_i-t₀，并保存T_i和Δt_i；判断采集是否继续，当Δt_i>ts时，采样继续并进行上述循环，否则停止采样；最后根据Δt_i与T_i数据线性拟合计算升温速率y。由于采用了远程控制，数据采集和保存数据快，一般来说采样用去的时间Δt间约为0.01s，本方案中设定采集周期为ts=0.3s，那么周期时间内共有数据点量约有10组，在此基础上利用线性拟合从而为提高计算实时升温速率精度提供了保证。 

图5为利用本实用新型的线性升温装置的控制效果图，该图包括三种不同升温速率的升温情况。根据最小二乘法线性回归方法计算出升温速率分别为0.97℃/min、1.92℃/min、2.90℃/min，这与设定值的相对误差分别为2.8%、3.8%、3.3%，线性相关系数分别为0.99994、0.99999、0.99997，从分析结果可以看出，本装置控制精度高、稳定性好和具有非常优的线性效果。 

Claims (4)

1.一种智能线性升温温控装置，其特征在于：该装置包括：铂电阻温度传感器（1），耐高温导线（2），数字万用表（3），GPIB总线（4），计算机（5），数字电源（6）和电阻加热片（7），被控对象铂电阻温度传感器（1）将温度转换为电阻值输出，再利用四线式测电阻方式通过耐高温导线（2）接在数字万用表（3）的四个表头测量端口，数字万用表（3）通过GPIB总线（4）与计算机（5）相连接，计算机（5）的远程控制进行实时采集和保存温度数据，计算机（5）得出的控制量通过GPIB总线（4）远程控制数字电源（6）的电压输出大小，数字电源（6）反馈调控电压给安装在被控对象的电阻加热片（7）上，从而实现被控对象的线性升温。 

2.根据权利要求1所述的一种智能线性升温温控装置，其特征在于：所述的铂电阻温度传感器（1）为Pt100温度传感器。 

3.根据权利要求1所述的一种智能线性升温温控装置，其特征在于：所述的数字万用表（3）为KEITHLEY2000型数字万用表。 

4.根据权利要求1所述的一种智能线性升温温控装置，其特征在于：所述的数字电源（6）型号为Agilent E3642A。 

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