CN203502855U - 一种温度控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种温度控制系统，包括控制器、脉冲信号发生器、驱动器、加热装置和输出传感器，控制器与脉冲信号发生器连接，驱动器与加热装置连接，脉冲信号发生器设置有PDM控制信号输出端，脉冲信号发生器的PDM控制信号输出端与驱动器连接，脉冲信号发生器和加热装置之间设置有用于提取加热装置的电压信号和电流信号的摄动传感器，摄动传感器分别与加热装置和脉冲信号发生器连接；优点是脉冲信号发生器根据加热装置的实时输出功率和控制器的驱动信号产生PDM控制信号输出给驱动器，实现对整个温度控制系统中满度水平变化和参数变化的补偿，因此对控制对象温度的高精度控制可以在没有高精度驱动源的条件下实现。

Description

一种温度控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种温度控制技术，尤其是涉及一种温度控制系统。 

背景技术

现有的脉冲式温度控制系统一般包括控制器、脉冲信号发生器、驱动器、加热装置及输出传感器，控制器的输出端与脉冲信号发生器的输入端连接，脉冲信号发生器的输出端与驱动器的输入端连接，驱动器的输出端与加热装置的输入端连接，加热装置的输出端与控制对象连接，输出传感器的输入端与控制对象连接，输出传感器的输出端与控制器的输入端连接。其工作原理是：控制器的输入端接入目标温度值，输出传感器实时监测控制对象的温度并生成实时温度反馈信号传输给控制器，控制器将温度反馈信号转换为反馈温度值，并将反馈温度值和目标温度值进行比较，根据两者之间的误差生产控制信号驱动脉冲信号发生器生成相应的脉冲控制信号，实时调整控制对象的温度使其与目标温度值保持一致。 

温度控制系统通常是为标称的控制对象而设计的，该标称控制对象中假设有定常的参数。在脉冲式温度控制系统中，对温度的控制是通过调整控制信号的占空比，也就是脉冲控制信号的导通时间与周期的比率来实现的。在控制对象的满度水平（即导通时间期间内传送到加热装置的功率）下，占空比的大小决定了功率的高低。在通常情况下，脉冲信号发生器提供给加热装置的脉冲控制信号可以准确地生成。然而，满度水平的变化及控制对象参数的变化，都是对整个温度控制系统的扰动。如果扰动比控制对象的动力学特性要慢得多并且控制对象的变化很小，那么通常情况下温度控制系统能够纠正由这个变化引起的误差，并有效地减少其影响。然而，如果这个变化很大，那么就会在温度控制系统中产生一个显著的扰动，而如果这个变化很快，即使其很小，也会成为温度控制系统的噪声。虽然对于扰动，增加温度控制系统的鲁棒性可以提高其稳定性，或者压窄温度控制系统的带宽也会让其对系统噪声不敏感，然而所有这些方法都会导致温度控制系统的控制性能的恶化。在需要精确控制的温度控制系统中，需要将控制对象的变化控制在小范围内。然而，为了使 变化较小，除了降低控制对象对影响因素的敏感性以外，还需要高精密的驱动源（驱动器和加热装置），高精密的驱动源和对影响因素不敏感的鲁棒控制对象增加了系统成本，而且有时根本不存在满足要求的高精度的驱动源。 

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种不需采用高精密的驱动源，即可实现对控制对象温度的高精度控制的温度控制系统。 

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种温度控制系统，包括控制器、脉冲信号发生器、驱动器、加热装置和输出传感器，所述的控制器与所述的脉冲信号发生器连接，所述的驱动器与所述的加热装置连接，所述的脉冲信号发生器设置有PDM控制信号输出端，所述的脉冲信号发生器的PDM控制信号输出端与所述的驱动器连接，所述的脉冲信号发生器和所述的加热装置之间设置有用于提取所述的加热装置的电压信号和电流信号的摄动传感器，所述的摄动传感器分别与所述的加热装置和所述的脉冲信号发生器连接。 

所述的脉冲信号发生器由脉冲控制模块和脉冲信号生成模块组成，所述的脉冲信号生成模块包括周期寄存器、周期计数器、导通时间寄存器、导通时间计数器、睡眠时间寄存器、睡眠时间计数器、时钟控制逻辑模块、负载控制逻辑模块和信号控制逻辑模块，所述的脉冲控制模块的信号输出端分别与所述的周期寄存器的信号输入端、所述的导通时间寄存器的信号输入端和所述的睡眠时间寄存器的信号输入端连接，所述的周期寄存器的信号输出端分别与所述的周期计数器的信号输入端和所述的信号控制逻辑模块的信号输入端连接，所述的导通时间寄存器的信号输出端分别与所述的导通时间计数器和所述的信号控制逻辑模块的信号输入端连接，所述的睡眠时间寄存器的信号输出端与所述的睡眠时间计数器的信号输入端连接，所述的周期计数器的信号输出端分别与所述的负载控制逻辑模块和所述的信号控制逻辑模块连接，所述的导通时间计数器的信号输出端与所述的信号控制逻辑模块连接，所述的睡眠时间计数器的信号输出端与所述的时钟控制逻辑模块连接。 

所述的脉冲控制模块包括反馈值计算模块、第一级占空比决定模块、第一级周期决定模块、目标值计算模块、比较器、第二级周期决定模块和第二级导通时间计算模块，所述的反馈值计算模块的信号输入端与所述的摄动传感器的信号输出端和所述的输出 传感器的信号输出端连接，所述的第一级占空比决定模块的信号输入端、所述的第一级周期决定模块的信号输入端和所述的第二级周期决定模块的信号输入端分别与所述的控制器的信号输出端连接，所述的第一级占空比决定模块的信号输出端和所述的第一级周期决定模块的信号输出端分别与所述的目标值计算模块的信号输入端连接，所述的目标值计算模块的信号输出端和所述的反馈值计算模块的信号输出端分别与所述的比较器的信号输入端连接，所述的比较器的信号输出端与所述的第二级导通时间计算模块的信号输入端连接。 

所述的控制器为PID控制器，所述的驱动器为开关控制电路，所述的加热装置为电加热器。 

与现有技术相比，本实用新型的优点在于通过脉冲信号发生器设置有PDM控制信号输出端，脉冲信号发生器的PDM控制信号输出端与驱动器连接，脉冲信号发生器和加热装置之间设置有用于提取加热装置的电压信号和电流信号的摄动传感器，脉冲信号发生器根据摄动传感器的反馈信号得出加热装置的实时输出功率，控制器中设定有目标值，控制器将目标值与输出传感器的反馈值进行比较后得出脉冲信号发生器的驱动信号，脉冲信号发生器根据加热装置的实时输出功率和控制器的驱动信号产生PDM控制信号输出给驱动器，由此构建一个内闭环对温度控制系统中满度水平变化和参数变化的补偿，在这个内闭环的作用下，即使不采用高精密的驱动源，也可实现对控制对象温度的高精度控制；同时，内闭环的引入大大降低了摄动对系统的影响，提高了系统的鲁棒性。 

附图说明

图1为本实用新型的原理框图； 

图2为实施例的结构示意图； 

图3为实施例的脉冲信号发生器的原理框图； 

图4为实施例的脉冲信号生成模块的原理框图； 

图5为实施例的脉冲控制模块的原理框图。 

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。 

实施例：如图1所示，一种温度控制系统，包括控制器1、脉冲信号发生器2、驱动器3、加热装置4和输出传感器5，控制器1为PID控制器，驱动器3为开关控制电路，加热装置4为电加热器，输出传感器5为温度传感器，控制器1与脉冲信号发生器2连接，驱动器3与加热装置4连接，脉冲信号发生器2设置有PDM控制信号输出端，该PDM控制信号输出端与驱动器3连接，脉冲信号发生器2和加热装置4之间设置有用于提取加热装置4的电压信号和电流信号的摄动传感器6，摄动传感器6分别与加热装置4和脉冲信号发生器2连接。 

如图2所示，本实施例中，控制对象为水箱7，加热装置4为加热器，对水箱7中的水8进行加热。本实用新型的温度控制系统的扰动是由所加的电压和电加热器的电阻变换所引起的，该扰动通过摄动传感器6提取电压信号和电流信号后反馈到控制器1和脉冲信号发生器2中进行补偿。 

本实施例中，脉冲信号发生器2由脉冲控制模块22和脉冲信号生成模块21组成，如图3所示。如图4所示，脉冲信号生成模块21包括周期寄存器211、周期计数器212、导通时间寄存器213、导通时间计数器214、负载控制逻辑模块215、信号控制逻辑模块216，睡眠时间寄存器217、睡眠时间计数器218和时钟控制逻辑模块219，脉冲控制模块22的信号输出端分别与周期寄存器211的信号输入端、导通时间寄存器214的信号输入端和睡眠时间寄存器217的信号输入端连接，周期寄存器211的信号输出端分别与周期计数器212的信号输入端和信号控制逻辑模块216的信号输入端连接，导通时间寄存器213的信号输出端分别与导通时间计数器214的信号输入端和信号控制逻辑模块216的信号输入端连接，睡眠时间寄存器217的信号输出端与睡眠时间计数器218的信号输入端连接，周期计数器212的信号输出端分别与负载控制逻辑模块215和信号控制逻辑模块216连接，导通时间计数器214的信号输出端与信号控制逻辑模块216连接，睡眠时间计数器218的信号输出端与时钟控制逻辑模块219连接。 

本实施例中，周期计数器212、导通时间计数器214、负载控制逻辑模块215、信号控制逻辑模块216和睡眠时间计数器218均设置有置位端，时钟控制逻辑模块219分别设置有时钟信号输入端和时钟控制信号输出端，周期计数器212和导通时间计数器214设置有时钟控制信号输入端，负载控制逻辑模块215和信号控制逻辑模块216设置有时钟信号输入端，周期计数器212、导通时间计数器214、负载控制逻辑模块215、信号控制逻辑模块216和睡眠时间计数器218的置位端连接并接入置位信号LD，负载控制逻辑模块215、信号控制逻辑模块216和时钟控制逻辑模块219的时钟信号输入端连接并 接入时钟信号CLK，时钟控制逻辑模块219的时钟控制信号输出端分别与周期计数器212和导通时间计数器214的时钟控制信号输入端连接，时钟控制逻辑模块219的时钟控制信号输出端输出时钟控制信号CLKctrl，周期计数器212的输出信号记为DA，周期寄存器211的输出信号记为DB，导通时间寄存器213的输出信号记为DC，导通时间计数器214的输出信号记为DD。 

本实施例中，周期计数器212、睡眠时间计数器218和导通时间计数器214均为递减计数器，睡眠时间计数器218的最低值被钳位在0。在脉冲信号生成模块21中，一个PDM信号的周期被设定到周期寄存器211中，一个PDM信号的导通时间被设定到导通时间寄存器213中，在控制睡眠时间时，首先将一个PDM周期的睡眠时间保存在睡眠时间寄存器217中，然后在置位信号LD的下降沿，睡眠时间的值被加载到睡眠时间计数器218中并随着时钟信号CLK而递减，当睡眠时间计数器218的计数值达到0时，时钟控制逻辑模块219产生时钟控制信号CLKctrl使能周期计数器212和导通时间计数器214，开始一个PDM周期。在置位信号LD的下降沿，周期寄存器211中的周期值被进一步加载到周期计数器212中，导通时间寄存器213中的导通时间值被进一步加载到导通时间计数器214中。周期计数器212和导通时间计数器214通过时钟控制信号CLKctrl同步。当周期计数器212的计数为零时，在负载控制逻辑模块215中，一个置位信号LD（脉冲信号）伴随着时钟信号CLK而产生，并在该置位信号LD的下降沿开始一个新的周期。信号控制逻辑模块216采用周期计数器212的输出信号DA、周期寄存器211的输出信号DB、导通时间寄存器213的输出信号DC、导通时间计数器214的输出信号DD、置位信号LD和时钟信号CLK来产生PDM信号。 

如图5所示，本实施例中，脉冲控制模块22包括反馈值计算模块221、第一级占空比决定模块222、第一级周期决定模块223、目标值计算模块224、比较器225、第二级周期决定模块226和第二级导通时间计算模块227，反馈值计算模块221的信号输入端与摄动传感器6的信号输出端和输出传感器5的信号输出端连接，第一级占空比决定模块222的信号输入端、第一级周期决定模块223的信号输入端和第二级周期决定模块226的信号输入端分别与控制器1的信号输出端连接，第一级占空比决定模块222的信号输出端和第一级周期决定模块223的信号输出端分别与目标值计算模块224的信号输入端连接，目标值计算模块224的信号输出端和反馈值计算模块221的信号输出端分别与比较器225的信号输入端连接，比较器225的信号输出端与第二级导通时间计算模块227的信号输入端连接。 

Claims (4)

1.一种温度控制系统，包括控制器、脉冲信号发生器、驱动器、加热装置和输出传感器，所述的控制器与所述的脉冲信号发生器连接，所述的驱动器与所述的加热装置连接，其特征在于所述的脉冲信号发生器设置有PDM控制信号输出端，所述的脉冲信号发生器的PDM控制信号输出端与所述的驱动器连接，所述的脉冲信号发生器和所述的加热装置之间设置有用于提取所述的加热装置的电压信号和电流信号的摄动传感器，所述的摄动传感器分别与所述的加热装置和所述的脉冲信号发生器连接。

2.根据权利要求1所述的一种温度控制系统，其特征在于所述的脉冲信号发生器由脉冲控制模块和脉冲信号生成模块组成，所述的脉冲信号生成模块包括周期寄存器、周期计数器、导通时间寄存器、导通时间计数器、睡眠时间寄存器、睡眠时间计数器、时钟控制逻辑模块、负载控制逻辑模块和信号控制逻辑模块，所述的脉冲控制模块的信号输出端分别与所述的周期寄存器的信号输入端、所述的导通时间寄存器的信号输入端和所述的睡眠时间寄存器的信号输入端连接，所述的周期寄存器的信号输出端分别与所述的周期计数器的信号输入端和所述的信号控制逻辑模块的信号输入端连接，所述的导通时间寄存器的信号输出端分别与所述的导通时间计数器和所述的信号控制逻辑模块的信号输入端连接，所述的睡眠时间寄存器的信号输出端与所述的睡眠时间计数器的信号输入端连接，所述的周期计数器的信号输出端分别与所述的负载控制逻辑模块和所述的信号控制逻辑模块连接，所述的导通时间计数器的信号输出端与所述的信号控制逻辑模块连接，所述的睡眠时间计数器的信号输出端与所述的时钟控制逻辑模块连接。

3.根据权利要求2所述的一种温度控制系统，其特征在于所述的脉冲控制模块包括反馈值计算模块、第一级占空比决定模块、第一级周期决定模块、目标值计算模块、比较器、第二级周期决定模块和第二级导通时间计算模块，所述的反馈值计算模块的信号输入端与所述的摄动传感器的信号输出端和所述的输出传感器的信号输出端连接，所述的第一级占空比决定模块的信号输入端、所述的第一级周期决定模块的信号输入端和所述的第二级周期决定模块的信号输入端分别与所述的控制器的信号输出端连接，所述的第一级占空比决定模块的信号输出端和所述的第一级周期决定模块的信号输出端分别与所述的目标值计算模块的信号输入端连接，所述的目标值计算模块的信号输出端和所述的反馈值计算模块的信号输出端分别与所述的比较器的信号输入端连接，所述的比较器的信号输出端与所述的第二级导通时间计算模块的信号输入端连接。

4.根据权利要求1所述的一种温度控制系统，其特征在于所述的控制器为PID控制器，所述的驱动器为开关控制电路，所述的加热装置为电加热器。

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