CN104238592A - 一种快速恒温箱自适应控制方法和控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种快速恒温箱自适应控制方法和控制系统，通过自动温度控制方式控制恒温箱内部温度，可以对温度控制参数进行设定，也可通过算法选定最优温度控制参数，核心控制模块根据通过键盘设定的目标控制温度、实际外界温度和实际内部温度进行温度控制决策与参数整定，不断通过恒温箱内部温度检测模块检测的实际温度进行反馈控制，确保恒温箱内部温度稳态误差满足要求，既有利于提高恒温箱内部温度控制精度和温度控制的稳定性，且有利于后续对自适应控制算法进行改进而不需要改变恒温箱系统的硬件结构。

Description

一种快速恒温箱自适应控制方法和控制系统

技术领域

本发明涉及恒温箱控制技术领域，具体涉及一种快速恒温箱自适应控制方法和控制系统。

背景技术

所谓“自适应”一般是指系统按照环境的变化调整其自身，使得其行为在新的或者已经改变了的环境下达到最好或者至少是容许的特性和功能，这种对环境变化具有适应能力的控制系统称为自适应控制系统。自适应控制系统是采用控制对象特性控制被控参数趋近目标参数的一种控制系统。自适应温度控制系统是利用实际温度与测量温度以及自适应控制方法控制温度逐渐趋近目标温度，实现将被控对象的目标温度控制在特定误差范围内。随着测试计量技术的不断发展，恒温箱在测试计量中的应用越来越广，对恒温箱的温度精度要求越来越高，现有技术中温度控制方法多采用全模拟电路进行控制，虽然在温度稳定性控制方面也达到了一定的水平，但控制精度及实时控制方面还不能满足需求，且不能进行功能设定，因此有必要设计出一种温控速度快、精度高且稳定性好的温度控制系统和控制系统，以实现对恒温箱内部温度的高精度控制，满足更高的应用需求。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明提供一种快速恒温箱自适应控制方法和控制系统，基于该控制系统的控制方法能够实现对恒温箱内部温度的快速高精度自适应控制。

本发明采用的技术方案是：

一种快速恒温箱自适应控制系统，其特征在于，包括核心控制模块、内部温度检测模块、外部温度检测模块、键盘输入模块、信号放大模块、温度控制模块、加热制冷模块、液晶显示模块、通信模块，所述核心控制模块分别连接内部温度检测模块、外部温度检测模块、键盘输入模块、信号放大模块、液晶显示模块和通信模块，所述信号放大模块连接温度控制模块，所述温度控制模块连接加热制冷模块；

所述内部温度检测模块和外部温度检测模块分别用于检测恒温箱内部温度和外部温度，并分别将数字式温度数据传输到核心控制模块；

所述核心控制模块连续采集恒温箱内部、外部温度并根据采集的实际外界温度、实际内部温度和设定的目标控制温度，进行自适应控制，输出控制信号给所述信号放大模块；

所述信号放大模块用于将核心控制模块输出的电压信号进行给定倍数的放大并输出到温度控制模块；所述温度控制模块用于将信号放大模块输出的电压转换为对应功率信号输出到加热制冷模块；所述加热制冷模块用于根据温度控制模块输出的功率信号对恒温箱进行加热或制冷操作，把恒温箱内部温度控制在设定的目标控制温度范围内；

所述键盘输入模块用于设置相关功能和输入数据；所述液晶显示模块用于显示设定温度、实测温度及系统信息；所述通信模块用于与上位机相连，与上位机进行通信。

所述内部温度检测模块包括传感器标定单元，用于校正内部温度传感器精度，所述传感器标定单元根据两个实际检测温度值和两个实际环境温度值，计算温度传感器的实际温度零点和实际温度灵敏度，并标定为后续进行温度控制的温度零点和灵敏度。

所述核心控制模块包括自适应温度控制器，通过自适应控制方式控制恒温箱内部温度，根据检测的恒温箱内外部实际温度差和设定的目标控制温度与恒温箱内部实际温度之差，对温度控制参数进行设定且选定温度控制流程和最优温度控制参数，通过温度控制算法计算并输出相应时刻的控制信号。

一种快速恒温箱自适应控制方法，其特征在于能够根据外部温度和恒温箱内部测试温度，自动完成温度控制参数的自整定，快速完成恒温箱的温度控制，包括如下步骤：

步骤一，快速恒温箱自适应控制系统上电初始化，包括传感器标定、设定目标控制温度和PID控制参数设定；

步骤二，启动温度传感器进行温度检测，测量恒温箱内部实际温度及外部实际温度并将其保存；

步骤三，根据恒温箱内外部温度自动选取合适的控制参数对恒温箱内部实际温度进行自适应控制，根据恒温箱内外部实际温度差和设定的目标控制温度与恒温箱内部实际温度之差，根据预先设定的温度控制参数，计算得出输出控制量，并将其转化为可控制恒温箱内部温度的功率信号，对恒温箱进行加热或制冷操作，把恒温箱内部温度快速控制在设定的目标控制温度范围内；

步骤四，连续采集恒温箱内部实际温度和外部实际温度，进行反馈控制，进而实现对恒温箱内部温度的实时控制和调节。

所述步骤一中，包含温度传感器标定方法，即先在一个温度相对恒定的环境中检测恒温箱内部温度，当检测温度值稳定一段时间后将输入环境温度值和检测温度值进行保存，再在另一个温度相对恒定的环境中检测恒温箱内部温度，当检测温度值稳定一段时间后将输入环境温度值和检测温度值进行保存，然后通过两个实际环境温度和两个实际检测温度计算温度传感器的实际温度零点和实际温度灵敏度并保存到核心控制模块的控制器内部，后续进行温度控制时直接使用该标定后的温度零点和灵敏度。

所述步骤一中，所述温度控制参数设定包括，分别输入恒温箱内部温度和外部温度相差正负5度和正负2度时的温度控制的最佳值，并将这些最佳数值存到核心控制模块的控制器内部，系统运行后会根据恒温箱内外部温度先读取一组最佳控制参数并在后续的温度控制策略中根据恒温箱实际内外部温度差选取合适的温度控制参数用于实际温度控制。

所述步骤三中，通过启动用于温度检测和温度控制频率的定时器A，利用定时器A控制温度检测并实时显示。

所述步骤三中，还包括启动用于温度控制输出的定时器B，所述定时器B调用定时器A处理程序计算实测温度，判断实际控制方式后输出对应的温度控制信号，实现对恒温箱内部温度的实时控制和调节。

所述实际控制方式包括开环控制、闭环控制和改进型双闭环控制。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：

1.本发明提供一种快速恒温箱自适应控制方法，通过改进型温度控制方式控制恒温箱内部温度，可以对温度控制参数进行实时设定，也可通过算法选定最优温度控制参数，核心控制模块根据通过键盘设定的目标控制温度、实测的实际外界温度和实际内部温度进行温度控制决策与参数整定，不断通过恒温箱内部温度检测模块检测的实际温度进行反馈控制，确保恒温箱内部温度稳态误差满足要求，既有利于提高恒温箱内部温度控制精度和温度控制的稳定性，且有利于后续对自适应控制算法进行改进而不需要改变恒温箱系统的硬件结构。

2.本发明提供一种快速恒温箱自适应控制系统，该恒温箱自适应控制系统使用数字式温度传感器检测恒温箱内外部温度，根据检测温度参数和目标控制温度进行自适应控制决策，选择合适的控制参数和控制流程，快速且高效地把恒温箱内部温度控制在设定误差范围内。该控制系统能进行数字式测量和控制，可以通过人机交互系统进行复杂功能设定与控制，满足用户对恒温箱更高的应用需求。

附图说明

图1是快速恒温箱自适应控制系统结构示意图。

图2是快速恒温箱自适应控制方法原理图。

图3是本发明快速恒温箱自适应控制方法步骤框图。

图4是自适应控制程序流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明。

图1是快速恒温箱自适应控制系统结构示意图。如图1所示，本发明提供一种快速恒温箱自适应控制系统，该快速恒温箱自适应控制系统使用数字式温度传感器检测恒温箱内外部温度，根据检测温度参数和目标控制温度进行自适应控制决策，选择合适的控制参数和控制流程，快速且高效地把恒温箱内部温度控制在设定误差范围内。该控制系统能进行数字式测量和控制，可以通过人机交互系统进行复杂功能设定与控制，满足用户对恒温箱更高的应用需求。

本发明提供的快速恒温箱自适应控制系统包括核心控制模块、内部温度检测模块、外部温度检测模块、键盘输入模块、信号放大模块、温度控制模块、加热制冷模块、液晶显示模块、通信模块，核心控制模块分别连接内部温度检测模块、外部温度检测模块、键盘输入模块、信号放大模块、液晶显示模块和通信模块，信号放大模块连接温度控制模块，温度控制模块连接加热制冷模块；内部温度检测模块和外部温度检测模块分别用于检测恒温箱内部温度和外部温度，并分别将数字式温度数据传输到核心控制模块；核心控制模块循环采集恒温箱内部、外部温度并根据采集的实际外界温度、实际内部温度和设定的目标控制温度，进行自适应控制，输出控制信号给所述信号放大模块；信号放大模块用于将核心控制模块输出的电压信号进行特定倍数的放大并输出到温度控制模块；所述温度控制模块用于将信号放大模块输出的电压转换为对应功率信号输出到加热制冷模块；加热制冷模块用于根据温度控制模块输出的功率信号对恒温箱进行加热或制冷操作，把恒温箱内部温度控制在设定的目标控制温度范围内。键盘输入模块用于设置相关功能和输入数据；所述液晶显示模块用于显示设定温度、实测温度及系统信息；所述通信模块用于与上位机相连，与上位机进行通信。

其中，交流电源输入模块将220V交流电输送至控制系统的电源转换模块，电源转换模块将220V交流电转换为直流电源分别给控制系统中的各模块供电；核心控制模块分别连接内部温度检测模块、外部温度检测模块和通信模块；核心控制模块循环采集恒温箱内部、外部温度并显示等待键盘输入模块的响应；核心控制模块在得到键盘输入模块的响应后进行控制温度设定、温度控制参数设定或传感器标定操作，然后进行温度控制；内部温度检测模块包含温度传感器，用于检测恒温箱内部温度，并将数字式温度数据传输到核心控制模块；外部温度检测模块用于检测恒温箱外部温度，即环境温度，并将数字式温度数据传输到核心控制模块；键盘输入模块与核心控制模块相连，用于设置相关功能和输入数据；液晶显示模块与核心控制模块相连，用于显示设定温度、实测温度及系统信息；信号放大模块与核心控制模块和温度控制模块相连，用于将核心控制模块输出的电压值进行特定倍数的放大并输出到温度控制模块；温度控制模块与信号放大模块和加热制冷模块相连，用于将信号放大模块输出的电压转换为对应功率信号输出到加热制冷模块；加热制冷模块与温度控制模块相连，用于利用温度控制模块输出的电压进行加热或制冷操作；上位机与通信模块相连，集成在恒温箱内部，用于处理控制系统中的通信信息。本发明提供的快速恒温箱自适应控制系统在本发明中也可以简称恒温箱自适应系统或恒温箱系统。

图2是快速恒温箱自适应控制方法原理图。其中，r(t)为通过键盘设定的目标温度，e(t)为实测温度与目标温度之差，u(t)为温度控制器输出控制量，y(t)为恒温箱内部实际温度，通过内部温度检测模块检测恒温箱内部实际温度y(t)与通过键盘设定的目标温度r(t)相减得到实测温度与目标温度之差e(t)，进而通过温度控制器计算输出控制量u(t)，恒温箱系统通过实际输出控制量进行相应并受到扰动信号的影响综合为恒温箱内部温度实时变化，再利用内部温度检测模块检测内部温度反馈回输入，如此循环控制恒温箱内部温度。

图3是本发明快速恒温箱自适应控制方法步骤框图。本发明在图2所示的设计原理基础上，形成如图3所示的实现快速恒温箱自适应控制方法的关键步骤：步骤一，快速恒温箱自适应控制系统上电初始化，包括传感器标定、设定目标控制温度和温度控制方式和温度控制参数设定；步骤二，启动温度传感器进行温度检测，测量恒温箱内部温度及外部温度并将其保存；步骤三，采用改进型温度控制方法对恒温箱内部实际温度进行自适应控制，根据恒温箱内外部实际温度差和设定的目标控制温度与恒温箱内部实际温度之差，根据预先设定的温度控制参数，计算得出输出控制量，并将其转化为可控制恒温箱内部温度的功率信号，对恒温箱进行加热或制冷操作，快速把恒温箱内部温度控制在设定的目标控制温度范围内；步骤四，连续采集恒温箱内部实际温度和外部实际温度，进行反馈控制，进而实现对恒温箱内部温度的实时控制和调节。温度控制器根据预先设定的温度控制参数计算得出输出控制量，温度控制模块将其转化为可控制恒温箱内部温度的功率信号；核心控制模块循环采集恒温箱内部、外部温度，不断通过恒温箱内部温度检测模块检测的实测温度进行反馈控制，进而实现对恒温箱内部温度的实时控制和调节。步骤一中，包含温度传感器标定方法；即先在一个温度相对恒定的环境中检测恒温箱内部温度，当检测温度值稳定一段时间后将输入环境温度值和检测温度值进行保存，再在另一个温度相对恒定的环境中检测恒温箱内部温度，当检测温度值稳定一段时间后将输入环境温度值和检测温度值进行保存，然后通过两个实际环境温度和两个实际检测温度计算温度传感器的实际温度零点和实际温度灵敏度并保存到核心控制模块的控制器内部，后续进行温度控制时直接使用该标定后的温度零点和灵敏度。快速恒温箱自适应控制系统上电时所连接的电源为所述电源转换模块提供的直流电源，电源转换模块将220V交流电转换为直流电源分别给控制系统中的其它各模块供电；步骤二中，内部温度检测模块中的温度传感器检测到恒温箱内部温度，并将数字式温度数据传输到核心控制模块；所述外部温度是指外部温度检测模块检测到的环境温度；步骤三中，所述实测温度通过启动核心控制模块中的定时器A，利用定时器A控制温度检测、温度控制频率及实时显示。本发明中所提及的温度控制器(改进型双环PID控制算法)是一个反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，温度控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。

图4是自适应控制程序流程图。如图4所示，快速恒温箱控制系统上电后，控制器开始进行初始设定，设定控制器各端口和集成模块的工作条件和工作方式；进行传感器设定，控制温度设定和温度控制参数设定；DA模块设定并启动DA转换输出；设定LCD液晶显示模块并启动显示；启动温度传感器进行温度检测；启动用于温度检测和温度控制频率的定时器A，设置键盘中断并启动全局中断；利用定时器A控制温度检测并实时显示，以等待人机交互进行键盘设定操作，当键盘设定完成后退出循环等待；根据键盘设定情况重新设置传感器、控制温度和温度控制参数信息并启动用于温度控制输出的定时器B；利用定时器A控制温度检测并调用定时器A处理程序计算实测温度并暂存到内部变量，然后实时利用LCD液晶显示模块显示实测温度，然后开始温度控制操作，判断控制方式为开环控制、闭环控制、改进型双环闭环控制，根据实际控制方式进行对应控制，实现对恒温箱内部温度的实时控制和调节。图4中的脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。

应当指出，以上所述本发明具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书和实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (9)

1.一种快速恒温箱自适应控制系统，其特征在于，包括核心控制模块、内部温度检测模块、外部温度检测模块、键盘输入模块、信号放大模块、温度控制模块、加热制冷模块、液晶显示模块、通信模块，所述核心控制模块分别连接内部温度检测模块、外部温度检测模块、键盘输入模块、信号放大模块、液晶显示模块和通信模块，所述信号放大模块连接温度控制模块，所述温度控制模块连接加热制冷模块；

所述内部温度检测模块和外部温度检测模块分别用于检测恒温箱内部温度和外部温度，并分别将数字式温度数据传输到核心控制模块；

所述核心控制模块循环采集恒温箱内部、外部温度并根据采集的实际外界温度、实际内部温度和设定的目标控制温度，进行自适应控制，输出控制信号给所述信号放大模块；

所述信号放大模块用于将核心控制模块输出的电压信号进行特定倍数的放大并输出到温度控制模块；所述温度控制模块用于将信号放大模块输出的电压转换为对应功率信号输出到加热制冷模块；所述加热制冷模块用于根据温度控制模块输出的功率信号对恒温箱进行加热或制冷操作，把恒温箱内部温度控制在设定的目标控制温度范围内；

所述键盘输入模块用于设置相关功能和输入数据；所述液晶显示模块用于显示设定温度、实测温度及系统信息；所述通信模块用于与上位机相连，与上位机进行通信。

2.根据权利要求1所述的一种快速恒温箱自适应控制系统，其特征在于，所述内部温度检测模块包括传感器标定单元，用于校正内部温度传感器精度，所述传感器标定单元根据两个实际检测温度值和两个实际环境温度值，计算温度传感器的实际温度零点和实际温度灵敏度，并标定为后续进行温度控制的温度零点和灵敏度。

3.根据权利要求1所述的一种快速恒温箱自适应控制系统，其特征在于，所述核心控制模块包括自适应温度控制器，通过自适应控制方式控制恒温箱内部温度，根据检测的恒温箱内外部实际温度差和设定的目标控制温度与恒温箱内部实际温度之差，对温度控制参数进行设定且选定温度控制流程和最优温度控制参数，通过温度控制算法计算并输出相应时刻的控制信号。

4.一种快速恒温箱自适应控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，快速恒温箱自适应控制系统上电初始化，包括传感器标定、设定目标控制温度和PID控制参数设定；

步骤二，启动温度传感器进行温度检测，测量恒温箱内部实际温度及外部实际温度并将其保存；

步骤三，采用温度控制算法对恒温箱内部实际温度进行自适应控制，根据恒温箱内外部实际温度差和设定的目标控制温度与恒温箱内部实际温度之差，根据预先设定的温度控制参数，计算得出输出控制量，并将其转化为可控制恒温箱内部温度的功率信号，对恒温箱进行加热或制冷操作，把恒温箱内部温度控制在设定的目标控制温度范围内；

步骤四，连续采集恒温箱内部实际温度和外部实际温度，进行反馈控制，进而实现对恒温箱内部温度的实时控制和调节。

5.根据权利要求4所述的一种快速恒温箱自适应控制方法，其特征在于，所述步骤一中，包含温度传感器标定方法，即先在一个温度相对恒定的环境中检测恒温箱内部温度，当检测温度值稳定一段时间后将输入环境温度值和检测温度值进行保存，再在另一个温度相对恒定的环境中检测恒温箱内部温度，当检测温度值稳定一段时间后将输入环境温度值和检测温度值进行保存，然后通过两个实际环境温度和两个实际检测温度计算温度传感器的实际温度零点和实际温度灵敏度并保存到核心控制模块的控制器内部，后续进行温度控制时直接使用该标定后的温度零点和灵敏度。

6.根据权利要求4所述的一种快速恒温箱自适应控制方法，其特征在于，所述步骤一中，所述温度控制参数设定包括，分别输入恒温箱内部温度和外部温度相差正负5度和正负2度时的温度控制参数的最佳值，并将这些最佳数值存到核心控制模块的控制器内部，系统运行时先读取最佳温度控制参数并根据实际内外部温度差选取合适温度控制数值用于实际温度控制。

7.根据权利要求4所述的一种快速恒温箱自适应控制方法，其特征在于，所述步骤三中，通过启动用于温度检测和温度控制频率的定时器A，利用定时器A控制温度检测并实时显示。

8.根据权利要求4所述的一种快速恒温箱自适应控制方法，其特征在于，所述步骤三中，还包括启动用于温度控制输出的定时器B，所述定时器B调用定时器A处理程序计算实测温度，判断实际控制方式后输出对应的温度控制控制信号，实现对恒温箱内部温度的实时控制和调节。

9.根据权利要求4所述的一种快速恒温箱自适应控制方法，其特征在于，所述实际控制方式包括开环控制、闭环控制、改进型双环闭环控制。