CN118444724B - 一种基于驱动电路的pid温控系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于驱动电路的PID温控系统，属于温度控制领域，包括获取目标环境温度、历史环境温度以及天气预测结果，同时，通过温度传感器实时监测实际环境温度以及实际天气温度；基于目标环境温度、历史环境温度、天气预测结果、实际环境温度以及实际天气温度生成PID控制信号；基于控制信号调节驱动电路实现温度控制。可以更准确地预测和响应环境温度和天气温度变化，从而实现更精准、更智能的实时温度控制，提高系统的响应速度，减少温度波动，动态调整PID控制信号，避免能源浪费，降低能耗成本，提高系统的稳定性、适应性和灵活性。

Description

一种基于驱动电路的PID温控系统

技术领域

本发明涉及温度控制技术领域，尤其涉及一种基于驱动电路的PID温控系统。

背景技术

温控是通过环境或设备的温度来维持特定温度范围内的稳定性，在工业生产的化工反应、加热/冷却过程、材料处理中确保生产过程稳定性和产品质量；生物医药的实验室设备、生物反应器、医疗仪器中保持生物样本或生物反应的稳定温度；以及食品加工确保食品的质量和安全等领域都有广泛应用，然而，目前的温控系统存在能源利用率低，且温度控制不精准、不稳定，系统的适应性和灵活性差。

发明内容

本发明提供一种基于驱动电路的PID温控系统，用以解决现有技术中温度控制的缺陷。

本发明提供一种基于驱动电路的PID温控系统，包括：

监测模块：获取目标环境温度、历史环境温度以及天气预测结果，同时，通过温度传感器实时监测实际环境温度以及实际天气温度；

控制模块：基于目标环境温度、历史环境温度、天气预测结果、实际环境温度以及实际天气温度生成PID控制信号；

调节模块：基于控制信号调节驱动电路实现温度控制；

控制模块包括：

周期单元：基于PID控制器的时间窗口确定基本时间周期，基于基本时间周期、目标环境温度以及实际天气温度计算PID温控系统的实时时间周期T2；

；

其中，T1表示基本时间周期，表示基本时间周期基于系统响应时间和系统稳定性的第一调节系数，表示基本时间周期基于实际天气温度的第二调节系数，表示t时刻的实际天气温度，表示目标环境温度；

提取单元：提取实时时间周期内的N1个时刻的历史环境温度；

控制模块还包括：

计算单元：计算实际环境温度与目标环境温度的温度误差，若温度误差大于PID温控系统的容差，则基于目标环境温度、实时时间周期内的N1个时刻的历史环境温度、实际环境温度以及实际天气温度计算PID控制信号；

否则，判定PID温控系统不进行调节；

计算单元包括：

其中，表示PID控制信号的比例项，表示PID控制信号的积分项，表示PID控制信号的微分项，分别表示比例增益、积分增益、微分增益，表示t时刻的实际环境温度，表示t时刻实际环境温度与目标环境温度的温度误差，表示t时刻实际天气温度的天气比例增益，表示t时刻实际天气温度的天气积分增益，表示t时刻实际天气温度的天气微分增益，N1表示基本时间周期内的时刻数量，表示实时时间周期内i时刻历史环境温度与目标环境温度的温度误差，且，表示实时时间周期内每两个相邻时刻的时间间隔，表示t-1时刻实际环境温度与目标环境温度的温度误差，表示t时刻的PID控制信号。

根据本发明提供的一种基于驱动电路的PID温控系统，历史环境温度包括基于温度传感器监测的当前时刻之前的历史周期内所有时刻下的环境温度；

天气预测结果包括当前时刻和当前时刻之后的预测周期内的预测天气温度。

根据本发明提供的一种基于驱动电路的PID温控系统，所述控制模块，还包括：

分析单元：计算目标环境温度与实际天气温度的差值，分析天气预测结果确定天气变化率；

容差单元：基于目标环境温度与实际天气温度的差值、天气变化率确定PID温控系统的容差。

根据本发明提供的一种基于驱动电路的PID温控系统，所述调节模块，包括：

放大单元：基于PID控制器的输出信号类型以及驱动电路需求计算放大倍数，基于放大倍数对PID控制信号进行放大；

转换单元：将放大后的PID控制信号输入到驱动电路中，基于PID控制器的输出信号类型以及驱动电路的信号类型对放大后的PID控制信号进行转换确定第一信号。

根据本发明提供的一种基于驱动电路的PID温控系统，所述调节模块，包括：

第一调节单元：驱动电路基于第一信号确定功率调整值，基于功率调整值调节温控系统的输出功率；

第二调节单元：基于功率调整值以及温控系统的实际调整值调节第一信号实现温控系统的温度控制。

与现有技术相比，本申请的有益效果如下：

通过目标环境温度、历史环境温度、天气预测结果、实际环境温度以及实际天气温度生成PID控制信号，并根据PID控制信号调节驱动电路实现对环境的温度控制，可以更准确地预测和响应环境温度和天气温度变化，从而实现更精准、更智能的实时温度控制，提高系统的响应速度，减少温度波动，动态调整PID控制信号，避免能源浪费，降低能耗成本，提高系统的稳定性、适应性和灵活性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于驱动电路的PID温控系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本发明实施例提供一种基于驱动电路的PID温控系统，如图1所示，包括：

监测模块：获取目标环境温度、历史环境温度以及天气预测结果，同时，通过温度传感器实时监测实际环境温度以及实际天气温度；

控制模块：基于目标环境温度、历史环境温度、天气预测结果、实际环境温度以及实际天气温度生成PID控制信号；

调节模块：基于控制信号调节驱动电路实现温度控制；

控制模块包括：

周期单元：基于PID控制器的时间窗口确定基本时间周期，基于基本时间周期、目标环境温度以及实际天气温度计算PID温控系统的实时时间周期T2；

；

其中，T1表示基本时间周期，表示基本时间周期基于系统响应时间和系统稳定性的第一调节系数，表示基本时间周期基于实际天气温度的第二调节系数，表示t时刻的实际天气温度，表示目标环境温度；

提取单元：提取实时时间周期内的N1个时刻的历史环境温度；

控制模块还包括：

计算单元：计算实际环境温度与目标环境温度的温度误差，若温度误差大于PID温控系统的容差，则基于目标环境温度、实时时间周期内的N1个时刻的历史环境温度、实际环境温度以及实际天气温度计算PID控制信号；

否则，判定PID温控系统不进行调节；

计算单元包括：

其中，表示PID控制信号的比例项，表示PID控制信号的积分项，表示PID控制信号的微分项，分别表示比例增益、积分增益、微分增益，表示t时刻的实际环境温度，表示t时刻实际环境温度与目标环境温度的温度误差，表示t时刻实际天气温度的天气比例增益，表示t时刻实际天气温度的天气积分增益，表示t时刻实际天气温度的天气微分增益，N1表示基本时间周期内的时刻数量，表示实时时间周期内i时刻历史环境温度与目标环境温度的温度误差，且，表示实时时间周期内每两个相邻时刻的时间间隔，表示t-1时刻实际环境温度与目标环境温度的温度误差，表示t时刻的PID控制信号。

该实施例中，目标环境温度表示所述环境基于驱动电路的PID温控系统控制环境达到的目标温度值。

该实施例中，实际环境温度表示实时监测的所述环境的实际温度。

该实施例中，实际天气温度表示所述环境所在地的天气温度，例如，在夏季炎热天气中，如果实际天气温度较高，系统可能需要更加积极地降低室内温度以保持舒适性。

该实施例中，基本时间周期表示PID温控系统每两次进行调节的平均时间间隔。

该实施例中，实时时间周期表示根据系统响应时间、系统稳定性以及实际天气温度对基本时间周期的影响计算的当前时刻的实时时间周期。

该实施例中，不同实时时间周期内每两个相邻时刻的历史环境温度之间的时间间隔不同。该实施例中，PID控制信号表示PID控制器根据目标环境温度、历史环境温度、天气预测结果、实际环境温度以及实际天气温度计算得出的输出信号，用于调节驱动电路实现温控系统对温度的精确控制，PID控制信号可以是数值信号也可以是模拟信号。

该实施例中，驱动电路表示用于加热或冷却的不同类型的电路。其中，加热驱动电路可以通过电阻加热、继电器控制加热元件以及晶体管或可控硅来调节加热元件的电流等，冷却驱动电路可以通过风扇增加空气流动、Peltier元件控制电流方向以及制冷剂循环系统等。

该实施例中，第二调节系数表示实时时间周期基于实际天气温度在基本时间周期基础上的调节系数，假设目标环境温度为24度，实际环境温度为27度，实际天气温度为30度相比实际温度为35度，天气对环境温度的影响较小，环境温度上升速度较慢，PID温控系统对环境温度的控制周期更短。

该实施例中，温度误差表示当前时刻的实际环境温度与目标环境温度的差值。

该实施例中，容差表示实际环境温度与目标环境温度之间的误差阈值。

该实施例中，若某时刻实际环境温度与目标环境温度之间的误差超过容差，则启动PID控制器调节控制输出，使实际环境温度接近目标环境温度。实际环境温度再次在容差内保持稳定后，控制器暂时停止调节，直到下一次实际环境温度与目标环境温度之间的误差超过容差发生。

该实施例中，若某时刻实际环境温度与目标环境温度之间的误差没有超过容差，则不启动PID控制器调节控制输出。

该实施例中，表示t时刻实际天气温度与目标环境温度的绝对温度差值。

该实施例中，、、分别表示PID控制信号的综合比例增益、综合积分增益、综合微分增益。

该实施例中，天气比例增益、天气积分增益、天气微分增益为正值时，实际天气温度与目标环境温度差的升高将增加控制输出；天气比例增益、天气积分增益、天气微分增益为正值增益为负值时，实际天气温度与目标环境温度差的升高的升高将减少控制输出。

上述技术方案的有益效果：通过目标环境温度、历史环境温度、天气预测结果、实际环境温度以及实际天气温度生成PID控制信号，并根据PID控制信号调节驱动电路实现对环境的温度控制，可以更准确地预测和响应环境温度和天气温度变化，从而实现更精准、更智能的实时温度控制，提高系统的响应速度，减少温度波动，动态调整PID控制信号避免能源浪费，降低能耗成本，提高系统的稳定性、适应性和灵活性。

实施例2：

本发明实施例提供一种基于驱动电路的PID温控系统，历史环境温度包括基于温度传感器监测的当前时刻之前的历史周期内所有时刻下的环境温度；

天气预测结果包括当前时刻和当前时刻之后的预测周期内的预测天气温度。

该实施例中，温度传感器可以是热敏电阻、硅温度传感器、热电偶、红外线传感器、晶体管温度传感器以及纳米温度传感器等。

该实施例中，天气预测结果通过天气预报或其他气象数据源获取。

该实施例中，历史周期表示在PID温控系统中，用来分析和记录历史环境温度的一段时间范围，历史周期包括温控系统多个完整调节的时间间隔。

该实施例中，预测周期包括从当前时刻开始，一直到未来一段时间内的若干个时刻。

上述技术方案的有益效果：通过确定历史环境温度以及天气预测结果，可以更准确地预测未来天气变化，为生成PID控制信号提供数据基础，从而实现更精准、更智能的实时温度控制。

实施例3：

本发明实施例提供一种基于驱动电路的PID温控系统，所述控制模块，包括：

分析单元：计算目标环境温度与实际天气温度的差值，分析天气预测结果确定天气变化率；

容差单元：基于目标环境温度与实际天气温度的差值、天气变化率确定PID温控系统的容差。

该实施例中，目标环境温度与实际天气温度的差值计算公式为。

该实施例中，天气变化率表示当前时刻和和当前时刻之后的预测周期内的预测天气温度的变化率。

该实施例中，天气变化率较大时，表示天气预测结果预测到天气将要发生剧烈变化，PID温控系统的容差较大。

该实施例中，PID温控系统的容差计算公式可以表示为。

该实施例中，例如：目标环境温度和实际环境温度之间的差值较小，且天气变化率也较小，确定PID温控系统的容差较大。若目标环境温度和实际环境温度之间的差异较大，或者天气变化率较大，则确定PID温控系统的容差较小以保持实际环境温度稳定。

上述技术方案的有益效果：通过计算目标环境温度与实际天气温度的差值，确定天气变化率，并确定PID温控系统的容差，可以根据容差动态生成PID控制信号，以适应不同的天气变化情况，增加系统对环境变化的敏感度，从而提高系统的响应速度，减少温度波动，保持温度控制的稳定性和精度。

实施例4：

本发明实施例提供一种基于驱动电路的PID温控系统，所述调节模块，包括：

放大单元：基于PID控制器的输出信号类型以及驱动电路需求计算放大倍数，基于放大倍数对PID控制信号进行放大；

转换单元：将放大后的PID控制信号输入到驱动电路中，基于PID控制器的输出信号类型以及驱动电路的信号类型对放大后的PID控制信号进行转换确定第一信号。

该实施例中，放大倍数表示输入信号经过放大器放大后的输出信号与输入信号的比值，例如：PID控制器的输出信号范围为0-10V，而驱动电路需要接收的信号范围为0-240V，那么放大倍数为24。

该实施例中，PID控制器的输出信号类型与驱动电路要求的信号类型不同是需要进行信号转换，例如，使用模数转换器将PID控制器的模拟信号转换成数字信号或脉冲信号。

该实施例中，第一信号表示对PID控制信号进行放大、转换后的控制信号。

上述技术方案的有益效果：通过对PID 控制信号进行放大、转换确定第一信号，可以确保PID控制器输出的PID控制信号能够有效地驱动温控系统，实现更精确的温度控制，提高系统的稳定性和响应速度。

实施例5：

本发明实施例提供一种基于驱动电路的PID温控系统，所述调节模块，还包括：

第一调节单元：驱动电路基于第一信号确定功率调整值，基于功率调整值调节温控系统的输出功率；

第二调节单元：基于功率调整值以及温控系统的实际调整值调节第一信号实现温控系统的温度控制。

该实施例中，功率调整值表示第一信号的量化，第一信号为模拟信号时，可以通过模数转换器将第一信号其转换为数字形式确定功率调整值；第一信号为数字信号，则进行解码以确定功率调整值。

该实施例中，调节温控系统的输出功率包括驱动电路根据第一信号调整加热器或冷却器的输出功率，例如，需要升高温度，则加热器功率增加；如果需要降低温度，则冷却器功率增加。

该实施例中，调节第一信号使功率调整值以及温控系统的实际调整值一致，表示将温控系统的实际调整值作为反馈信号修正第一信号。

上述技术方案的有益效果：驱动电路根据第一信号确定功率调整值，调节温控系统的输出功率，并根据功率调整值以及温控系统的实际调整值调节第一信号，实现更精准、更智能的实时温度控制，提高系统的响应速度，减少温度波动，动态调整PID控制信号，避免能源浪费，降低能耗成本，提高系统的稳定性、适应性和灵活性。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种基于驱动电路的PID温控系统，其特征在于，包括：

监测模块：获取目标环境温度、历史环境温度以及天气预测结果，同时，通过温度传感器实时监测实际环境温度以及实际天气温度；

控制模块：基于目标环境温度、历史环境温度、天气预测结果、实际环境温度以及实际天气温度生成PID控制信号；

调节模块：基于控制信号调节驱动电路实现温度控制；

控制模块包括：

周期单元：基于PID控制器的时间窗口确定基本时间周期，基于基本时间周期、目标环境温度以及实际天气温度计算PID温控系统的实时时间周期T2；

；

其中，T1表示基本时间周期，表示基本时间周期基于系统响应时间和系统稳定性的第一调节系数，表示基本时间周期基于实际天气温度的第二调节系数，表示t时刻的实际天气温度，表示目标环境温度；

提取单元：提取实时时间周期内的N1个时刻的历史环境温度；

控制模块还包括：

计算单元：计算实际环境温度与目标环境温度的温度误差，若温度误差大于PID温控系统的容差，则基于目标环境温度、实时时间周期内的N1个时刻的历史环境温度、实际环境温度以及实际天气温度计算PID控制信号；

否则，判定PID温控系统不进行调节；

计算单元包括：

其中，表示PID控制信号的比例项，表示PID控制信号的积分项，表示PID控制信号的微分项，分别表示比例增益、积分增益、微分增益，表示t时刻的实际环境温度，表示t时刻实际环境温度与目标环境温度的温度误差，表示t时刻实际天气温度的天气比例增益，表示t时刻实际天气温度的天气积分增益，表示t时刻实际天气温度的天气微分增益，N1表示基本时间周期内的时刻数量，表示实时时间周期内i时刻历史环境温度与目标环境温度的温度误差，且，表示实时时间周期内每两个相邻时刻的时间间隔，表示t-1时刻实际环境温度与目标环境温度的温度误差，表示t时刻的PID控制信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于驱动电路的PID温控系统，其特征在于，历史环境温度包括基于温度传感器监测的当前时刻之前的历史周期内所有时刻下的环境温度；

天气预测结果包括当前时刻和当前时刻之后的预测周期内的预测天气温度。

3.根据权利要求1所述的一种基于驱动电路的PID温控系统，其特征在于，所述控制模块，还包括：

分析单元：计算目标环境温度与实际天气温度的差值，分析天气预测结果确定天气变化率；

容差单元：基于目标环境温度与实际天气温度的差值、天气变化率确定PID温控系统的容差。

4.根据权利要求1所述的一种基于驱动电路的PID温控系统，其特征在于，所述调节模块，包括：

放大单元：基于PID控制器的输出信号类型以及驱动电路需求计算放大倍数，基于放大倍数对PID控制信号进行放大；

转换单元：将放大后的PID控制信号输入到驱动电路中，基于PID控制器的输出信号类型以及驱动电路的信号类型对放大后的PID控制信号进行转换确定第一信号。

5.根据权利要求4所述的一种基于驱动电路的PID温控系统，其特征在于，所述调节模块，还包括：

第一调节单元：驱动电路基于第一信号确定功率调整值，基于功率调整值调节温控系统的输出功率；

第二调节单元：基于功率调整值以及温控系统的实际调整值调节第一信号实现温控系统的温度控制。