CN108803308A - 基于自适应区间pid控制的气体多通池温控***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明基于自适应区间PID控制的气体多通池温控***及方法，属于气体多通池温控领域，气体样品池外壁使用加热膜包裹实现对气体多通池的加热，PT1000铂电阻温度传感器置于气体样品池外壁与加热膜之间实时检测气体多通池工作温度，气体多通池整体采用保温隔热棉形成保温作用。针对被控对象结构复杂响应较慢引起超调量大问题，在传统PID控制算法的基础上改进，将控制过程根据温度偏差值细分为多个区间，在每个区间内根据区间值和温度偏差值的变化率对比例放大系数、积分系数、微分系数进行设定，实现了自适应区间PID控制算法，使温度控制快速且无超调。为二氧化碳同位素检测***性能的提升提供了可靠保障。
Description
技术领域
本发明属于气体多通池温控领域，尤其是涉及一种用于红外气体同位素检测的气体多通池高精度控制的温控***及控制方法。
背景技术
气体同位素的精确测量在生物医学、水文学、古生物学、地球化学和大气物理化学等领域有重要应用。激光吸收光谱法用于气体同位素探测非常有利于发展成实时在线测量***。由于待测气体吸收线的吸收系数会受待测气体温度的影响，产生的电压信号的幅值会随气体温度的变化发生变化，这将直接影响检测***的稳定度和精准度。因此在实际应用中需对气体多通池采用恒温措施来减小气体温度波动，控制吸收系数稳定，从而提高检测***的灵敏度及响应速度、降低其检测下限。
气体多通池主要由石英气体样品池和两侧反射镜面以及复杂的铝合金材料的支撑结构组成，气体多通池复杂的结构导致了其热响应时间常数大，内部热分布不均匀，并和外界发生着不确定的热交换。另外，为了最大限度的提高气体同位素检测***的响应时间，气体多通池内部气体的温度需要以最快的速度收敛，这些因素和要求，对气体多通池的高精度温度控制提出了很大的挑战。
PID控制器被广泛应用于温度控制***中，PID控制器又分为模拟PID控制器和数字PID控制器，模拟PID控制器响应速度快，但模拟PID控制器参数会随着电路的确定而固定，很难做出改变。数字PID控制器是一种线性调节器，它根据设定值与实际值构成的偏差，将偏差的比例环节(P)、积分环节(I)、微分环节(D)通过线性组合构成控制量，对控制量进行控制。积分环节的作用是消除静态误差，但在***启动或者更换设定值时，由于积分环节的存在，会产生很大的偏差，造成PID计算的积分累积，导致积分饱和，最终引起***超调量大以及稳定时间长。
目前，积分分离PID控制算法的基本思想是当***启动时，设定值与实际值存在较大偏差，去除积分环节，从而避免由于积分环节作用导致***超调量增大，***稳定性下降；当实际值接近设定值时，引入积分控制，以消除静态误差，提高控制精度。但实际应用过程中，由于被控对象结构复杂，导致***响应较慢，加热前期偏差较大，***仍会出现超调，存在稳定时间长以及调节精度不高的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述难点和现有技术中存在的气体多通池结构复杂，热响应时间常数大的问题，提供一种基于自适应区间PID控制的气体多通池温控***及方法。
本发明采用如下的技术方案：
本发明提出了一种基于自适应区间PID控制的气体多通池温控***，其特征在于，包括：气体多通池及控制单元，所述气体多通池由铝合金支撑结构和气体样品池构成，所述气体样品池设置在铝合金支撑结构上，气体样品池的外壁上套有加热膜，所述加热膜完全包裹整个气体样品池外壁，加热膜与加热膜驱动模块连接，加热膜为聚酰亚胺加热膜，在加热膜与气体样品池外壁之间设置温度传感器，温度传感器与温度采集模块连接；所述气体样品池的外部还套设有保温层；所述保温层置于加热膜的外部；所述控制单元包括温度采集模块、加热膜驱动模块及自适应区间PID控制器，所述温度采集模块及加热膜驱动模块分别与自适应区间PID控制器连接，自适应区间PID控制器包含单片机、区间控制模块和参数控制模块，区间控制模块、参数控制模块及单片机相互之间通信连接。
所述气体样品池采用石英气体样品池。
所述单片机采用单片机STM32。
所述保温层采用保温隔热棉。
所述温度采集模块包括惠更斯电桥、仪表放大器及模数转换器芯片，其中惠更斯电桥是由铂电阻PT1000与三个电阻组成，惠更斯电桥中的三个电阻分别为R1、R2、R3，仪表放大器的输入端与惠更斯电桥连接，仪表放大器的输出端与模数转换器芯片连接。
所述惠更斯电桥中R1、R2及R3采用具有相同温度漂移系数的电阻。
所述仪表放大器采用仪表放大器AD620。
所述模数转换器芯片采用模数转换器芯片AD7705。
所述加热膜驱动模块包括光电耦合器TLP521、MOS管驱动芯片IR2117及MOS管IRF2807，所述光电耦合器TLP521、MOS管驱动芯片IR2117及MOS管IRF2807顺次连接。
本发明还提出了一种基于自适应区间PID控制的气体多通池温控方法，其特征在于,该方法采用所述的基于自适应区间PID控制的气体多通池温控***，具体包括如下步骤：
步骤一、将待测气体通入气体多通池，温度采集模块进行温度采样，并将采集到的当前温度实际值输入至自适应区间PID控制器中，第k次采样温度实际值为youk(k)，单片机接收温度采样数据并进行处理，得到温度偏差值e(k)，其中e(k)＝rin(k)-youk(k)，rin(k)表示温度设定值，将温度偏差值e(k)作为输入参数输入到区间控制模块；
步骤二、当前温度值所处区间范围通过区间计算函数得到εk，即当前温度的结束值与初始值之差，1≤k≤n,n≥5，同时当前温度偏差值变化率通过偏差变化率计算函数得到ec，即当前温度实际值与初始温度值的差值绝对值除以当前温度采样所用时间，将得到的前温度值所处区间范围εk和当前温度偏差值变化率ec作为输入参数输入到参数控制模块中，计算出调整系数为比例放大系数KP、积分系数KI、微分系数KD与当前温度值所处区间范围εk的关系系数，其中，rin(0)为在初始状态下温度设定值，第k次采样温度实际值为youk(k)，为比例项KP、微分项KI、积分项KD与当前温度偏差值变化率ec的关系系数，得到当前温度值所处区间范围εk内比例放大系数KP、积分系数KI、微分系数KD，通过将温度控制过程细化为n个区间，对每个区间分别对比例放大系数KP、积分系数KI、微分系数KD进行计算，得到
其中ε1、ε2、ε3…εn为采用区间计算函数获得的区间范围值；
步骤三、将第k次采样温度偏差值e(k)、比例放大系数KP、积分系数KI、微分系数KD作为控制参数输入至自适应区间PID控制器进行比例、积分、微分计算得到第k次采样的温度输出量u(k)，其中：
位置式数字PID控制算法中，e(k-1)表示第k-1次采样温度偏差值，e(j)表示离散化处理后，以矩形数值法代替积分计算过程中产生的中间量；
预先设定温度输出量限幅值，将u(k)与预先设定温度输出量限幅值比较，判断温度输出量u(k)是否超出预先设定温度输出量限幅值，若超出预先设定温度输出量限幅值，则温度输出量u(k)为预先设定温度输出量限幅值，输出预先设定温度输出量限幅值，若未超出预先设定温度输出量限幅值，则输出的温度输出量u(k)不变。
通过上述设计方案，与现有技术相比本发明可以带来如下有益效果：本发明通过在气体样品池外壁包裹加热膜对气体样品池内部气体进行加热，使气体样品池内部气体温度达到预设温度，同时设置保温层，减少内部气体与外界环境的热交换，减少外界环境温度变化对温控效果的影响，为待测气体提供一个恒温的实际检测环境。本发明的温度控制算法不同于现有的传统PID控制算法，提出了一种自适应区间PID控制算法，***启动时，温度偏差值e(k)最大，通过区间计算函数计算出温度值所处区间范围，同时由温度值所处区间范围和温度偏差值变化率计算出初始状态下的自适应区间PID控制器的比例放大系数KP、积分系数KI、微分系数KD，通过计算得到每个过程区间最优参数，使得***在从初始温度到达所设阈值的时间更少，减小***稳定时间。当温度实际值接近设定值时，由于将控制过程根据温度偏差值e(k)细分，每一区间的参数对应不同的偏差范围，控制更加精确。针对结构复杂、热响应时间常数大的被控对象，通过将控制的过程细分，对每个过程的参数进行优化，达到更精确的控制，***实现无超调且稳定时间短。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明基于自适应区间PID控制的气体多通池温控***的结构示意图；
图2为本发明的自适应区间PID控制原理示意图；
图3为本发明温度采集模块电路原理示意图；
图4为本发明的局部电路图。
图中各标记如下：1-铝合金支撑结构、2-气体样品池、3-温度传感器、4-加热膜、5-保温层、6-控制单元。
具体实施方式
为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件及电路并没有详细的叙述。
在针对气体多通池结构复杂，热响应时间常数大的问题，如图1、图2、图3及图4，本发明提出的基于自适应区间PID控制的气体多通池温控***，包括气体多通池及控制单元6，所述气体多通池由铝合金支撑结构1和气体样品池2构成，所述气体样品池2设置在铝合金支撑结构1上，气体样品池2的外壁上套有加热膜4，所述加热膜4完全包裹整个气体样品池2外壁，加热膜4与加热膜驱动模块连接，加热膜4为聚酰亚胺加热膜，在加热膜4与气体样品池2外壁之间设置温度传感器3，温度传感器3与温度采集模块连接；所述气体样品池2的外部还套设有保温层5；所述保温层5置于加热膜4的外部；所述控制单元6包括温度采集模块、加热膜驱动模块及自适应区间PID控制器，所述温度采集模块及加热膜驱动模块分别与自适应区间PID控制器连接，自适应区间PID控制器包含单片机、区间控制模块和参数控制模块，区间控制模块、参数控制模块及单片机相互之间通信连接。
其中，所述温度采集模块包括惠更斯电桥、仪表放大器及模数转换器芯片，铂电阻PT1000与三个电阻组成惠更斯电桥，所述仪表放大器的输入端与惠更斯电桥连接，仪表放大器的输出端与模数转换器芯片连接，惠更斯电桥中的三个电阻分别为R1、R2、R3，铂电阻PT1000阻值随温度变化引起桥式电路输出的差分信号变化，差分信号经过仪表放大器放大后，由模数转换器进行采样。减小引线电阻的影响是高精度测量的关键点，本发明的温度传感器3采用三线制接法能有效地消除导线电阻和自热效应的影响。为了克服环境温度变化对模拟电路精度的影响，惠更斯电桥中的R1、R2及R3选择具有相同温度漂移系数的精密电阻。为抑制因仪表放大器本身引入噪声对检测电信号的影响，选用温漂系数低、输入噪声低的仪表放大器AD620。为提高检测电路的精度，选用16位可编程增益低功耗模数转换器芯片AD7705将采集到的模拟信号转换成数字信号。
其中，自适应区间PID控制器包含单片机、区间控制模块和参数控制模块，区间控制模块、参数控制模块及单片机相互之间通信连接，单片机采用单片机STM32，单片机STM32将采集的温度进行处理后，采集到的第k次采样温度实际值为youk(k),计算得到温度偏差值e(k)，其中e(k)＝rin(k)-youk(k)，rin(k)表示温度设定值，由自适应区间PID控制器输出特定的占空比的PWM方波。在温度调节过程中，将温度偏差值e(k)作为输入参数输入到区间控制模块；
当前温度值所处区间范围通过区间计算函数得到εk，即当前温度的结束值与初始值之差，1≤k≤n,n≥5，同时当前温度偏差值变化率通过偏差变化率计算函数得到ec，即当前温度实际值与初始温度值的差值绝对值除以当前温度采样所用时间，将得到的前温度值所处区间范围εk和当前温度偏差值变化率ec作为输入参数输入到参数控制模块中，计算出调整系数为比例放大系数KP、积分系数KI、微分系数KD与当前温度值所处区间范围εk的关系系数，其中，rin(0)为在初始状态下温度设定值，第k次采样温度实际值为youk(k)，为比例项KP、微分项KI、积分项KD与当前温度偏差值变化率ec的关系系数，得到当前温度值所处区间范围εk内比例放大系数KP、积分系数KI、微分系数KD，通过将温度控制过程细化为n个区间，对每个区间分别对比例放大系数KP、积分系数KI、微分系数KD进行计算，得到
其中ε1、ε2、ε3…εn为采用区间计算函数获得的区间范围值；
步骤三、将第k次采样温度偏差值e(k)、比例放大系数KP、积分系数KI、微分系数KD作为控制参数输入至自适应区间PID控制器进行比例、积分、微分计算得到第k次采样的温度输出量u(k)，其中：
位置式数字PID控制算法中，e(k-1)表示第k-1次采样温度偏差值，e(j)表示离散化处理后，以矩形数值法代替积分计算过程中产生的中间量；
预先设定温度输出量限幅值，将u(k)与预先设定温度输出量限幅值比较，判断温度输出量u(k)是否超出预先设定温度输出量限幅值，若超出预先设定温度输出量限幅值，则温度输出量u(k)为预先设定温度输出量限幅值，输出预先设定温度输出量限幅值，若未超出预先设定温度输出量限幅值，则输出的温度输出量u(k)不变。
聚酰亚胺加热膜也称为高温电热膜，厚度极薄，非常柔软、形状及大小极其灵活，尤其适合用于不规则形状的被控对象。将聚酰亚胺加热膜包裹于气体多通池的气体样品池2表面，对内部气体温度进行控制。单片机STM32输出为高电平时，经过光电耦合器TLP521隔离，控制MOS管驱动芯片IR2117驱动MOS管IRF2807，控制聚酰亚胺加热膜开始加热。
实施例1
待测气体进入气体多通池内部，会使气体多通池温度发生变化，气体样品池2外壁上的铂电阻PT1000阻值发生变化，铂电阻PT1000阻值随温度变化引起惠更斯桥式电路输出的差分电压信号变化，差分电压信号经过仪表放大器AD620放大后，由模数转换器AD7705进行采样，将模拟电压信号转换成数字信号输入至单片机STM32输入端进行数据处理。
控制部分使用的是自适应区间PID控制器，采集第k个温度实际值youk(k)，计算出第k个温度偏差值e(k)＝rin(k)-youk(k)，其中rin(k)表示温度设定值。将得到的温度偏差值e(k)作为输入参数输入到自适应区间PID控制器的区间控制模块，对温度偏差值e(k)进行比例、积分、微分运算，得到第k次采样的温度输出量u(k)。
为了避免特殊情况下输出的控制量过大，需要对输出的温度输出量u(k)限幅，预先设定温度输出量限幅值，将u(k)与预先设定温度输出量限幅值比较，判断温度输出量u(k)是否超出预先设定温度输出量限幅值，若超出预先设定温度输出量限幅值，则温度输出量u(k)为预先设定温度输出量限幅值，输出预先设定温度输出量限幅值，若未超出预先设定温度输出量限幅值，则输出的温度输出量u(k)不变。
最后说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管已经对本发明进行了详细描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明。
Claims (10)
1.基于自适应区间PID控制的气体多通池温控***，其特征在于，包括：气体多通池及控制单元(6)，所述气体多通池由铝合金支撑结构(1)和气体样品池(2)构成，所述气体样品池(2)设置在铝合金支撑结构(1)上，气体样品池(2)的外壁上套有加热膜(4)，所述加热膜(4)完全包裹整个气体样品池(2)外壁，加热膜(4)与加热膜驱动模块连接，加热膜(4)为聚酰亚胺加热膜，在加热膜(4)与气体样品池(2)外壁之间设置温度传感器(3)，温度传感器(3)与温度采集模块连接；所述气体样品池(2)的外部还套设有保温层(5)；所述保温层(5)置于加热膜(4)的外部；所述控制单元(6)包括温度采集模块、加热膜驱动模块及自适应区间PID控制器，所述温度采集模块及加热膜驱动模块分别与自适应区间PID控制器连接，自适应区间PID控制器包含单片机、区间控制模块和参数控制模块，区间控制模块、参数控制模块及单片机相互之间通信连接。
2.根据权利要求1所述的基于自适应区间PID控制的气体多通池温控***，其特征在于：所述气体样品池(2)采用石英气体样品池。
3.根据权利要求1所述的基于自适应区间PID控制的气体多通池温控***，其特征在于：所述单片机采用单片机STM32。
4.根据权利要求1所述的基于自适应区间PID控制的气体多通池温控***，其特征在于：所述保温层(5)采用保温隔热棉。
5.根据权利要求1所述的基于自适应区间PID控制的气体多通池温控***，其特征在于：所述温度采集模块包括惠更斯电桥、仪表放大器及模数转换器芯片，其中惠更斯电桥是由铂电阻PT1000与三个电阻组成，惠更斯电桥中的三个电阻分别为R1、R2、R3，仪表放大器的输入端与惠更斯电桥连接，仪表放大器的输出端与模数转换器芯片连接。
6.根据权利要求5所述的基于自适应区间PID控制的气体多通池温控***，其特征在于：所述惠更斯电桥中R1、R2及R3采用具有相同温度漂移系数的电阻。
7.根据权利要求5所述的基于自适应区间PID控制的气体多通池温控***，其特征在于：所述仪表放大器采用仪表放大器AD620。
8.根据权利要求5所述的基于自适应区间PID控制的气体多通池温控***，其特征在于：所述模数转换器芯片采用模数转换器芯片AD7705。
9.根据权利要求1所述的基于自适应区间PID控制的气体多通池温控***，其特征在于：所述加热膜驱动模块包括光电耦合器TLP521、MOS管驱动芯片IR2117及MOS管IRF2807，所述光电耦合器TLP521、MOS管驱动芯片IR2117及MOS管IRF2807顺次连接。
10.基于自适应区间PID控制的气体多通池温控方法，其特征在于,该方法采用权利要求1-9中任意一项所述的基于自适应区间PID控制的气体多通池温控***，具体包括如下步骤：
步骤一、将待测气体通入气体多通池，温度采集模块进行温度采样，并将采集到的当前温度实际值输入至自适应区间PID控制器中，第k次采样温度实际值为youk(k)，单片机接收温度采样数据并进行处理，得到温度偏差值e(k)，其中e(k)＝rin(k)-youk(k)，rin(k)表示温度设定值，将温度偏差值e(k)作为输入参数输入到区间控制模块；
步骤二、当前温度值所处区间范围通过区间计算函数得到εk，即当前温度的结束值与初始值之差，1≤k≤n,n≥5，同时当前温度偏差值变化率通过偏差变化率计算函数得到ec，即当前温度实际值与初始温度值的差值绝对值除以当前温度采样所用时间，将得到的前温度值所处区间范围εk和当前温度偏差值变化率ec作为输入参数输入到参数控制模块中，计算出调整系数 为比例放大系数KP、积分系数KI、微分系数KD与当前温度值所处区间范围εk的关系系数，其中，rin(0)为在初始状态下温度设定值，第k次采样温度实际值为youk(k)，为比例项KP、微分项KI、积分项KD与当前温度偏差值变化率ec的关系系数，得到当前温度值所处区间范围εk内比例放大系数KP、积分系数KI、微分系数KD，通过将温度控制过程细化为n个区间，对每个区间分别对比例放大系数KP、积分系数KI、微分系数KD进行计算，得到
其中ε1、ε2、ε3…εn为采用区间计算函数获得的区间范围值；
步骤三、将第k次采样温度偏差值e(k)、比例放大系数KP、积分系数KI、微分系数KD作为控制参数输入至自适应区间PID控制器进行比例、积分、微分计算得到第k次采样的温度输出量u(k)，其中：
位置式数字PID控制算法中，e(k-1)表示第k-1次采样温度偏差值，e(j)表示离散化处理后，以矩形数值法代替积分计算过程中产生的中间量；
预先设定温度输出量限幅值，将u(k)与预先设定温度输出量限幅值比较，判断温度输出量u(k)是否超出预先设定温度输出量限幅值，若超出预先设定温度输出量限幅值，则温度输出量u(k)为预先设定温度输出量限幅值，输出预先设定温度输出量限幅值，若未超出预先设定温度输出量限幅值，则输出的温度输出量u(k)不变。
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