专利名称：高精度温度控制方法
技术领域：
本发明属于电子科学与技术领域，涉及一种温度控制方法，特别涉及一种为特殊 工业场合提供高精确温度控制的温度控制方法。
背景技术：
在工业和科学领域，有些场合对于温度控制精度有很高的要求，例如在有些场合 要求温度基本恒定，精度要求达到士0. 1度之内。在科学研究领域，这种高精度温度控制是通过精密度高、且很复杂的仪器来实现 的，其成本昂贵。在工业领域，传统的高精度温度控制的实现是由定频技术来实现的，它是在压缩 机的吸气与排气之间接一铜管，利用阀门对铜管的打开和关闭进行控制，当对压缩机的能 力要求很高时，则控制阀门将铜管关闭，而当压缩机冷量过大时，就适当地打开阀门，将多 余的冷量通过铜管排掉，这就是所谓的“热气旁通”技术。这种热气旁通技术实际上是将压 缩机的能力白白的排掉，是对能量的极大浪费，能效比低，而且将压缩机的吸气与排气直接 短接起来，会给压缩机带来许多不稳定因素。针对以上缺陷，为了提高能效比，现有技术中也有很多利用PID(即比例积分微 分)控制技术进行温度控制，它是通过调节PID参数来调节压缩机频率的变化，达到控制温 度的目的。例如，在某工业设备中，机器设备在运行时不断地产生热量，此时，需要利用冷却 机将机器设备产生的热量带走，冷却机就是通过油冷剂或水冷剂，不断地在系统中运行，由 压缩机产生的冷量，将油冷剂或水冷剂的温度降低，降到设定温度的附近，并控制在较高的 精度上，从而不断地将设备产生的热量带走，即通过PID控制技术将当前温度Toil稳定在 设定温度Tset上。现有技术中PID的控制原理如图1所示，控制器检测到当前温度Toil与设定温度 Tset之间的差值e(k)，由控制器输出控制变化量u (t)给压缩机，控制压缩机的运转频率， 由压缩机产生冷量，控制下一次温度差e(k+l)在控制精度范围内，同时控制器检测温度变 化的速率y(k)，此变量也是控制压缩机运转频率的另一重要参数。但是这种传统的PID控 制方式也有不足，从图2中可以明显看出，它会导致反应相对滞后，超调现象严重，因为冷 却机系统是非线性、时变和分布参数系统，用准确的数学解析式表示其特性很困难，因而用 传统的PID控制方法，在实际中无论如何调整PID参数，其滞后及超调都很明显，即使时间 再延长，其误差也在一度左右，当对温度控制精度要求比较高时，无法满足要求。
发明内容
本发明主要目的在于解决上述问题和不足，提供一种温度控制精度高，并可有效 避免超调现象的高精度温度控制方法。为实现上述目的，本发明的技术方案是
一种高精度冷温度控制方法，包括如下步骤1)温度控制器上电，不启动压缩机，设定需要的温度，开机，压缩机开始运行；2)根据冷却剂初始温度TO与设定温度Ts的差值e (k)，决定压缩机的初始运转频 率，并保持压缩机以初始频率运行一段时间，直至压缩机制冷系统初步平衡；3)当系统正常运行后，采用PID算法，控制冷却剂温度由初始温度TO降至接近设 定温度Ts的第一平衡点温度Tl ；此过程中，温度控制器将检测到的冷却剂的当前温度T与设定温度Ts之间的温度 差e(k)、冷却剂的温度每变化单位温度所需时间的变化速率y(k)、及压缩机运转频率的变 化控制量u(k)各分为若干个区间；当系统运行时，根据当前的温度差e(k)及变化速率y(k)的大小确定其所处于的 区间，经温度控制器进行PID计算后，进一步确定控制量u(k)所对应的区间，从而确定当前 压缩机的运转频率是上升或是下降，以及控制量u (k)的大小，再通过温度控制器向压缩机 输出，从而控制压缩机的运转频率；4)将冷却剂温度再由第一平衡点温度Tl调整至设定温度Ts，此过程应满足如下 关系式
_7] Ec00l = (n~T2)*'E+EHeM ⑴其中，Earal——压缩机制冷能量；Eaeat——负载制热能量；E——压缩机在冷却剂变化单位温度所需要克服负载所做的功；5)压缩机以到达设定温度Ts时的运转频率持续运行，将冷却剂的温度稳定在设 定温度Ts上。该方法中对冷却剂的温度进行实时监控，每当温度变化单位温度时，就计算所需 要的时间，将得到的变化速率y(k)输入到温度控制器。本发明的进一步改进在于，将上述步骤4)，分为两个阶段；第一阶段，将冷却剂温度从第一平衡点温度Tl调整至中间温度T2，此过程为补偿 压缩机制冷量与负载发热量差的过程，补偿过程满足如下公式J f Xfk = (Tl-Ts)X0￡ + fx(t2-t\) (2)
k=\ k其中，fk—第k次采样时运行频率；tk——以fk频率运行的时间；tl——冷却剂由初始温度TO降至第一平衡点温度Tl所需要的时间；t2——冷却剂由第一平衡点温度Tl调整至中间温度T2所需要的时间；Δ E——是在假定Ε— = Eaeat的情况下么的估测值；f*——压缩机运行频率，是在假定Efotjl = Eaeat的情况下的估测值；其中，/——压缩机运转频率；第二阶段，将冷却剂温度从中间温度T2调整至设定温度Ts，此过程中，及达到设 定温度Ts后，压缩机均以f*运转频率运行。其中，ΔΕ和f*两个估测值，分别满足如下公式
f* = Ecool^-tl(3)AE = Ecool/ [2* (TO-Tl) ] (4)。在冷却剂温度达到设定温度Ts时，对上述Δ E与f*两个估测值进行自动调节，计 算出精确的^与^ ,从而使冷却剂温度稳定在控制精度范围内。计算^与>精确数值的步骤如下1)设定冷却剂温度每上升或下降单位温度，相应地压缩机运转频率也上升或下降 1HZ，当温度变化超出单位温度时，温度每上升或下降单位温度，压缩机运转频率上升或下 降2HZ，当在某一温度点稳定一定时间时，则判断当前频率即为f*的精确值^ ;2)通过如下公式计算出Δ E的精确值云，
其中，t3—压缩机以>频率运转的时间I ΔΤ——在tl——13过程中，温度变化，即温度变化0. 1度，累加一次。本发明的更进一步改进在于，当系统再次启动时，由如下公式计算得出压缩机从 初始温度TO到设定温度Ts所需克服负载发热所做的功，进行补偿，然后压缩机再以;·频率 运行； 其中， t = Yjk综上内容，本发明所提供的高精度温度控制方法，采用了将温度差、变化速率、及 控制量分段控制的方式，有效避免了现有技术中的超调现象，本发明对温度采样实时监控， 可以使温度控制更为精确。另外，本发明将冷却剂温度由第一平衡点温度调整至设定温度 也分为系统能量补偿、压缩机以理想状态的运转频率运转、对压缩机的运转频率进行自动 调节等三个阶段控制，从而使温度控制精度更高，可以将温度控制在士0.1°C范围内。
图1现有技术中PID控制方式原理图；图2现有技术中温度控制曲线图；图3本发明温度控制曲线图；图4本发明实验温度曲线图。如图1到图4所示，温度控制器1，压缩机2。
具体实施例方式下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细描述如图3至图4所示，一种高精度温度控制方法，包括如下步骤第一步
温度控制器1上电后，压缩机2并不启动，此时显示板通过传感器检测当前的冷却 剂初始温度TO(本实施例以用油作为冷却剂为例)，设定温度Ts —般情况默认为16°C，然 后可以通过操作温度控制器1上的温度设定按键选择需要的设定温度Ts。等温度设定好 后，开机，压缩机2开始运行。第二步系统开始运行时，温度控制器1内的程序根据当前的初始温度TO跟设定温度Ts 的差值e(k)来决定压缩机2的初始运转频率，温差e(k)越大，初始运转频率越大，温差 e(k)越小，初始运转频率越小，这样既可以尽快地降低温度，又可以减少超调量。当系统刚刚启动时，制冷系统尚未建立平衡，此时温度变化不能反映正常的趋势， 因此需要延时一段时间，保持压缩机2以初始频率运行，一般的情况下，刚开始运转时，压 缩机2以等于或大于80Hz的高频率运转1至2分钟后进入下述过程。第三步当系统正常运行后，采用PID算法，控制冷却剂温度由初始温度TO降至接近设定 温度Ts的第一平衡点温度Tl，此时，冷却剂的温度基本上已达到设定温度Ts，压缩机2制 冷系统达到了基本的平衡，一般情况下，第一平衡点温度Tl低于设定温度Ts。此过程中，采用分段控制的方法，温度控制器1将检测到的冷却剂的当前温度T与 设定温度Ts之间的温度差e(k)、冷却剂的温度每变化单位温度(本实施例以士0. 1°C为 例)所需时间的变化速率y(k)、及压缩机运转频率的变化控制量u (k)(频率需要改变的量 的大小)各分为若干个区间，例如，将温度差e (k)分成e(9),e (8)，e (7)，e (6)，e (5)，e (4)， e (3)，e (2)，e (1) ； e (0)，e0 (9)，e0 (8)，e0 (7)，e0 (6)，e0 (5)，e0 (4)，e0 (3)，e0 (2)，e0 (1) 19 个区间，每个区间代表一段温度差的数值范围；同样，将变化速率y(k)分成y(l)，y(2)]， y ⑶，y ⑷，y(5)，y(6)，y(7)，y ⑶，y0(l), y0 (2), y0 (3), y0 (4), y0 (5), y0 (6), y0 (7), y0 (8) 16 个区间，将变化控制量 u (k)也分成 u (1)，u (2)，u (3)，u (4)，u (5)，u (6)，u (7)，u (8)， u0 ⑴，u0 (2)，u0 (3)，u0 (4)，u0 (5)，u0 (6)，u0 (7)，u0 (8) 16 个区间，每个温度差 e (k)及变化 速率y(k)的组合都相应对应一个控制量u(k)的区间，每个控制量u(k)的区间都通过程序 预先设定好下一时刻压缩机2的运转频率是上升还是下降，以及控制量u(k)的大小范围。当系统运行时，根据当前的温度差e(k)及变化速率y(k)的大小确定其所处于的 区间，经温度控制器1进行PID计算后，确定控制量u (k)所对应的区间，从而确定当前压缩 机的运转频率是上升或是下降，以及控制量u (k)的大小，再通过温度控制器1向压缩机2 输出，从而控制压缩机2的运转频率。例如当温度差e(k)及变化速率y(k)分别处于e0(9)和y0 (8)区间时，相应的控制量 u(k)处于u0(3)区间，则压缩机2需要降频，而且降频的范围为2Hz至3Hz之间。当温度差 e(k)及变化速率y(k)分别处于e0(3)和y0 (7)区间时，相应的控制量u (k)处于u(4)区 间，则压缩机2需要升频，而且升频的范围为3Hz至5Hz之间。其中频率变化的具体大小，需要通过计算来得到，计算方法如下温度变化0. 1°C，此时控制程序如下处理(其中HE，HY, HU分别为温差，变化速率 及频率控制量的参数)。A)计算此时温差E(k)；
B)当(Ε (k) e (e[9], e[l], e
, e0[l], eO [9])，令 HE = = 0else if (U (k) e (u [1]，u [2]，u [3]，u [4]，u [5]，u [6]，u [7]，u [8])此时el < e2 :HE = (E (k)-el) / (e2_el) ；HE > Oelse if (U (k) e (uO [1]，uO [2]，uO [3]，uO [4]，uO [5]，uO [6]，uO [7]，uO [8])HE= (E(k)-e2)/(e2_el) ；HE < O注上述处理是为了使HE与U(k)符合一致，同为正或者同为负。C)温度变化0. 1 °C所用时间Y (k)，当t>0 时Y[k] e (y[l]，y[2]，y[3]，y[4]，y[5]，y[6]，y[7]，y[8])；当t<0 时Y[k] e (y0 [1], y0 [2], y0 [3], y0 [4], y0 [5], y0 [6], y0 [7], y0 [8])；if (Y (k) e (y [8]，y0 [8]) {HY = 0 ；}else if (U (k) e (u [1]，u [2]，u [3]，u [4]，u [5]，u [6]，u [7]，u [8]){HY = (y(k)-tl)/(t2_tl) ；}HY > O ；else if (U (k) e (uO [1]，uO [2]，uO [3]，uO [4]，uO [5]，uO [6]，uO [7]，uO [8]){HY = (Y(k)-t2)/(t2_tl) ；}HY < O ；HY与U (k)的方向一致。1)HU = HY+HE ；2) If (HE = 0) | | (HY = 0) {U (k) = HU* (u2_ul)+ul ；3) else {U (k) = HU/2* (u2_ul)+ul ；这样计算出U(k)的大小及方向，通过温度控制器1控制压缩机2的运转频率，从 图3中可以明显看出，系统超调量非常小，而且还可以通过不断地调整频率来实现对温度 的精确控制。在本发明中，为了更好的监控温度的变化，采取了与以往不同的取样方式，S卩不 是以固定的时间来采样温度AD值，而是对温度进行实时监控。当温度变化0. 1°C时，计算所 需要的时间，这样时间的大小就是温度变化的速率，而传统的固定周期采样方式无法准确 反映出温度变化的速率，试验证明，通过此控制，可以使温度控制有很大改善。第四步对于控制对象即恒量的介质而言，在一定的条件下(环境温度、负载不变时)其温 度变化0. 1°C所需要的能量是相等的。例如我们把水从10°c加热到20°C所做的功，与从 80°C加热到90°C所做的功是相等的，这样，先定义冷却剂每变化单位温度士0. 1°C所需要 克服负载所做的功为i。在温度稳定时，压缩机2的制冷量，必须与负载的发热量相等，否则温度会出现偏 移。而要使两者相等，则应该计算出负载的功率，由于压缩机的频率与功率基本上成线性关 系，在这里我们统一用压缩机的运转频率 > 来衡量。由以上分析可知，将冷却剂温度由第一平衡点温度Tl调整至设定温度Ts并且稳 定下来，则应满足如下关系式Ec00l = (Tl-Ts^'E+Eneat ⑴在式(1)中，Ectral——压缩机制冷能量；Eaeat——负载制热能量；
为了提高温度控制精度，本发明将此过程分为两个阶段分别控制；第一阶段，将冷却剂温度从第一平衡点温度Tl调整至中间温度T2，此过程为补偿 压缩机制冷量与负载发热量差的过程，补偿过程满足如下公式
(2)其中，fk—第k次采样时运行频率；tk——以fk频率运行的时间；tl—冷却剂由初始温度TO降至第一平衡点温度Tl所需要的时间；t2——冷却剂由第一平衡点温度Tl调整至中间温度T2所需要的时间；Δ E——是在假定Ecto1 = Eaeat的情况下云的估测值；f*——压缩机运行频率，是在假定Efotjl = Eaeat的情况下的估测值；其中，——压缩机运转频率；因为无法预先计算出^和>的实际值，为此我们可先取两个估测值ΔΕ和f*，AE
和f*两个估测值，分别满足如下公式f* = Ec。ol + tl(3)ΔΕ = Ecool/[2* (TO-Tl)] (4)。式(3)是假定Earal = Eaeat的条件下得出的，比实际值偏大，而在计算之时，由于系 统的延时及判断最低点的延迟，其偏差并不大。可以暂时认为f*为压缩机运转频率，这样在到达t2时刻时，已经使得制冷量与负 载之间因为温度差值而造成的能量不平衡消失，即，从t2时刻时，可以认为整个系统制冷 的能量已经达到平衡，以后只要让压缩机2以f*运行，在理想状态下，温度应该能够达到设 定温度Ts，并且不会再出现超调现象，如果以后以f*运行，则温度不会再变化。第二阶段，将冷却剂温度从中间温度T2调整至设定温度Ts，此过程中，及达到设 定温度Ts后，压缩机2均以f*运转频率运行。第五步由于以上得到的f*禾Π Δ E是预估值，会产生偏差，因此，在冷却剂温度达到设定温 度Ts时，对上述Δ E与f*两个估测值进行自动调节，计算出精确的^与^，保证压缩机2以
频率运行，从而使冷却剂温度稳定在控制精度范围内。计算^与>精确数值的步骤如下首先，冷却剂温度每上升或下降0. 1°C，相应地压缩机运转频率也上升或下降 1HZ，当温度变化超出士 0. TC时，温度每上升或下降0. TC，压缩机运转频率上升或下降 2HZ，这样，即可以自动调节得到>，当在某一温度点稳定较长时间时(例如3分钟)，则判断 当前频率即为f*的精确值>，此时刻相当于t3。然后，通过如下公式计算出ΔΕ的精确值云，
(5)其中，t3—压缩机以？频率运转的时间
I ΔΤ——在tl——13过程中，温度变化，即温度变化0. 1度，累加一次这样，就得 到了精确的和'E，此后就可以精确计算了。对同一系统，计算出>与^之后，再次启动系统时可以缩短从t0——13的时间，即 由如下公式 式(6)中，e(k)= TO-Ts 计算出我们从初始时温度TO到设定温度Ts所需克服负载发热所做的功，进行补 偿(可以以高频运行，不再进行PID调整)。然后再以>运行。其中，fk可以为一固定频率， 例如80HZ，运行一段时间后再以运行，在理论上就可以完全避免超调现象。这样不断可以 大大缩短初期稳定所需的时间，理想状态下没有任何超调量出现，大大节约能源。但是必须 注意的是，必须在其他条件(外部环境、负载)不变的情况下才能这样应用。如果其他条件 (外部环境、负载)变化，则应该重复上述步骤重新计算。此方法也可应用于其他情形温度控制，负载能力越大控制越稳定，或者适用于PID 控制的领域，对其进行改进，以达到节约能源的目的。如上所述，结合附图和实施例所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但 凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单 修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
一种高精度温度控制方法，其特征在于包括如下步骤1)温度控制器上电，不启动压缩机，设定需要的温度，开机，压缩机开始运行；2)根据冷却剂初始温度T0与设定温度Ts的差值e(k)，决定压缩机的初始运转频率，并保持压缩机以初始频率运行一段时间，直至压缩机制冷系统初步平衡；3)当系统正常运行后，采用PID算法，控制冷却剂温度由初始温度T0降至接近设定温度Ts的第一平衡点温度T1；此过程中，温度控制器将检测到的冷却剂的当前温度T与设定温度Ts之间的温度差e(k)、冷却剂的温度每变化单位温度所需时间的变化速率y(k)、及压缩机运转频率的变化控制量u(k)各分为若干个区间；当系统运行时，根据当前的温度差e(k)及变化速率y(k)的大小确定其所处于的区间，经温度控制器进行PID计算后，进一步确定控制量u(k)所对应的区间，从而确定当前压缩机的运转频率是上升或是下降，以及控制量u(k)的大小，再通过温度控制器向压缩机输出，从而控制压缩机的运转频率；4)将冷却剂温度再由第一平衡点温度T1调整至设定温度Ts，此过程应满足如下关系式 <mrow><msub> <mi>E</mi> <mi>Cool</mi></msub><mo>=</mo><mrow> <mo>(</mo> <mi>T</mi> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>Ts</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>*</mo><mover> <mi>E</mi> <mo>‾</mo></mover><mo>+</mo><msub> <mi>E</mi> <mi>Heat</mi></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，ECool——压缩机制冷能量； EHeat——负载制热能量；——压缩机在冷却剂变化单位温度所需要克服负载所做的功；5)压缩机以到达设定温度Ts时的运转频率持续运行，将冷却剂的温度稳定在设定温度Ts上。F2009101429475C0000012.tif
2.根据权利要求1所述的高精度温度控制方法，其特征在于该方法中对冷却剂的温 度进行实时监控，每当温度变化单位温度时，就计算所需要的时间，将得到的变化速率y (k) 输入到温度控制器。
3.根据权利要求1所述的高精度温度控制方法，其特征在于在上述步骤(4)中，分为 两个阶段；第一阶段，将冷却剂温度从第一平衡点温度Tl调整至中间温度T2，此过程为补偿压缩 机制冷量与负载发热量差的过程，补偿过程满足如下公式 其中，fk——第k次采样时运行频率； tk——以fk频率运行的时间；tl—冷却剂由初始温度TO降至第一平衡点温度Tl所需要的时间； t2——冷却剂由第一平衡点温度Tl调整至中间温度T2所需要的时间； Δ E——是在假定Eqkj1 = Eaeat的情况下云的估测值； f*——压缩机运行频率，是在假定Eqkj1 = Eaeat的情况下的/估测值； 其中，——压缩机运转频率；第二阶段，将冷却剂温度从中间温度T2调整至设定温度Ts，此过程中，及达到设定温度Ts后，压缩机均以f*运转频率运行。
4.根据权利要求3所述的高精度温度控制方法，其特征在于在冷却剂温度达到设定 温度Ts时，对上述Δ E与f*两个估测值进行自动调节，计算出精确的云与_f，从而使冷却剂 温度稳定在控制精度范围内。
5.根据权利要求3所述的高精度温度控制方法，其特征在于所述ΔΕ和f*两个估测 值，分别满足如下公式
6.根据权利要求4所述的高精度温度控制方法，其特征在于计算&与/精确数值的步 骤如下1)设定冷却剂温度每上升或下降单位温度，相应地压缩机运转频率也上升或下降 1HZ，当温度变化超出单位温度时，温度每上升或下降单位温度，压缩机运转频率上升或下 降2HZ，当在某一温度点稳定一定时间时，则判断当前频率即为f*的精确值>;2)通过如下公式计算出AE的精确值云， (5)其中，t3—压缩机以7频率运转的时间； ΔΤ——在tl——13过程中，温度变化，即温度变化0. 1度，累加一次。3)将ΔΕ与保存至温度控制器的EEPROM中。
7.根据权利要求4所述的高精度温度控制方法，其特征在于当系统再次启动时，由如 下公式计算得出压缩机从初始温度TO到设定温度Ts所需克服负载发热所做的功，进行补 偿，然后压缩机再以频率运行；
全文摘要
本发明涉及一种高精度温度控制方法，在系统开始运行时，根据冷却剂初始温度与设定温度的差值，决定压缩机的初始运转频率，并保持压缩机以初始频率运行一段时间，直至压缩机制冷系统初步平衡；当系统正常运行后，采用PID算法，控制冷却剂温度由初始温度降至接近设定温度的第一平衡点温度，此过程中，对温度差e(k)、变化速率y(k)、及压缩机运转频率的变化控制量u(k)采用分段控制的方法，避免超调量，提高控制精度；再将冷却剂温度再由第一平衡点温度T1调整至设定温度Ts，压缩机以到达设定温度Ts时的运转频率持续运行，将冷却剂的温度稳定在设定温度Ts上，从而使温度控制精度更高，可以将温度控制在±0.1℃范围内。
文档编号F25B9/02GK101887275SQ20091014294
公开日2010年11月17日 申请日期2009年5月14日 优先权日2009年5月14日
发明者张勇, 张永利, 李军学, 马霖 申请人:山东朗进科技股份有限公司