一种应用于超声破碎仪的恒温控制装置及控制方法与流程

本发明属于工业自动化控制领域，具体是一种应用于超声破碎仪的恒温控制装置及控制方法。

背景技术：

超声波是指频率高于20000赫兹的的声波，它因其频率下限大于人的听觉上限而得名。当超声波在介质中传播时，由于超声波与介质的相互作用，使介质发生物理的和化学的变化，从而产生一系列力学的、热学的、电磁学的和化学的超声效应，主要包括机械效应、空化作用、热效应、化学效应4种。

超声波破碎仪是将电能通过换能器转换为声能，这种能量通过液体介质而变成一个个密集的小气泡，这些小气泡迅速炸裂，产生出像小炸弹一样的能量，从而起到破碎物质的作用。目前，超声波破碎仪在生物医学及纳米材料制备领域都已经取得广泛应用。

在超声波破碎仪的实验过程中，超声破碎仪作用于反应物时的环境温度往往有着严格要求。以超声波细胞破碎仪为例，试验样品多是对温度异常敏感的细胞组织，如果不能很好地控制反应温度，实验结果往往以失败告终。同时由于温度调节存在滞后性，而超声破碎仪对工作温度的准确性要求也更高，因此设计出一种能自动调节温度以满足实验需求的设备就显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明针对当前关于搭建破碎仪恒温环境操作复杂，控制精度不高的技术难题，提出了一种应用于超声破碎仪的恒温控制装置及控制方法。

本方案包括带前馈的模糊pid控制算法设计和温控装置硬件设计两部分内容。该装置包括具有夹套的玻璃反应装置、第一温度传感器、第二温度传感器、控制器、驱动模块、阀门电机和电动阀门；

所述的具有夹套的玻璃反应装置的进水口与进水管连接，进水管上设有电动阀门，具有夹套的玻璃反应装置的出水口上设有第一温度传感器，具有夹套的玻璃反应装置的反应槽内设有第二温度传感器，第一温度传感器和第二温度传感器的信号输出端与控制器的信号入端口连接，控制器的信号输出端口接驱动模块的信号输入端口，驱动模块驱动电动阀门的阀门电机。

以意法半导体公司stm32f103芯片为核心的单片机最小控制系统(附加有晶振、复位电路、电源和调试接口)作为控制模块，选用pt100作为温度传感器，采用大功率驱动芯片bts7960组成的全h桥驱动模块来控制阀门电机的正反转，进而调节电动阀门的开度大小来控制冷却水流量，同时有按键电路和tft液晶显示屏构成的人机交互模块。

所述的人机交互模块、传感器模块与驱动模块分别于控制器的相应引脚相连，控制器获取由人机交互模块设定的控制时间和温度值，并存放在内存当中；传感器将检测到的数据输入到控制器中；将设定值与采集到的当前值进行模糊pid控制算法的处理后输出控制信号给驱动模块；经驱动模块放大处理后输出至阀门电机，进而调节电动阀门的开度大小来控制冷却水流量来实现温度的调节。

一种应用于超声破碎仪的恒温控制装置的控制方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：将反应槽内设有第二温度传感器检测数据传送给控制器，得到当前温度y；

步骤二：第一温度传感器检测数据传送给控制器，得到回水温度z。

步骤三：控制器将当前温度y与设定温度值x进行比较，按照模糊pid控制算法进行处理后输出控制量u1。

步骤四：根据回水流量、回水温度和反应液当前温度y，整定前馈增益调节系数k。

步骤五：控制器输出控制信号量u＝u1+k*z。

步骤六：驱动模块将接收到的控制信号量u进行放大处理，控制阀门电机正反转及转速的快慢。

步骤七：通过电机的动作来控制与之连动电动阀门，从而实现阀门开度的大小调节，进而控制冷却水水量的大小。

步骤八：每隔一段时间，返回步骤一，控制器会将采集到的当前温度值与预设值进行比较，并通过算法对控制信号量进行修正，直至达到温度的动态平衡，从而实现恒温自动控制。

本发明的有益效果：采用带夹套的反应槽装置，通过控制注入夹套内的冷水流量来调节恒温环境，操作简单易实现。此外模糊pid的智能算法较之传统工艺可以获得更快的响应速度，更小的超调量和更强的抗干扰能力。在外界环境温度发生大范围变化时，反应槽温度波动低于0.5℃，装置运行平稳，操作简便，具备广阔应用前景和商业价值。

附图说明

图1模糊pid控制系统框图；

图2恒温装置结构示意图。

具体实施方式

以期望温度为40℃为例，结合图1说明该恒温装置的模糊pid控制器的设计。

一、确定控制器的输入量与输出量。设反馈的实际温度为y，设定温度为x＝40℃，则我们规定误差e＝x-y以及误差变化率ec作为输入语言变量，控制驱动装置的信号量u选作输出语言变量。

二、确定输出量和输入量的量化等级、量化因子以及论域。

取三个语言变量的量化等级都为9级；本例中采用非线性量化，故量化因子为非常量；温度偏差e的基本论域选为{100,100}，选其模糊化时的论域为{3,3}，则量化因子为ge＝3/100＝0.03。偏差变化率ec的基本论域选为{10,10}，其模糊化时的论域为{3,3}，则量化因gc＝3/10＝0.3。输出比例系数修正量δkp的基本论域选{0.24,0.24}，其模糊论域选为{3,3}，则量化因子为gp＝0.24/3＝0.08。积分系数修正量δki的基本论域为{0.06,0.06}，其模糊论域为{3,3}，则量化因子为gi＝0.06/3＝0.02。微分系数修正量δkd的基本论域为{0.03,0.03}，其模糊论域为{3,3}，则量化因子gd＝0.03/3＝0.01。

三、在输入和输出语言变量的量化域内定义模糊子集。

本设计选定的模糊论域全部为{3,3}，语言变量需选取7个语言值：

nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb。选取三角形隶属度函数。

四、确定模糊控制规则并建立模糊控制规则表。

δkp的模糊规则表如下：

δki的模糊规则表如下：

δkd的模糊规则表如下：

五、求出模糊控制表。根据建好的模糊控制规则表和隶属度函数值，查出模糊推理器输出的pid三个修正参数kp、ki、kd的模糊输出值。

下面结合图2，以40℃作为恒温控制装置的要求，举例说明该系统的工作流程：

1.将反应釜内的温度传感器检测数据传送给控制器，得到当前温度y。

2.将回水处的温度传感器检测数据传送给控制器，得到回水温度z。

3.控制器将当前温度y与设定温度值x进行比较，按照上述模糊pid控制算法进行处理后输出控制量u1。

4.根据回水流量、回水温度和反应液温度，整定前馈增益调节系数k。

5.控制器输出控制信号量u＝u1+k*z。

6.h桥驱动模块将接收到的控制信号量u进行放大处理，控制阀门电机正反转及转速的快慢。

7.通过电机的动作来控制与之连动电动阀门，从而实现阀门开度的大小调节，进而控制冷却水量的大小。

8.每隔相应一段时间，程序会返回步骤2，控制器会将采集到的当前温度值与预设值进行比较，并通过算法对控制信号量进行修正，直至达到温度的动态平衡，从而实现恒温自动控制。