一种基于滑模-PID复合控制的电热毯温度控制系统的制作方法

本发明涉及一种基于滑模-pid复合控制的电热毯温度控制系统，属于温度控制领域。

背景技术：

在严寒的冬天，由于电热毯具有加温保暖、舒适、卫生、轻便的特点、且对风湿病、腰腿痛、关节炎有一定的治疗效果，故电热毯是一种比较好的冬季床上用品。

但是电热毯的温度控制具有升温单向性，大惯性，大滞后，时变性等特点。其升温、保温是依靠电阻丝加热，降温则是依靠环境自然冷却。当其温度一旦超调就无法用控制手段使其降温，因而很难用数学方法建立精确的模型和确定参数，应用传统的控制理论和方法难以达到理想的控制效果。

技术实现要素：

技术问题：针对上述现有技术，提出一种基于滑模-pid复合控制的电热毯温度控制系统，该系统可以实现对电热毯温度的快速、精确控制，系统响应速度快、稳定性高。

技术方案：一种基于滑模-pid复合控制的电热毯温度控制系统，包括热电偶温度传感器、矩阵按键模块、显示模块、滑模-pid复合控制器、电源控制模块和电热毯；所述热电偶温度传感器采集电热毯温度数据，将采集的温度数据传输给滑模-pid复合控制器；滑模-pid复合控制器根据接收到的温度数据和设定的温度，计算温度的偏差、偏差速率和滑模面，根据温度偏差对滑模控制和pid控制进行选择，并产生电源控制模块驱动信号；电源控制模块控制电热毯的加热功率，以跟随设定温度；矩阵按键模块用于设定温度和定时时间；显示模块用于显示设定温度、实际温度、定时时间以及电热毯剩余工作时间。

进一步的，所述滑模-pid复合控制器包括执行如下步骤的存储器：

步骤1：电热毯开机时，采样电热毯温度数据tm，并计算温度偏差tn、温度偏差变化率tl和滑模面s；

步骤2：根据温度偏差tn，通过模式切换判断采用滑模-pid复合控制器中的pid控制器还是滑模控制器进行电热毯温度控制；

步骤3a：当采用pid控制器时，根据温度误差tn，通过pid控制器产生电热毯控制信号，控制电热毯工作；

步骤3b：当采用滑模控制器时，根据温度偏差tn、温度偏差变化率tl和滑模面s，通过滑模控制器产生电热毯控制信号u，控制电热毯工作。

进一步的，所述步骤1中，根据公式(1)计算温度偏差tn、温度偏差变化率tl和滑模面s；

式中，tc为电热毯设定温度，t表示时间，xi为第i个状态变量，i取1、2、3、4，c1、c2、c3和c4是常量。

进一步的，所述步骤2中，模式切换器通过公式(2)输出切换开关控制信号f，切换开关控制信号f获得方式如下：

式中，θ为模式切换阈值；

当切换开关控制信号f为1时，选择滑模控制器进行电热毯温度控制；当切换开关控制信号f为0时，选择pid控制器进行电热毯温度控制。

进一步的，所述步骤3a中，电热毯控制信号u的表示如下：

式中，kp、ki和kd分别为pid控制器的比例增益、积分增益、微分增益；s为复变量。

进一步的，所述步骤3b中，电热毯控制信号uf的表示如下：

式中

式中，为比例系数，δn为常系数，k为系统阶数，αi，βi为常系数，δ0为趋近于零但非零的量，n为测温次数。

有益效果：(1)本发明采用滑模-pid复合控制对温度进行控制，实现了对电热毯设定温度的快速跟随，对温度的精确控制。

(2)本发明中采用矩阵按键模块对温度以及工作时间进行设定，通过显示模块对设定温度、实际温度、剩余工作时间等进行显示，人机交互更为友好。

附图说明

图1为本发明提出的电热毯控制系统结构示意图；

图2为滑模-pid复合控制器原理图；

图3为滑模控制器原理图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，一种基于滑模-pid复合控制的电热毯温度控制系统，包括热电偶温度传感器、矩阵按键模块、显示模块、滑模-pid复合控制器、双向可控硅电热毯。热电偶温度传感器采集电热毯温度数据，将采集的温度数据传输给滑模-pid复合控制器；滑模-pid复合控制器根据接收到的温度数据和设定的温度，计算温度的偏差、偏差速率和滑模面，并根据温度偏差对滑模控制和pid控制进行选择，并产生电源控制模块驱动信号；电源控制模块控制电热毯的加热功率，以跟随设定温度；按键矩阵模块用于设定温度和定时时间；显示模块用于显示设定温度、实际温度、定时时间以及电热毯剩余工作时间。

其中，电热毯温度特性近似的传递函数为：

其微分方程可表示为：

a4y⁽⁴⁾+a3y⁽³⁾+a2y⁽²⁾+a1y⁽¹⁾+y＝bu(2)

式中，y为输入量，y的上标是求导次数，u为输出量，a1、a2、a3和a4是常量，b为常量。

状态变量系统方程为：

式中，xi为第i个状态变量，为比例系数，αi为常系数，δn为为任意小但非零的量。

令电热毯的温度偏差为tn＝tc-tm，其中tc为设定温度，tm为采样电热毯温度数据得到的电热毯的实际温度，再设状态变量x1＝tn，进而：

如图2所示，滑模-pid复合控制器包括如下步骤：

步骤1：电热毯开机时，采样电热毯温度数据tm，并计算温度偏差tn、温度偏差变化率tl和滑模面s；

式中，tc为设定电热毯温度，t表示时间，xi为第i个状态变量，i取1、2、3、4，c1、c2、c3和c4是常量。

步骤2：根据温度偏差tn，通过模式切换判断采用滑模-pid复合控制器中的pid控制器还是滑模控制器进行电热毯温度控制，切换开关控制信号f获得方式如下：

式中，θ为模式切换阈值。

当切换开关控制信号f为1时，选择滑模控制器进行电热毯温度控制；当切换开关控制信号f为0时，选择pid控制器进行电热毯温度控制。

步骤3a：当采用pid控制器时，根据温度误差tn，通过pid控制器产生电热毯控制信号u，控制电热毯工作，其中，电热毯控制信号u的表示如下：

式中，kp、ki和kd分别为pid控制器的比例增益、积分增益、微分增益；s为复变量。

步骤3b：参照图3，当采用滑模控制器时，根据温度偏差tn、温度偏差变化率tl和滑模面s，通过滑模控制器产生电热毯控制信号uf，控制电热毯工作。这里，根据公式(9)得到电热毯控制信号uf：

式中

式中，为比例系数，δn为常系数，k为系统阶数，αi，βi为常系数，δ0为趋近于零但非零的量，n为测温次数。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。