微型快速温变实验箱温度控制系统和方法与流程

本发明涉及快速温变试验箱，用于电子，化学，教学器材等多行业。更具体地说，涉及一种微型快速温变试验箱温度控制系统,能够快速的到达设定的温度而与环境温度无关。

背景技术：

微型快速温变试验箱应用于电子，化学和教学器材等领域，目前由部分恒温箱使用微型压缩机制冷系统，其设备机构较大，成本较高，能耗较高，在使用恒温空间较小的应用使十分不方便。市场上另一些恒温箱只进行制热控制，只能通过向外界进行热辐射的方式降温，无法快速制冷。另外，当前的微型恒温箱存在制冷制热速率低，而且恒温稳定过程十分缓慢等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种微型快速温变系统和控制方法，使得恒温箱工作室内的温度能够快速自动调整到设定的目标温度，不受环境温度的限制。

为实现上述目的本发明采用的技术方案是，微型快速温变实验箱温度控制系统，包括压缩机制冷系统、ptc加热器、tms微控制器和大屏实时数据监控系统。

其中，所述压缩机制冷系统包括冷凝器、蒸发器、毛细管和压缩机构成制冷回路，压缩机与冷凝器之间通过主要冷电磁阀、辅冷电磁阀和压缩机冷却电磁阀搭建了三条支路，从而与制冷回路中的其它部件构成主要制冷回路，辅助制冷回路和压缩机冷却回路。主要制冷回路和辅助制冷回路的区别为制冷剂流量的区别，压缩机冷却回路是在制热温度高于30℃时，为压缩机降时温使用。所述蒸发器(带风扇)位于工作室内，通过压缩机制冷回路，吸收工作室内的热量，达到制冷的效果。

所述ptc加热器由tms微控制器通过pwm脉宽调制，控制固态继电器，从而改变加热时间改变制热量的大小。ptc加热器位于蒸发器后部，通过蒸发器的风扇，使加热空气在工作室内流动，加快工作室内升温或降温。

所述大屏实时数据监控系统通过usb转can模块与tms微控制器进行数据命令交换。大屏实时数据监控系统采用基于android的大屏数据显示器，可以控制tms控制器的启停，并且修改tms微控制器控制参数。

所述tms微控制器采用自适应模糊pid算法与有限状态机结合的方式对工作室内的温度进行控制；采用有限状态机对工作室的温度分阶段进行控制，有限状态机包括以下4个状态：

初始状态：初始化自适应模糊pid算法的中间参数和元器件的初始状态；

快速加热状态：如果设定温度远大于实际温度，进入全速加热状态；

快速制冷控制状态：如果设定温度远小于实际温度，进入全速制冷状态；

温度控制状态：当设定温度和实际温度差在一定范围内，进入自适应模糊pid调节状态。其中快速加热状态进入pid温度控制状态的控制参数，即比例系数kp，积分系数ki和微分系数kd与快速制冷控制状态进入pid温度控制状态的参数不同。

本发明还提供了一种微型快速温变实验箱温度控制系统的控制方法，包括以下步骤：

a.初始化：开启蒸发器风扇，关闭ptc加热器，关闭压缩机制冷系统，等待大屏实时数据监控系统发送的设定温度。

b.实际温度和设定温度在的差值大于t摄氏度时，如果设定值大于实际值，则开启ptc加热器，控制ptc的占空比pwm为100；如果设定值小于实际值，则开启主要制冷回路，关闭ptc加热器，控制ptc的占空比pwm为0，进行制冷操作。当工作室温度大于40℃时，由于压缩机在制热的时候环境温度大于40℃度时，温度比较高，开启压缩机制冷回路。

c.实际温度和设定温度差值小于等于t℃时，则采用自适应模糊pid算法对工作室内的温度进行控制，在进行模糊自适应pid算法的过程中：通过设定值与实际值的误差，和误差的导数，通过量化因子到模糊论域中，然后通过模糊推理，反模糊化，输出pid输出结果进行自适应pid调节；通过pid参数计算后的pwm输出给固态继电器调节，并且在pid控制阶段，压缩机制冷系统开启辅助制冷回路，通过pid参数计算后的pwm输出给固态继电器调节，并且在pid控制阶段，压缩机制冷系统开启辅助制冷回路，其中pwm占空比的值为0到100，其中周期为1秒。

d.如果设定值发生改变，则重复a至c步骤，将工作室的温度控制到设定温度。

本发明中tms控制器采用模糊自适应pid计算，pid算法根据设定温度和工作室当前的温度，根据pid参数中的kp，ki，kd确定ptc的占空比，进行分阶段，分状态对微型快速温变箱进行控制。采用本控制方法可以减少快速温变系统的稳定时间，并且在温度控制时采用增量式pid，对系统的鲁棒性由提升。

ptc加热时通过tms微处计算pid结果输出一个pwm占空比，通过固态继电器的通断时间来控制ptc的加热。其中，ptc加热器的占空比周期为1秒钟，pwm占空比范围为0到100。

温度控制系统既能够快速制冷，也可以快速制热，实现在快速温变系统范围内的任意温度，精度高，满足各种使用小型恒定温度的需求。

工作室的温度传感器分布在工作室的四个点，能够检测到工作室各个点的温度，保证控制温度均匀，使得温度控制系统对快速温变系统的温度控制更精确。

所述android的大屏通过usb串口转can工具，通过can总线和tms微控制器进行通信，android大屏可以实时更改控制tms微控制器的控制，并能够实时显示微型快速温变系统工作室的实时温度信息。

本系统通过控制加热器，间接控制工作室的温度，由于本系统由主冷和辅助制冷回路两条回路，在系统制冷阶段，全速开启主冷回路。再制热阶段，全速进行制热，能够最减少控制时间。具体地：

1.由于压缩机控制回路分为主要制冷回路和辅助制冷回路，通过两条制冷回路，能够再达到设定值和实际值大于t之前快速响应。通过模自适应pid算法，再设定值和实际值小于t时，工作室温度可以快速稳定而达到设定温度。

2.使用usb转can模块对数据进行传输，由于can的稳定性和长距离和抗干扰的特点，使得安卓大屏实时显示数据更加的稳定和距离更加的长。

3.采用模糊自适应增量式pid控制算法，不仅能够精确的控制系统稳态的温度，而且使得系统的上升时间大大小小。采用增量式pid是由于快速温变系统在达到设定稳定的时候快速温变箱工作室依然要进行热平衡，采用增量式pid可以更好的保持热平衡。采用模糊自适应的特点是由于才控制系统的物理模型难以量化和建模，所以就采用模糊自适应pid控制算法，能够达到预期的快速温变的效果。如果对系统进行更换，只需要调节模糊规则库的相关参数即可。

4.采用基于状态的控制方法，能够有效的避免误操作和异常情况的方法，更能够表现快速温变系统的控制流程和逻辑。更有利于模型移植和更改平台。

附图说明

图1是本发明的温度控制系统示意图；

图2是本发明微型恒温箱的温度控制方法的有限状态机形式的示意图；

图3是本发明微型快速温变试验箱箱的温度控制系统的工作流程图；

图4是本发明自适应模糊pid的原理图。

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，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的涉及一种微型快速温变箱的温度控制系统，该系统采用分阶段分状态的模糊自适应增量式pid算法，对检测到的快速温变箱的工作室内温度与安卓大屏系统设定温度的差值，进行pid控制ptc加热器，ptc加热器和压缩机辅助制冷回路共同作用。使恒温箱箱体内的温度恒定于目标温度，从而自动调整恒温箱箱体内的温度到设定的目标温度，不受环境温度的限制。

具体的说，如图1与所示：本实施例包含：温度传感器，包括压缩机制冷系统，ptc加热器，tms微控制器和基于android的大屏实时数据控制系统。温度传感器用于检测恒温箱工作室内的温度，通过tms微控制器采集到的工作室温度和实际温度的差值，进行pid计算，控制ptc加热器的pwm占空比，配合压缩机制冷系统的辅助制冷系统，进行制冷或者制热。在工作室内，由于ptc加热器和压缩机制冷系统的蒸发器在工作室内，通过蒸发器的风机，将工作室内部的温度进行降温和升温，从而使得微型快速温变系统的工作室的温度快速达到设定值。压缩机制冷系统出口回路分为三条支，其中三条支路分别式主要制冷回路，辅助制冷回路，以及压缩机冷却回路。主要制冷回路的冷却能力最强，在快速制冷时候开启；辅助制冷回路在是和ptc加热控制工作室温度使用，压缩机冷却回路在环温箱温度较高时候开机降低压缩机温度使用。主要制冷回路和辅助制冷回路不能同时开启，主要制冷回路(或者辅助制冷回路)和压缩机冷却回路可以同时开启。

采用分阶段模糊自适应增量pid算法计算和控制ptc加热信号，可实现工作室实际温度和设定温度较大时的快速调整，以及偏差较小时的精细调整，同时保证恒温过程的快速性和恒温温度的稳定性。具体的说tms微控制器采用分阶段的pid控制算法，在设定温度和工作室实际温度有较大偏差的时候，先对工作室进行全程加热，加热到设定温度和工作室实际温度在一定偏差范围内，然后再做模糊自适应pid算法控制；同理，如果设定温度小于工作室温度，则进行制冷阶段，制冷到一定程度的时候，然后再进行pid计算。在pid控制阶段中，通过pid计算的值输出pwm占空比控制固态继电和压缩机辅助制冷回路进行制冷或者制热控制。

如图2所示，整个控制算法包含四个状态，采用有限状态机的状态方式对工作过程进行控制，整个控制算法包含四个阶段：初始化状态，快速制热状态，快速制冷状态和温度控制状态。初始状态：初始化自适应模糊pid算法的中间参数和元器件的初始状态；关闭压缩机、ptc加热器。快速加热状态：如果设定温度远大于实际温度，进入全速加热状态；ptc加热器全开，主冷和辅冷关闭。快速制冷控制状态：如果设定温度远小于实际温度，进入全速制冷状态；ptc加热器关闭，主要制冷电磁阀打开。温度控制状态：当设定温度和实际温度差在一定范围内，进入自适应模糊pid调节状态。需要开启辅助制冷电磁阀，关闭主冷电磁阀。

在这个四个状态中，在同一个时刻有且仅有一个状态在运行，不可能同时存在两个状态同时运行，状态之间的连接线是状态和状态之间的切换条件，每个状态内部的描述是在该状态下需要进行的操作。在同一个时刻，有且仅有一个状态保持持续运行。使用有限状态机的方式对微型快速温变系统进行控制，能够清晰的规划和修改微型快速温变系统的控制状态，使得微型快速温变系统的控制逻辑更加清晰，易于修改和提高控制效果。基于有限状态机的控制描述可以通过专有软件如simulink/stateflow等软件进行搭建，也可以通过其他c/c++等语言进行状态机标志位模拟，不限制语言，易于实现。

tms微控制器根据传感器探测到的温度，输出控制信号，通过控制ptc加热器和压缩机辅助制冷回路，对微型快速温变系统工作室进行温度控制。这样实施工作室既能够制热，又可以制冷，不受环境温度限制，实现在工作温度范围内的任何温度控制。

此外，温度系统还包括ptc加热器和压缩机制冷系统；tms微控制器输出pwm信号通过固态继电器，间接控制ptc的加热时间进行加热。制冷时通过压缩机制冷系统的蒸发器风扇通过热交换，降低快速温变系统的工作室温度。其中在快速制冷状态和快速制热状态的时候，快速加热状态只有加热，快速制冷状态只有制冷，初始化状态既无加热也无制冷，在pid控制状态中又加热和压缩机辅助制冷开启。也就是说，快速温变系统在进行温度控制的时候，压缩机辅助制冷会一直开启，通过调节ptc的加热时间来控制快速温变系统工作室的温度达到稳定，而且在任何状态下都可以改变设定温度，不受任何限制。

如图3所示工作流程，通过安卓大屏设定温度后，然后通过can总线通过tms微控制器进行控制温度。安卓大屏可以设定温度和控制参数，和数据显示和保存；tms微控制器负责控制控制ptc和压缩机制冷回路。

本发明通过输入的误差和误差的变化率来自适应改变pid控制器的参数；所述tms微控制器包含分状态和分阶段的自适应模糊pid控制，所述自适应模糊pid计算所述恒温箱工作室的实际温度和设定温度，结合pid分阶段和分状态控制压缩机制冷系统和pid计算出的值控制脉宽调制pwm信号的占空比来实现微型快速温变系统工作室恒温控制。

由于控制系统的复杂性，对于一些基于精确数学模型构造的温度控制算法，如大林(dahlin，e,b.)控制算算法等需要精确的数学模型，而模糊控制可以不依赖控制对象的数学模型，依然可以达到理想的控制效果，使用自适应模糊控制算法，不仅在线性系统有良好的控制特性，而且在非线性系统中控制也有良好的特性。在本系统中，使用模糊自适应pid控制算法，不仅减少了稳定时间，而且还减少了稳态误差。由于快速温变箱的特性，在在温度达稳定的时候，依然需要保持快速温变箱的热平衡，所以选用的是增量式pid控制算法。包括以下步骤：

步骤1.通过pid公式的变形和离散化，写出离散化增量式pid的控制表达式，并对误差部分做处理，防止误差较小的时候频繁调节导致系统多次震荡。以及对输出的增量式pid的控制对象进行限制，防止执行机构输出值越界。

1.1对于pid控制器部分的连续表达式为：

err(t)＝set(t)-actual(t)；

t表示某个时刻；kp表示比例系数；ki表示积分系数；kd表示微分系数；err(t)表示t时刻的误差,其值为当前状态下的设定值减去实际值；set(t)表示t时刻的设定温度，actual(t)表示工作室的实际温度。ti表示微分时间常数。td表示积分时间常数。u(t)表示经过自适应模糊pid算法后的输出值，该值直接赋值给固态继电器。

通过离散化和u(t)减去u(t-1)得到增量式的表达式为：

△u(t)＝u(t)-u(t-1)＝kp×[(err(k)-err(t-1))]+ki×e(t)+kd×[e(t)-2e(t-1)+e(k-2)]

u(t)＝u(t-1)+△u(t)

△u(t)为每次pid计算后的增量、e(t)分别表示本时刻设定值与实际值的差。

1.2对误差部分进行阈值限制，防止误差较小的时候频繁调节引起震荡：

|err(t)|<0.06时,u(t)输出等于0；

1.3ptc执行机构的输出进行输入值限定，由于执行器ptc的输出占空比范围为0-100。如果pid的输出超过100，则u(t)等于100，如果pid输入的值小于0，则u(t)＝0；

0<＝u(t)<＝100

1.4控制参数kp,ki,kd为kpini，kiini，kdini加上各自的增量。其中δkp,δki,δkd为自适应模糊控制器输出,kpini，kiini，kdini为初始的pid参数值。

kp＝δkp+kpini

ki＝δki+kiini

kd＝δkd+kdini

步骤2.自适应模糊控制的的设计：具体是：

2.1通过系统调试找出一能使的温度控制系统为稳定且超调量不超过20％的pid参数kpini，kiini，kdini，。

2.2将温度的差值e(t)(即实际温度减去设定温度)和温度的变化率△e(t)作为自适应模糊控制器的输入，输出为δkp,δki,δkd。自适应模糊pid控制最重要的是论域的选择，其中e(t)的论域为[-5,5],△e(t)的论域为[-0.5,0.5]。其模糊子集e(t)，△e(t)＝{nb,nm,ns,zo,ps,pm,pb}，其子集为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，其中，将误差和误差的变化率模糊化，其中将物理论域转化为模糊数的量化因子为：

ke,kec＝2nj/|b-a|；

其中nj为模糊论域的个数(本实施例为3)，b为物理论域的最大值，a为物理论域的最小值。ke为误差e(t)的量化因子，kec为△e(t)的量化因子。

2.3隶属度函数选用为三角形。由于隶属度函数选取对整个控制系统的控制效果影响不大，隶属度函数的形状影响远没有论域上各模糊子集的分布及相邻的子集隶属度重叠交叉情况影响大。在控制器上方便计算，采用三角行隶属度函数进行控制。

2.4建立模糊控制知识推理库。δe(t)在系统e(t)比较大的时候，为了减小系统的上升时间，应该选取较大的δkp，同时选取适当的δki，防止超调量过大，导致积分时间过长增加稳定时间。当e(t)比较小时，应该选取较小的δkp,δki，δkd过大会导致系统震荡，并减弱系统的抗干扰能力。建立模糊知识推理时，采用大量实验得出的经验，采用查表的方式反清晰化得出δkp,δki，δkd的值。

其中在进行模糊推理的查表模糊规则库为：

kp的规则库表值为:

ki的规则库表值为:

kd的规则库表值为:

上表中：nb,nm,ns,zo,ps,pm,pb，分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，是输出的模糊论域，模糊论域越多，控制就越精细，但是工作量就越大。通过这个模糊论域然后乘以比例因子就得到了输出的δkp，δki，δkd。本发明通过大量实验获得了适用于本模糊自适应pid算法的推理库，具有较好的控制效果。

2.6通过模糊知识推理库出来的值进行反模糊化，将将模糊数转化为物理论域的比例因子转化为出δkp，δki，δkd；其中：

kp＝δkp+kpini

ki＝δki+kiini

kd＝δkd+kdini

通过自适应模糊kp，ki，kd控制，输入给固态继电器，控制ptc的加热时间，从而控制其温度。

为了方便数据保存和tms系统的控制，本实施例通过安卓大屏开发的上位机进行控制和数据保存，其中安卓大屏和tms控制器进行数据交换时通过can总线进行通信，而安卓大屏通过数据usb转can模块从tms的can总线进行数据传输。安卓大屏可以显示以时间轴为横轴，实际温度为纵轴的温度曲线图，并能够设置目标温度，对tms微控制器进行指令发送，同时控制快速温变箱工作室的温度。

采用安卓大屏显示器显示当前温度，还能够通过安卓虚拟键盘对比例系数kp，积分时间系数ki，和微分时间系数kd进行设置，还可以设置设定温度(也就是目标温度)。目标设定温度在小数点后一位为有效位，比如设定t℃等，超过两位小数由于温度传感器的分辨率精度，是无效的。在安卓大屏设定好目标温度后，微型快速温变系统就会根据设定的算法进行温度控制，快速达到设定温度，其中最快稳定时间在3到4分钟左右。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。