[發明專利]基于自適應區間PID控制的氣體多通池溫控系統及方法

在審

• 申請號: 201810683103.0
• 申請日: 2018-06-28
• 公開（公告）號: CN108803308A
• 公開（公告）日: 2018-11-13
• 發明（設計）人: 謝洪濤;陳晨;鄭傳濤;王一丁;于偉泳;劉志偉;任強;韓鋒博
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42;G05D23/19;G01N21/01
• 代理公司: 長春市吉利專利事務所 22206
• 代理人: 李曉莉

1.基于自適應區間PID控制的氣體多通池溫控系統，其特征在于，包括：氣體多通池及控制單元(6)，所述氣體多通池由鋁合金支撐結構(1)和氣體樣品池(2)構成，所述氣體樣品池(2)設置在鋁合金支撐結構(1)上，氣體樣品池(2)的外壁上套有加熱膜(4)，所述加熱膜(4)完全包裹整個氣體樣品池(2)外壁，加熱膜(4)與加熱膜驅動模塊連接，加熱膜(4)為聚酰亞胺加熱膜，在加熱膜(4)與氣體樣品池(2)外壁之間設置溫度傳感器(3)，溫度傳感器(3)與溫度采集模塊連接；所述氣體樣品池(2)的外部還套設有保溫層(5)；所述保溫層(5)置于加熱膜(4)的外部；所述控制單元(6)包括溫度采集模塊、加熱膜驅動模塊及自適應區間PID控制器，所述溫度采集模塊及加熱膜驅動模塊分別與自適應區間PID控制器連接，自適應區間PID控制器包含單片機、區間控制模塊和參數控制模塊，區間控制模塊、參數控制模塊及單片機相互之間通信連接。

2.根據權利要求1所述的基于自適應區間PID控制的氣體多通池溫控系統，其特征在于：所述氣體樣品池(2)采用石英氣體樣品池。

3.根據權利要求1所述的基于自適應區間PID控制的氣體多通池溫控系統，其特征在于：所述單片機采用單片機STM32。

4.根據權利要求1所述的基于自適應區間PID控制的氣體多通池溫控系統，其特征在于：所述保溫層(5)采用保溫隔熱棉。

5.根據權利要求1所述的基于自適應區間PID控制的氣體多通池溫控系統，其特征在于：所述溫度采集模塊包括惠更斯電橋、儀表放大器及模數轉換器芯片，其中惠更斯電橋是由鉑電阻PT1000與三個電阻組成，惠更斯電橋中的三個電阻分別為R1、R2、R3，儀表放大器的輸入端與惠更斯電橋連接，儀表放大器的輸出端與模數轉換器芯片連接。

6.根據權利要求5所述的基于自適應區間PID控制的氣體多通池溫控系統，其特征在于：所述惠更斯電橋中R1、R2及R3采用具有相同溫度漂移系數的電阻。

7.根據權利要求5所述的基于自適應區間PID控制的氣體多通池溫控系統，其特征在于：所述儀表放大器采用儀表放大器AD620。

8.根據權利要求5所述的基于自適應區間PID控制的氣體多通池溫控系統，其特征在于：所述模數轉換器芯片采用模數轉換器芯片AD7705。

9.根據權利要求1所述的基于自適應區間PID控制的氣體多通池溫控系統，其特征在于：所述加熱膜驅動模塊包括光電耦合器TLP521、MOS管驅動芯片IR2117及MOS管IRF2807，所述光電耦合器TLP521、MOS管驅動芯片IR2117及MOS管IRF2807順次連接。

10.基于自適應區間PID控制的氣體多通池溫控方法，其特征在于,該方法采用權利要求1-9中任意一項所述的基于自適應區間PID控制的氣體多通池溫控系統，具體包括如下步驟：

步驟一、將待測氣體通入氣體多通池，溫度采集模塊進行溫度采樣，并將采集到的當前溫度實際值輸入至自適應區間PID控制器中，第k次采樣溫度實際值為youk(k)，單片機接收溫度采樣數據并進行處理，得到溫度偏差值e(k)，其中e(k)＝rin(k)-youk(k)，rin(k)表示溫度設定值，將溫度偏差值e(k)作為輸入參數輸入到區間控制模塊；

步驟二、當前溫度值所處區間范圍通過區間計算函數得到ε_k，即當前溫度的結束值與初始值之差，1≤k≤n,n≥5，同時當前溫度偏差值變化率通過偏差變化率計算函數得到e_c，即當前溫度實際值與初始溫度值的差值絕對值除以當前溫度采樣所用時間，將得到的前溫度值所處區間范圍ε_k和當前溫度偏差值變化率e_c作為輸入參數輸入到參數控制模塊中，計算出調整系數為比例放大系數K_P、積分系數K_I、微分系數K_D與當前溫度值所處區間范圍ε_k的關系系數，其中，rin(0)為在初始狀態下溫度設定值，第k次采樣溫度實際值為youk(k)，為比例項K_P、微分項K_I、積分項K_D與當前溫度偏差值變化率e_c的關系系數，得到當前溫度值所處區間范圍ε_k內比例放大系數K_P、積分系數K_I、微分系數K_D，通過將溫度控制過程細化為n個區間，對每個區間分別對比例放大系數K_P、積分系數K_I、微分系數K_D進行計算，得到

其中ε₁、ε₂、ε₃…ε_n為采用區間計算函數獲得的區間范圍值；

步驟三、將第k次采樣溫度偏差值e(k)、比例放大系數K_P、積分系數K_I、微分系數K_D作為控制參數輸入至自適應區間PID控制器進行比例、積分、微分計算得到第k次采樣的溫度輸出量u(k)，其中：

位置式數字PID控制算法中，e(k-1)表示第k-1次采樣溫度偏差值，e(j)表示離散化處理后，以矩形數值法代替積分計算過程中產生的中間量；

預先設定溫度輸出量限幅值，將u(k)與預先設定溫度輸出量限幅值比較，判斷溫度輸出量u(k)是否超出預先設定溫度輸出量限幅值，若超出預先設定溫度輸出量限幅值，則溫度輸出量u(k)為預先設定溫度輸出量限幅值，輸出預先設定溫度輸出量限幅值，若未超出預先設定溫度輸出量限幅值，則輸出的溫度輸出量u(k)不變。