[發(fā)明專利]基于自適應(yīng)區(qū)間PID控制的氣體多通池溫控系統(tǒng)及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810683103.0
• 申請(qǐng)日: 2018-06-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108803308A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-11-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 謝洪濤;陳晨;鄭傳濤;王一丁;于偉泳;劉志偉;任強(qiáng);韓鋒博
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B11/42
• 分類號(hào): G05B11/42;G05D23/19;G01N21/01
• 代理公司: 長(zhǎng)春市吉利專利事務(wù)所 22206
• 代理人: 李曉莉

本發(fā)明基于自適應(yīng)區(qū)間PID控制的氣體多通池溫控系統(tǒng)及方法，屬于氣體多通池溫控領(lǐng)域，氣體樣品池外壁使用加熱膜包裹實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體多通池的加熱，PT1000鉑電阻溫度傳感器置于氣體樣品池外壁與加熱膜之間實(shí)時(shí)檢測(cè)氣體多通池工作溫度，氣體多通池整體采用保溫隔熱棉形成保溫作用。針對(duì)被控對(duì)象結(jié)構(gòu)復(fù)雜響應(yīng)較慢引起超調(diào)量大問(wèn)題，在傳統(tǒng)PID控制算法的基礎(chǔ)上改進(jìn)，將控制過(guò)程根據(jù)溫度偏差值細(xì)分為多個(gè)區(qū)間，在每個(gè)區(qū)間內(nèi)根據(jù)區(qū)間值和溫度偏差值的變化率對(duì)比例放大系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)進(jìn)行設(shè)定，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)區(qū)間PID控制算法，使溫度控制快速且無(wú)超調(diào)。為二氧化碳同位素檢測(cè)系統(tǒng)性能的提升提供了可靠保障。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于氣體多通池溫控領(lǐng)域，尤其是涉及一種用于紅外氣體同位素檢測(cè)的氣體多通池高精度控制的溫控系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)

氣體同位素的精確測(cè)量在生物醫(yī)學(xué)、水文學(xué)、古生物學(xué)、地球化學(xué)和大氣物理化學(xué)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。激光吸收光譜法用于氣體同位素探測(cè)非常有利于發(fā)展成實(shí)時(shí)在線測(cè)量系統(tǒng)。由于待測(cè)氣體吸收線的吸收系數(shù)會(huì)受待測(cè)氣體溫度的影響，產(chǎn)生的電壓信號(hào)的幅值會(huì)隨氣體溫度的變化發(fā)生變化，這將直接影響檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定度和精準(zhǔn)度。因此在實(shí)際應(yīng)用中需對(duì)氣體多通池采用恒溫措施來(lái)減小氣體溫度波動(dòng)，控制吸收系數(shù)穩(wěn)定，從而提高檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度及響應(yīng)速度、降低其檢測(cè)下限。

氣體多通池主要由石英氣體樣品池和兩側(cè)反射鏡面以及復(fù)雜的鋁合金材料的支撐結(jié)構(gòu)組成，氣體多通池復(fù)雜的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了其熱響應(yīng)時(shí)間常數(shù)大，內(nèi)部熱分布不均勻，并和外界發(fā)生著不確定的熱交換。另外，為了最大限度的提高氣體同位素檢測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，氣體多通池內(nèi)部氣體的溫度需要以最快的速度收斂，這些因素和要求，對(duì)氣體多通池的高精度溫度控制提出了很大的挑戰(zhàn)。

PID控制器被廣泛應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)中，PID控制器又分為模擬PID控制器和數(shù)字PID控制器，模擬PID控制器響應(yīng)速度快，但模擬PID控制器參數(shù)會(huì)隨著電路的確定而固定，很難做出改變。數(shù)字PID控制器是一種線性調(diào)節(jié)器，它根據(jù)設(shè)定值與實(shí)際值構(gòu)成的偏差，將偏差的比例環(huán)節(jié)(P)、積分環(huán)節(jié)(I)、微分環(huán)節(jié)(D)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)控制量進(jìn)行控制。積分環(huán)節(jié)的作用是消除靜態(tài)誤差，但在系統(tǒng)啟動(dòng)或者更換設(shè)定值時(shí)，由于積分環(huán)節(jié)的存在，會(huì)產(chǎn)生很大的偏差，造成PID計(jì)算的積分累積，導(dǎo)致積分飽和，最終引起系統(tǒng)超調(diào)量大以及穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)。

目前，積分分離PID控制算法的基本思想是當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，設(shè)定值與實(shí)際值存在較大偏差，去除積分環(huán)節(jié)，從而避免由于積分環(huán)節(jié)作用導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)量增大，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降；當(dāng)實(shí)際值接近設(shè)定值時(shí)，引入積分控制，以消除靜態(tài)誤差，提高控制精度。但實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于被控對(duì)象結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)較慢，加熱前期偏差較大，系統(tǒng)仍會(huì)出現(xiàn)超調(diào)，存在穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)以及調(diào)節(jié)精度不高的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述難點(diǎn)和現(xiàn)有技術(shù)中存在的氣體多通池結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熱響應(yīng)時(shí)間常數(shù)大的問(wèn)題，提供一種基于自適應(yīng)區(qū)間PID控制的氣體多通池溫控系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

本發(fā)明提出了一種基于自適應(yīng)區(qū)間PID控制的氣體多通池溫控系統(tǒng)，其特征在于，包括：氣體多通池及控制單元，所述氣體多通池由鋁合金支撐結(jié)構(gòu)和氣體樣品池構(gòu)成，所述氣體樣品池設(shè)置在鋁合金支撐結(jié)構(gòu)上，氣體樣品池的外壁上套有加熱膜，所述加熱膜完全包裹整個(gè)氣體樣品池外壁，加熱膜與加熱膜驅(qū)動(dòng)模塊連接，加熱膜為聚酰亞胺加熱膜，在加熱膜與氣體樣品池外壁之間設(shè)置溫度傳感器，溫度傳感器與溫度采集模塊連接；所述氣體樣品池的外部還套設(shè)有保溫層；所述保溫層置于加熱膜的外部；所述控制單元包括溫度采集模塊、加熱膜驅(qū)動(dòng)模塊及自適應(yīng)區(qū)間PID控制器，所述溫度采集模塊及加熱膜驅(qū)動(dòng)模塊分別與自適應(yīng)區(qū)間PID控制器連接，自適應(yīng)區(qū)間PID控制器包含單片機(jī)、區(qū)間控制模塊和參數(shù)控制模塊，區(qū)間控制模塊、參數(shù)控制模塊及單片機(jī)相互之間通信連接。

所述氣體樣品池采用石英氣體樣品池。

所述單片機(jī)采用單片機(jī)STM32。