[發明專利]一種恒溫裝置溫度控制系統和方法

有效

• 申請號: 202011165083.1
• 申請日: 2020-10-27
• 公開（公告）號: CN112327605B
• 公開（公告）日: 2023-02-28
• 發明（設計）人: 李小平;梅早陽;熊飛;任振
• 申請（專利權）人: 武漢微環控技術有限公司
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42;G05B13/04;G05D23/19;G05D23/22;G05D23/24
• 代理公司: 武漢華之喻知識產權代理有限公司 42267
• 代理人: 王世芳;曹葆青

1.采用一種恒溫裝置溫度控制系統進行溫度控制的方法，其特征在于，所述的一種恒溫裝置溫度控制系統，其包括兩個相對獨立的控制單元，分別為一級溫度控制單元和二級溫度控制單元，其中，

一級溫度控制單元設置在溫控柜的一端，一級溫度控制單元包括制冷系統和一級加熱器，用于恒溫裝置溫度控制初始階段快速調節，

二級溫度控制單元設置在溫控腔的一端，二級溫度控制單元包括二級加熱器，用于為恒溫裝置溫度控制最終階段的溫度精調節，同時能夠降低溫控柜和遠傳氣路對溫控腔溫度控制的影響，提高溫度控制精度，

工作時，制冷系統和一級加熱器共同作用將送至溫控腔入口的氣體溫度調節為最佳溫度T1，然后通過二級加熱器將溫控腔內目標點的溫度控制在目標溫度T0，

一級溫度控制單元包括由總控制器P1、一級溫控單元主控制器P2和一級溫控單元副控制器P3組成的串級控制結構，總控制器采用雙輸入非線性PI控制器，一級主控制器采用經典PI控制器，為了協調制冷與加熱的控制效果，一級副控制器采用單輸入非線性PI控制器，總控制器、一級溫控單元主控制器以及一級溫控單元副控制器共同根據e1、e2，輸出4mA～20mA電流分別控制壓縮機轉速和一級加熱器加熱量，實現一級溫控單元的溫度控制，

e1、e2分別是溫度設定值T0與溫控腔目標點溫度傳感器和二級加熱器入口溫度傳感器反饋值的偏差，

二級溫度控制單元包括二級溫控單元主控制器P4和二級溫控單元副控制器P5，二級溫控單元主控制器P4采用PID控制器，以能適應溫控腔大時滯及精度高的要求，二級溫控單元副控制器PI控制器，以能快速消除對遠傳管路的干擾，并滿足溫度精度的要求，工作中，根據設定值與二級加熱器出口溫度反饋值的偏差輸出4mA～20mA電流驅動功率調整器調節二級加熱器加熱量，

制冷系統包括壓縮機(7)、冷凝器(8)、膨脹閥(9)和蒸發器(10)，壓縮機(7)出口連通冷凝器(8)，冷凝器(8)連通膨脹閥(9)入口，膨脹閥(9)出口連通蒸發器(10)入口，蒸發器(10)出口連通壓縮機(7)入口，通過控制壓縮機(7)的轉速以改變制冷系統制冷量，進而通過蒸發器(10)和系統氣體管路的溫度交換降低系統氣體溫度，

恒溫裝置溫度控制系統的氣體回路包括風機(11)、一級加熱器、二級加熱器、節流閥、溫控腔，通過風機將溫控腔中的氣體不斷進行循環和混合，最終達到理想的溫度目標，

風機(11)出口連通蒸發器(10)，蒸發器(10)依次連通一級加熱器、二級加熱器、溫控腔、節流閥、風機，以形成一個循環回路，其中，在一級加熱器出口處設置有一級加熱器出口溫度傳感器(13)，在二級加熱器入口處設置有二級加熱器入口溫度傳感器(14)，在二級加熱器出口處設置有二級加熱器出口溫度傳感器(15)，在溫控腔內設置有腔體目標點溫度傳感器(16)，

其還包括獨立氣浴、又一個二級加熱器、獨立氣浴溫度傳感器(18)和設置在又一個二級加熱器出口處的二級加熱器溫度傳感器(19)，其中，獨立氣浴設置在溫控腔內，

將控制階段分為初始化階段S0、一級溫控單元粗調節階段S1、一級溫控單元尋優階段S2、二級溫控單元精調節階段S3、系統穩定運行階段S4，一級溫控單元粗調節階段S1，實現溫度控制的快速收斂，一級溫控單元尋優階段S2，提高氣體溫度控制精度的同時得到溫控腔體入口氣體最佳溫度值，二級溫控單元精調節階段S3，進一步提高溫控腔體溫度控制精度，系統穩定運行階段S4，用于實時監測穩態溫度偏差，根據偏差值調整系統運行階段，保證整個系統高效運行，

具體將溫度控制劃分為五個階段，分別如下：

S0：將各控制器的輸入輸出參數清零，對系統執行初始化，

S1：一級溫度控制單元執行粗調節，設定粗調節的目標值為T0，在目標溫度控制點的溫度偏差e1與粗調節階段的控制精度Ta滿足|e1|≤Ta，進入步驟S2，否則不進入，其中，Ta為一級溫度控制單元執行粗調節控制階段的控制精度，

S2：一級溫度控制單元執行高精度調節，調節后，二級加熱器進口溫度穩態精度達到Tb，并維持時間h1穩定不變，一級溫控單元設定值T1＝T0-Tb，進入步驟S3，否則不進入，

S3：二級溫度控制單元執行高精度調節，二級溫度控制單元的目標控制點為溫控腔，在溫度偏差|e1|≤Tc，并維持時間超過h2后，進入下一步，否則不進入，Tc為二級溫度控制單元執行高精度調節控制階段的控制精度，

S4：適時監控e1是否在Tc精度范圍內，一旦e1超出Tc精度范圍，則根據精度實際值運行至相應步驟。