一种恒温箱快速自适应控制方法.pdf

015年10月
宇航计测技术
第35卷第5期
Journal of Astronautic Metrology and Measurement
Vol 35. No5
文章编号:1000~7202(2015)05-0050-04
中图分类号:TP29
文献标识码:A
种恒温箱怏速自适应控制方法
宋佳赟潘攀李斌王书强刘碧野
(北京东方计量测试研究所,北京100086)
摘要随着测量技术的不断发展,恒温箱的应用越来越广泛,传统的温度控制方法多采用全模拟电路进
行控制,在控制精度及实时控制方面不能满足需求,且无法进行功能设定,本文设计了一种恒温箱快速自适应控制
方法,基于该方法设计的便携式控温箱,根据恒温箱内外温度差采用不同的控制策咯,采用加热与制冷双态工作模
式,实现对控温箱内部温度的高精度控制,满足更高的应用需求。
关键词控温自适应恒温箱高精度改进PID
A Fast Adaptive Control Method for Air Enclosure
SONG Jia-yun PAN Pan II Bin WANG Shu-qiang IIU Bi-ye
(Beijing Orient Institute of Measurement and test, Beijing 100086
Abstract An improved adaptive method was introduced in this paper. With this method, a novel
portable precision air enclosure which was able to choose different control strategies according to the tem-
erature difference between inside and outside the enclosure could be designed. In this system, the high
er application requirements that the temperature inside the portable air enclosure is more precise accurate
to 20mk can be made with th
use o
dual-mode operatin
Key words Temperature control Self-adaption Enclosure High precision Improved PTD
1引言
温精度、控温速度以及控温过程中的功能设定均提
出了越来越高的要求,而现有的温度控制系统几乎
日前科技发展过程中微弱信号的测量、精密仪都采用模拟电路进行控制,虽然温度控制稳定度比
器及器件的使用都离不开恒定的温度。温度控制在较高,但是控制速度和实时性不太理想,因此需要探
实验室技术、医疗技术和半导体技术等领域非常重索一种体积小、控温速度快、控温精度高的温度控制
要,例如实验室标准电阻和标准电池的计量和使用
方法
病毒标志的物检、光纤陀螺仪的使用坏境等都对控
针对现有技术存在的缺陷和不足,本文设计了
温箱提出了新的要求。
一种恒温箱快速自适应控温方法。所谓“自适应
随着技术快速发展,各领域对恒温箱的体积、控是指系统按照坏境的变化调整其自身,使得其行为
在新的或者已经改变了的环境下达到最好或者至少
收稿日期:2015-07-26,修回日期:2015-10-14
作者简介:术佳贇(1985-),男,工程师,硕士研究生,主要研究方向:电学计量与测试及交自流大电流、交流小电流等极值量技术。
一种恒温箱快速自适应控制方法
是容许的特性和功能,这种对环境变化具有适应能
交流电源输入
力的控制系统称为自适应控制系统。自适应控制系
统是采用控制对象特性控制被控参数趋近目标参数
电源转换模块
的一种控制系统。自适应温度控制系统是利用实际
内部温度
信号放大模块
温度与测量温度以及自适应控制方法控制温度逐渐
检测模块
核心控铡
模块
温度控制模块
趋近目标温度,实现将被控对象的日标温度控制在
外部温度
特定误差范围内。
检测模块
加热制冷模
木文设计的自适应控温方法是通过数字式温度
键盘输入模「通信模块
液晶显示模块
传感器检測恒温箱内部和外部温度,控制器利用检
上位机
测内外部温度及目标控制温度进行控制决策并输出
温度控制信号,经过信号放大模块放大后输出到温
图1控制系统结构框图
度控制模块,温度控制模块将温度控制信号进行功
卒变换后输出实际温度控制信号控制加热制冷模
本文设计的自适应控制方法采用的核心控制器
块,加热制冷模块根椐实际控制信号实现加热或制集成串行通信模块和数模转换模块,可以通过串行
冷双模态控制,在实现温度控制的同时,不断进行控通信模块与上位机进行通讯。根据恒温箱实际内部
温参数的修正,实现对恒温箱内部温度的快速自适温度和预设控制温度实吋进行自适应控制决策,通
应控制。
过内部数模转换输出相应控制信号控制温度慢馊趋
近预设控制温度。
2系统结构设计方案
2.2硬件电路设计
温度检测使用的温度传感器内部结构框图如图
为了克服现有温度控制方法采用模拟电路进行2所示。
温度控制,导致温度控制实时性低且不能进行多重
功能设定的问题,本文的怛温箱采用数字式温度传
校准数据
度
感器检測恒温箱内外部温度,根据检测温度参数和
传感器
SCK
IDATA
目标控制温度进行白适应控制决策,选择合适的控
内置
14位AD凵数字接
放大器「口转换器&CRC单元
制参数和控制流程,快速且高效地把温箱内部温
温度
GND
度控制在设定误差范用内。
传感器
2.1系统结构
本控制系统结构图如图1所示。包括核心控制
图2温度检测模块电路框图
模块、内部温度检测模块、外部温度检測模块、键盘
输入模块、信号放大模块、温度控制模块、加热制冷
该系列产品将传感器与信号放大器合为一体,
模块、液晶显示模块、通信模块。
不仅使信号强度增加、抗干扰能力増强,且长期稳定
其中温度信号采集分为内部和外部两个部分。性也得到了保证;集成在一起的AD转换器也可以
内部温度检测模块和外部温度检遡模块分別用于检降低系统的噪声干扰。最为重要的是每只传感器芯
测恒温箱内部温度和外部温度,并分判将数字式温片内装载的正对该芯片的传感器的校淮数据,保证
度数据传输釗核心控制模块。为了保证控温箱内温了每一只传感器输出的一致性,械小了在内部温度
度的均匀性,木文采取多点采集的方法以满足控制采集时出传感器引起的系统误差。该稳定性为
恒温箱外部温度,外部温度检测是为了防止设备外的派、,同时还具有低功耗等特点,符合本设计
模块多点控制的要求。外部温度检测模块用于检测
<0.04℃/
围温度突变时,设备的热容使得传感器改变加热器
温度控制模块功放大电路如图3所示。
电流时的反应时间延迟使控制电路失稳。
利用功率三极管设计