專利名稱：自適應(yīng)溫度控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及以應(yīng)用直接對(duì)熱敏感的電或磁性元件為基礎(chǔ)的溫度測(cè)量?jī)x器，具體 為一種自適應(yīng)溫度控制器。
背景技術(shù)：
溫度控制已成為工業(yè)生產(chǎn)、科研活動(dòng)中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，能否成功地將溫度控制 在所需的范圍內(nèi)關(guān)系到整個(gè)活動(dòng)的成敗。由于控制對(duì)象的多樣性和復(fù)雜性，導(dǎo)致采用的 溫控手段的多樣性。溫度控制必須滿足實(shí)際工作的要求，能限制在一定的范圍內(nèi)，才能 保證相關(guān)儀器的正常工作。在溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，其過(guò)程控制方式就是將被測(cè)量溫度由傳 感器變換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)器中，與給定值進(jìn)行比較，然后把比較 出的差值進(jìn)行PID運(yùn)算。所謂PID運(yùn)算就是比例、積分、微分運(yùn)算。P調(diào)節(jié)就是調(diào)節(jié)器 的輸出和輸入成比例。調(diào)比例帶，也就是調(diào)比例系數(shù)，比例帶就是輸出與輸入之比(放 大倍數(shù))的倒數(shù)。I調(diào)節(jié)就是輸出是輸入量(即偏差)的積分，只要有偏差，調(diào)節(jié)器就 會(huì)不斷積分，使輸送到執(zhí)行器的信號(hào)變化，校正被控量，直到達(dá)到無(wú)偏差為止，所以有 了積分調(diào)節(jié)器就會(huì)消除穩(wěn)態(tài)偏差。所謂整定積分時(shí)間就是調(diào)積分的快慢，這要取決于對(duì) 象的特性。D調(diào)節(jié)就是微分調(diào)節(jié)，也就是輸出對(duì)輸入的微分。微分調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)在于它的 超前性，當(dāng)輸入發(fā)生變化時(shí)，馬上就有微分信號(hào)產(chǎn)生，使被控量得以提前校正，然后再 由P、 I進(jìn)行校正，這樣可以使整個(gè)調(diào)節(jié)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間縮短，有利于調(diào)節(jié)質(zhì)量的提高。 但是，實(shí)際工業(yè)過(guò)程常具有非線性、時(shí)變性和不確定性，且很多工業(yè)過(guò)程是多變量的， 難于建立其精確的數(shù)學(xué)模型。即使一些對(duì)象能夠建立起數(shù)學(xué)模型，其結(jié)構(gòu)也往往十分復(fù) 雜。難于設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)有效控制。由于這種原因，工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)代控制理論設(shè) 計(jì)的過(guò)程控制器的控制效果收效甚少，經(jīng)典PID控制器仍然占有重要地位，而自適應(yīng)控 制算法尚未真正用于實(shí)際，尤其在溫度控制這一領(lǐng)域，還沒(méi)有真正實(shí)用的應(yīng)用自適應(yīng)算 法而的溫度控制器。而普通的溫度控制器，在控制純滯后是時(shí)間常數(shù)一倍以上的對(duì)象時(shí)， 效果并不理想
實(shí)用新型內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種真正應(yīng)用自適應(yīng)算法的實(shí)用的溫度控制儀器， 本實(shí)用新型公開了一種自適應(yīng)溫度控制器。
本實(shí)用新型通過(guò)如下技術(shù)方案達(dá)到發(fā)明目的
一種自適應(yīng)溫度控制器，包括數(shù)據(jù)采集模塊、控制輸出模塊、顯示電路模塊、越限 報(bào)警模塊和鍵盤輸入模塊，其結(jié)構(gòu)在于自適應(yīng)溫度控制器還包括單片機(jī)，采集模塊、 顯示電路模塊、越限報(bào)警模塊和鍵盤輸入模塊的信號(hào)輸出端都和單片機(jī)的信號(hào)輸入端連 接，單片機(jī)的信號(hào)輸出端和控制輸出模塊的信號(hào)輸入端連接。
所述的自適應(yīng)溫度控制器，其特征在于單片機(jī)用于實(shí)現(xiàn)預(yù)整定控制算法和自適應(yīng) 控制算法，自適應(yīng)控制算法如下所述
新的對(duì)象的參數(shù)估計(jì)量-老的對(duì)象的參數(shù)估計(jì)量+修正向量x(新的測(cè)量值一新測(cè)
量值的一步預(yù)測(cè))
所述的自適應(yīng)溫度控制器，其結(jié)構(gòu)在于自適應(yīng)溫度控制器還包括PLC，采集模塊、 顯示電路模塊、越限報(bào)警模塊和鍵盤輸入模塊的信號(hào)輸出端都和PLC的信號(hào)輸入端連 接，PLC的信號(hào)輸出端和控制輸出模塊的信號(hào)輸入端連接。PLC用于實(shí)現(xiàn)預(yù)整定控制算 法和自適應(yīng)控制算法，預(yù)整定控制算法的作用是一次性辯識(shí)加熱對(duì)象的純滯后，自適應(yīng) 控制算法如下所述
新的對(duì)象的參數(shù)估計(jì)量-老的對(duì)象的參數(shù)估計(jì)量+修正向量X(新的測(cè)量值一新測(cè) 量值的一歩預(yù)測(cè))
本實(shí)用新型采用連續(xù)辨識(shí)對(duì)象數(shù)學(xué)模型，不斷修正控制參數(shù)的原理，使過(guò)程控制始 終處于最佳控制狀態(tài)?？紤]到實(shí)際情況下對(duì)象數(shù)學(xué)模型變化時(shí)，往往纟$滯后時(shí)間變化不 大的事實(shí)，我們?cè)趯?shí)施對(duì)象數(shù)學(xué)模型的辨識(shí)時(shí)，采用了預(yù)整定(start-tuning)辨識(shí)對(duì)象 純滯后時(shí)間；采用離散化被控對(duì)象參數(shù)，用最小二乘法遞推的辦法辨識(shí)對(duì)象其他參數(shù)的 方法，大大簡(jiǎn)化了對(duì)象的辨識(shí)過(guò)程，同時(shí)也為為集約化，小型化的制造自適應(yīng)控制器奠
定了基石出o


圖1為本實(shí)用新型采用單片機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本實(shí)用新型工作時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本實(shí)用新型采用PLC的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)用新型 實(shí)施例1
一種自適應(yīng)溫度控制器，如圖1所示，包括數(shù)據(jù)采集模塊l、控制輸出模塊2、顯 示電路模塊3、越限報(bào)警模塊4、鍵盤輸入模塊5和單片機(jī)6，采集模塊l、顯示電路模 塊3、越限報(bào)警模塊4和鍵盤輸入模塊5的信號(hào)輸出端都和單片機(jī)6的信號(hào)輸入端連接， 單片機(jī)6的信號(hào)輸出端和控制輸出模塊2的信號(hào)輸入端連接。
工作時(shí)如圖2所示，溫度傳感器8的感應(yīng)探頭置于加熱對(duì)象9中，溫度傳感器8的 信號(hào)輸出端與自適應(yīng)溫度控制器的數(shù)據(jù)采集模塊l的信號(hào)輸入端連接，控制輸出模塊2 的加熱裝置置于加熱對(duì)象9中。
單片機(jī)6用于實(shí)現(xiàn)預(yù)整定控制算法和自適應(yīng)控制算法，自適應(yīng)控制算法如下所述 新的對(duì)象的參數(shù)估計(jì)量-老的對(duì)象的參數(shù)估計(jì)量+修正向量X(新的測(cè)量值一新測(cè)量值
的一步預(yù)測(cè))
實(shí)驗(yàn)證明在實(shí)時(shí)控制時(shí)，無(wú)論對(duì)象的數(shù)學(xué)模型如何變化(如電加熱控制中的電源 電壓變化，負(fù)載變化，散熱效果變化等)；無(wú)論控制器初始的控制參數(shù)(P、 I、 D)是多 少，系統(tǒng)都能在3 5倍的對(duì)象純滯后時(shí)間(t)內(nèi)穩(wěn)定，而且系統(tǒng)超調(diào)很小。
實(shí)施例2
一種自適應(yīng)溫度控制器，如圖3所示，包括數(shù)據(jù)采集模塊l、控制輸出模塊2、顯 示電路模塊3、越限報(bào)警模塊4、鍵盤輸入模塊5和PLC7，采集模塊l、顯示電路模塊 3、越限報(bào)警模塊4和鍵盤輸入模塊5的信號(hào)輸出端都和PLC7的信號(hào)輸入端連接，PLC7 的信號(hào)輸出端和控制輸出模塊2的信號(hào)輸入端連接。
PLC7用于實(shí)現(xiàn)預(yù)整定控制算法和自適應(yīng)控制算法，自適應(yīng)控制算法如下所述 新的對(duì)象的參數(shù)估計(jì)量=老的對(duì)象的參數(shù)估計(jì)量+修正向量乂(新的測(cè)量值一新測(cè)量值 的一步預(yù)測(cè))
對(duì)比實(shí)驗(yàn)1
將實(shí)施例1控制DHG-9240A型電熱恒溫箱閉環(huán)試驗(yàn)
1.將輸入和輸出線，電源線接好，上電起動(dòng)；設(shè)定溫度為60度，經(jīng)過(guò)預(yù)整定環(huán)節(jié)， 得出比例帶參數(shù)P為20.0度，積分時(shí)間I為300秒，微分時(shí)間D為100秒；控制器再 運(yùn)行自適應(yīng)控制算法程序，大約IO多分鐘就能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，無(wú)過(guò)沖，比例帶P在21.3
5度到34.9度之間變化，測(cè)量溫度穩(wěn)定后，比例帶P也穩(wěn)定在25.2度。然后穩(wěn)定半個(gè)小 時(shí)后，將設(shè)定溫度升高到100度，控制器運(yùn)行自適應(yīng)控制算法程序，大約20多分鐘就 能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，無(wú)過(guò)沖，比例帶P在9.1度到36.4度之間變化，測(cè)量溫度穩(wěn)定后，比 例帶P也穩(wěn)定在12.8度。再將設(shè)定溫度升高到120度，控制器運(yùn)行自適應(yīng)控制算法程 序，大約15多分鐘就能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，無(wú)過(guò)沖，比例帶P在15度到25.6度之間變化， 測(cè)量溫度穩(wěn)定后，比例帶P也穩(wěn)定在15度。測(cè)量值穩(wěn)定一段時(shí)間后，將DHG-9240A型 電熱恒溫箱開門一分鐘后關(guān)上，運(yùn)行自適應(yīng)控制算法程序，大約30分鐘測(cè)量值就能達(dá) 到穩(wěn)定狀態(tài)，無(wú)超調(diào)，比例帶在7.5度到30度之間變化，最終穩(wěn)定在17.4度。測(cè)量溫 度穩(wěn)定一段時(shí)間后，斷電，充分自然冷卻，再進(jìn)行步驟2。
2.繼步驟l，上電冷啟動(dòng)，設(shè)定溫度為120度，控制器運(yùn)行自適應(yīng)控制算法程序， 大約40多分鐘就能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，過(guò)沖1.8度，比例帶P在17.4度到34.7度之間變化， 測(cè)量溫度穩(wěn)定后，比例帶P也穩(wěn)定在20.5度。測(cè)量值穩(wěn)定一段時(shí)間后，將DHG-9240A 型電熱恒溫箱開門二分鐘后關(guān)上，運(yùn)行自適應(yīng)控制算法程序，大約15分鐘測(cè)量值就能 達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，無(wú)超調(diào)，比例帶在19.8度到41度之間變化，最終穩(wěn)定在33.6度。然后 穩(wěn)定半個(gè)小時(shí)后，將設(shè)定溫度降低到60度，控制器運(yùn)行自適應(yīng)控制算法程序，大約90 多分鐘就達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，測(cè)量溫度最低到57.4度，比例帶P在16.8度到30.0度之間變 化，測(cè)量溫度穩(wěn)定后，比例帶P也穩(wěn)定在27.4度。
對(duì)比實(shí)驗(yàn)2
將實(shí)施例1控制水爐試驗(yàn)-
將輸入和輸出線，電源線接好，上電起動(dòng)；設(shè)定溫度為40度，經(jīng)過(guò)預(yù)整定環(huán)節(jié)， 得出比例帶參數(shù)P為10.0度，積分時(shí)間I為200秒，微分時(shí)間D為100秒；控制器再 運(yùn)行自適應(yīng)控制算法程序，大約10多分鐘就能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，過(guò)沖約2.3度。比例帶在 16.6度到20.0度之間變化，測(cè)量溫度穩(wěn)定后，比例帶P也穩(wěn)定在16.6度。溫度半個(gè)小 時(shí)后，將水爐里面的水加滿，控制器運(yùn)行自適應(yīng)控制算法程序，大約20多分鐘達(dá)到穩(wěn) 定狀態(tài)，測(cè)量溫度最低到35度，比例帶P在16.6度到19.7度之間變化，測(cè)量溫度穩(wěn)定 后，比例帶P也穩(wěn)定在19.7度。
對(duì)比實(shí)驗(yàn)3
將實(shí)施例1控制GRX-卯03型熱空氣消毒箱試驗(yàn)
將輸入和輸出線，電源線接好，.上電起動(dòng)；設(shè)定溫度為80度，經(jīng)過(guò)預(yù)整定環(huán)節(jié)，
6得出比例帶參數(shù)P為48.0度，積分時(shí)間I為800秒，微分時(shí)間D為200秒；控制器再 運(yùn)行自適應(yīng)控制算法程序，大約15多分鐘就能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，無(wú)過(guò)沖，比例帶P在28.2 度到61.7度之間變化，測(cè)量溫度穩(wěn)定后，比例帶P也穩(wěn)定在44.5度。測(cè)量值穩(wěn)定一段 時(shí)間后，將GRX-9003型熱空氣消毒箱開門2分鐘后關(guān)上，運(yùn)行自適應(yīng)控制算法程序， 大約40分鐘測(cè)量值就能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，超調(diào)3度，比例帶在23.6度到44.5度之間變化， 最終穩(wěn)定在34.2度。穩(wěn)定半個(gè)小時(shí)后，將設(shè)定溫度升高到100度，控制器運(yùn)行自適應(yīng)控 制算法程序，大約60多分鐘能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，過(guò)沖2.6度，比例帶P在33度到53.5度 之間變化，測(cè)量溫度穩(wěn)定后，比例帶P也穩(wěn)定在53.4度。穩(wěn)定半個(gè)小時(shí)后，將設(shè)定溫 度降低到80度，控制器運(yùn)行自適應(yīng)控制算法程序，大約80多分鐘達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，測(cè)量 溫度最低到74.7度，比例帶P在51.1度到57度之間變化，測(cè)量溫度穩(wěn)定后，比例帶P 也穩(wěn)定在55.5度。
對(duì)比實(shí)驗(yàn)4
將實(shí)施例1控制加熱銅板
將輸入和輸出線，電源線接好，上電起動(dòng)；設(shè)定溫度為60度，經(jīng)過(guò)預(yù)整定環(huán)節(jié)， 得出比例帶參數(shù)P為50.0度，積分時(shí)間I為100秒，微分時(shí)間D為25秒；再斷電后充 分自然冷卻，進(jìn)行如下試驗(yàn)。
升溫(常溫升到6(TC)約需25分鐘能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),過(guò)沖約13.4°C。穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)， 溫度上下波動(dòng)約土0.3。C ，比例帶P穩(wěn)定在33.6度。
升溫(60°C—8(TC)約需16分鐘能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),過(guò)沖約12.8°C。穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，溫 度上下波動(dòng)約士0.3'C，比例帶P穩(wěn)定在34.4度。
降溫UO°C—6(TC)約需19分鐘能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),過(guò)沖約3.8°C。穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，溫度 上下波動(dòng)約土0.3r，比例帶P穩(wěn)定在32.0度。
經(jīng)多種功率不同的溫度對(duì)象如熱水加熱器、恒溫箱、加熱銅板等對(duì)象試驗(yàn)，當(dāng)其負(fù) 荷及環(huán)境條件變化很大時(shí)，本實(shí)用新型都能自動(dòng)改變比例帶，以取得滿意的控制效早。 比例帶可以從小于10自動(dòng)變化到數(shù)百。究竟變化多少視被控制對(duì)象的情況而定。本實(shí) 用新型可以自適應(yīng)的范圍是使控制器從全部吸合，到全部釋放，即輸出全部功率到全部 停止輸出。
本實(shí)用新型技術(shù)先進(jìn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用可靠，適應(yīng)的被控對(duì)象的面廣，幾乎原來(lái)采 用本公司溫度控制的場(chǎng)合均可使用。這種自適應(yīng)控制器使用方法十分方便，控制性能良好，性能價(jià)格比高。
權(quán)利要求1. 一種自適應(yīng)溫度控制器，包括數(shù)據(jù)采集模塊(1)、控制輸出模塊(2)、顯示電路模塊(3)、越限報(bào)警模塊(4)和鍵盤輸入模塊(5)，其特征在于自適應(yīng)溫度控制器還包括單片機(jī)(6)，采集模塊(1)、顯示電路模塊(3)、越限報(bào)警模塊(4)和鍵盤輸入模塊(5)的信號(hào)輸出端都和單片機(jī)(6)的信號(hào)輸入端連接，單片機(jī)(6)的信號(hào)輸出端和控制輸出模塊(2)的信號(hào)輸入端連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)溫度控制器，其特征在于自適應(yīng)溫度控制器還包括 PLC(7)，采集模塊(l)、顯示電路模塊(3)、越限報(bào)警模塊(4)和鍵盤輸入模塊(5)的信號(hào)輸 出端都和PLC(7)的信號(hào)輸入端連接，PLC(7)的信號(hào)輸出端和控制輸出模塊(2)的信號(hào)輸 入端連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及以應(yīng)用直接對(duì)熱敏感的電或磁性元件為基礎(chǔ)的溫度測(cè)量?jī)x器，具體為一種自適應(yīng)溫度控制器。一種自適應(yīng)溫度控制器，包括數(shù)據(jù)采集模塊(1)、控制輸出模塊(2)、顯示電路模塊(3)、越限報(bào)警模塊(4)、鍵盤輸入模塊(5)和包括單片機(jī)(6)，采集模塊(1)、顯示電路模塊(3)、越限報(bào)警模塊(4)和鍵盤輸入模塊(5)的信號(hào)輸出端都和單片機(jī)(6)的信號(hào)輸入端連接，單片機(jī)(6)的信號(hào)輸出端和控制輸出模塊(2)的信號(hào)輸入端連接。本實(shí)用新型使過(guò)程控制始終處于最佳控制狀態(tài)，簡(jiǎn)化了對(duì)象的辨識(shí)過(guò)程，同時(shí)也為為集約化，小型化的制造自適應(yīng)控制器奠定了基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)G05D23/19GK201259638SQ20082005917
公開日2009年6月17日 申請(qǐng)日期2008年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月30日
發(fā)明者王健安, 王士杰, 盛范成 申請(qǐng)人:上海亞泰儀表有限公司