本發(fā)明屬于恒溫裝置，特別涉及一種基于pid控制策略的恒溫裝置、系統(tǒng)以及控制方法。

背景技術(shù)：

1、恒溫裝置是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)研究等領(lǐng)域的設(shè)備，其主要功能是維持控制對(duì)象在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)，以確保生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，溫度控制的精確性對(duì)許多科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)流程至關(guān)重要，任何細(xì)微的溫度波動(dòng)都可能導(dǎo)致結(jié)果的偏差或產(chǎn)品質(zhì)量的下降。

2、目前，實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域通常采用空氣恒溫設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)的恒溫，空氣恒溫設(shè)備利用電加熱元件、風(fēng)扇和溫控系統(tǒng)共同工作，通過(guò)持續(xù)的空氣循環(huán)和加熱，對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行有效的溫度控制，這類設(shè)備通常設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、操作方便，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，例如細(xì)胞培養(yǎng)、材料測(cè)試、化學(xué)反應(yīng)和生產(chǎn)制造等。

3、盡管空氣恒溫設(shè)備在許多應(yīng)用中具有重要作用，但現(xiàn)有的恒溫策略仍存在一些顯著的缺陷；例如，溫度波動(dòng)問(wèn)題在實(shí)際操作中經(jīng)常出現(xiàn)，當(dāng)區(qū)域環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，空氣恒溫設(shè)備在加熱目標(biāo)區(qū)域至設(shè)定溫度的過(guò)程中，往往為了提高響應(yīng)速度而未設(shè)置緩沖過(guò)程，這種策略可能導(dǎo)致溫度在抵達(dá)目標(biāo)值時(shí)出現(xiàn)短暫波動(dòng)，從而影響實(shí)驗(yàn)或生產(chǎn)的穩(wěn)定性和可靠性；此外，傳統(tǒng)的恒溫策略還可能在面對(duì)復(fù)雜的外部環(huán)境變化時(shí)表現(xiàn)出響應(yīng)遲緩或控制不精確的問(wèn)題，進(jìn)一步影響系統(tǒng)的整體性能。

4、因此，目前亟需一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)溫度與設(shè)定值之間偏差，并精確調(diào)節(jié)控制信號(hào)的恒溫裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：為了克服以上不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于pid控制策略的恒溫系統(tǒng)，能夠通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)控制信號(hào)，有效減少溫度波動(dòng)，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)能夠快速響應(yīng)環(huán)境變化，提供精準(zhǔn)的溫度控制，確保實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)過(guò)程的高效進(jìn)行。

2、技術(shù)方案：為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于pid控制策略的恒溫裝置，包括：

3、測(cè)溫單元，用于測(cè)量預(yù)設(shè)對(duì)象的預(yù)設(shè)區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)；

4、加熱單元，用于提供加熱功能；

5、風(fēng)機(jī)，所述風(fēng)機(jī)與加熱單元連通，風(fēng)機(jī)用于抽取預(yù)設(shè)對(duì)象的空氣并將抽取空氣導(dǎo)入加熱單元，形成預(yù)設(shè)溫度的氣流；

6、控制單元，所述控制單元采用pid控制策略不斷調(diào)整風(fēng)機(jī)與加熱單元的工作狀態(tài)，以將預(yù)設(shè)對(duì)象的預(yù)設(shè)區(qū)域恒溫至預(yù)設(shè)溫度區(qū)間內(nèi)，且所述測(cè)溫單元、加熱單元和風(fēng)機(jī)均與控制單元連接。本發(fā)明所述的一種基于pid控制策略的恒溫裝置，通過(guò)再控制單元內(nèi)引入pid控制策略不斷調(diào)整風(fēng)機(jī)與加熱單元的工作狀態(tài)，以將預(yù)設(shè)對(duì)象的預(yù)設(shè)區(qū)域恒溫至預(yù)設(shè)溫度區(qū)間內(nèi)。

7、其中，所述測(cè)溫單元包括至少一個(gè)熱電偶傳感器，所述熱電偶傳感器用于將測(cè)得的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并傳遞給控制單元，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)的采集，且至少一個(gè)熱電偶傳感器安裝在預(yù)設(shè)對(duì)象的預(yù)設(shè)區(qū)域內(nèi)。

8、進(jìn)一步的，所述測(cè)溫單元包括若干熱電偶傳感器，所述熱電偶傳感器安裝于預(yù)設(shè)對(duì)象的預(yù)設(shè)區(qū)域內(nèi)，且所述熱電偶傳感器沿預(yù)設(shè)區(qū)域呈陣列式布置；

9、呈陣列式布置的若干個(gè)熱電偶傳感器用于將測(cè)得的溫度信號(hào)綜合，形成溫度分布信號(hào)，進(jìn)而將溫度分布信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并傳遞給控制單元，以實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)區(qū)域的溫度分布數(shù)據(jù)的采集。

10、優(yōu)選地，所述控制單元包括溫度比較模塊、pid控制器、模糊控制器模式切換模塊和控制器，所述溫度比較模塊、pid控制器、模糊控制器模式切換模塊均與控制器連接；

11、所述溫度比較模塊，用于將預(yù)設(shè)對(duì)象的預(yù)設(shè)區(qū)域溫度與目標(biāo)設(shè)定溫度比較。

12、更進(jìn)一步的，所述pid控制器包括第一調(diào)整模塊、第二調(diào)整模塊、第三調(diào)整模塊和第四調(diào)整模塊，所述pid控制器根據(jù)溫度比較模塊生成的溫度偏差，執(zhí)行第一調(diào)整模式、第二調(diào)整模式、第三調(diào)整模式和第四調(diào)整模式中的至少一種；

13、所述第一調(diào)整模塊，用于執(zhí)行第一工作模式，若預(yù)設(shè)區(qū)域溫度低于目標(biāo)設(shè)定溫度，則所述第一調(diào)整模塊控制ka1斷路器閉合，此時(shí)加熱單元進(jìn)入加熱狀態(tài)，同時(shí)所述第一調(diào)整模塊制ka2斷路器閉合，風(fēng)機(jī)進(jìn)入送風(fēng)狀態(tài)，通過(guò)風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)將抽取的空氣導(dǎo)入加熱單元，形成熱風(fēng)，以此為預(yù)設(shè)對(duì)象的預(yù)設(shè)區(qū)域提供恒溫通過(guò)風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)將抽取的空氣導(dǎo)入加熱單元，形成熱風(fēng)，以此為預(yù)設(shè)對(duì)象的預(yù)設(shè)區(qū)域提供恒溫；

14、所述第二調(diào)整模塊，用于執(zhí)行第二工作模式，若預(yù)設(shè)區(qū)域溫度與目標(biāo)設(shè)定溫度之間誤差小于等于第一預(yù)設(shè)溫度值，則所述第二調(diào)整模塊控制ka1斷路器閉合，此時(shí)加熱單元按第一預(yù)設(shè)間隔時(shí)間啟停，調(diào)整加熱單元的工作狀態(tài)，以將預(yù)設(shè)對(duì)象的預(yù)設(shè)區(qū)域溫度緩慢調(diào)整至預(yù)設(shè)溫度區(qū)間內(nèi)；

15、所述第三調(diào)整模塊，用于執(zhí)行第三工作模式，若預(yù)設(shè)區(qū)域溫度達(dá)到目標(biāo)設(shè)定溫度，則所述第三調(diào)整模塊控制加熱單元按第二預(yù)設(shè)間隔時(shí)間啟停，調(diào)整加熱單元的工作狀態(tài)，以將預(yù)設(shè)對(duì)象的預(yù)設(shè)區(qū)域溫度恒溫至預(yù)設(shè)溫度區(qū)間內(nèi)；

16、所述第四調(diào)整模塊，用于執(zhí)行第四工作模式，所述第四工作模式為：若預(yù)設(shè)區(qū)域溫度高于目標(biāo)設(shè)定溫度，則所述第一調(diào)整模塊控制ka1斷路器斷開(kāi)，控制加熱單元暫停工作，同時(shí)所述第一調(diào)整模塊控制ka2斷路器閉合，風(fēng)機(jī)進(jìn)入送風(fēng)狀態(tài)，通過(guò)風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)將抽取的空氣導(dǎo)入預(yù)設(shè)對(duì)象的預(yù)設(shè)區(qū)域，直至預(yù)設(shè)區(qū)域?qū)⒅聊繕?biāo)設(shè)定溫度。

17、本發(fā)明所述的基于pid控制策略的恒溫裝置，所述模糊控制器包括模糊調(diào)整模塊和模式切換模塊，模式切換模塊，其根據(jù)溫度比較模塊生成的溫度偏差，執(zhí)行工作模式切換；

18、所述模糊調(diào)整模塊用于執(zhí)行模糊工作模式，所述模糊工作模式為：采用模糊控制策略不斷調(diào)整風(fēng)機(jī)與加熱單元的工作狀態(tài)，即：若預(yù)設(shè)區(qū)域溫度與目標(biāo)設(shè)定溫度之間誤差超過(guò)第二預(yù)設(shè)溫度值，則所述模糊調(diào)整模塊控制加熱單元和風(fēng)機(jī)進(jìn)入預(yù)設(shè)功率模式，快速調(diào)整加熱單元和風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，以快速將預(yù)設(shè)對(duì)象的預(yù)設(shè)區(qū)域溫度向預(yù)設(shè)溫度區(qū)間范圍調(diào)整；

19、若預(yù)設(shè)區(qū)域溫度與目標(biāo)設(shè)定溫度之間誤差小于等于第一預(yù)設(shè)溫度值，則通過(guò)模式切換模塊將控制策略從模糊調(diào)整模塊切換至第二調(diào)整模塊的工作模式。本發(fā)明通過(guò)引入了模糊控制模式，能夠在溫度偏差較大時(shí)快速響應(yīng)，迅速將溫度調(diào)整至目標(biāo)區(qū)間；模糊控制模式基于溫度誤差和變化率的模糊邏輯推理，動(dòng)態(tài)調(diào)整加熱單元和風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度，確保恒溫裝置在各種復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。

20、本發(fā)明所述基于pid控制策略的恒溫裝置的恒溫系統(tǒng)，其特征在于，還包括殼體，所述殼體內(nèi)設(shè)有安裝板，所述安裝板采用鏤空設(shè)置，所述安裝板上設(shè)有恒溫腔體，位于恒溫腔體的一側(cè)設(shè)有電源，位于電源的一側(cè)設(shè)有一組斷路器，位于殼體的外側(cè)設(shè)有拉手，所述斷路器包括ka1斷路器和ka2斷路器，所述ka1斷路器和ka2斷路器均安裝在安裝板上，且均與加熱單元、風(fēng)機(jī)、控制單元和電源相連接，所述加熱單元、風(fēng)機(jī)集成于恒溫腔體內(nèi)。

21、本發(fā)明所述的一種基于pid控制策略的恒溫裝置的恒溫系統(tǒng)的恒溫控制方法，所述恒溫控制方法包括以下步驟：

22、根據(jù)測(cè)溫單元測(cè)得的預(yù)設(shè)對(duì)象的預(yù)設(shè)區(qū)域溫度數(shù)據(jù)，將預(yù)設(shè)區(qū)域溫度與目標(biāo)設(shè)定溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，進(jìn)而根據(jù)比較結(jié)果，執(zhí)行pid控制模式，具體控制過(guò)程如下：

23、若預(yù)設(shè)區(qū)域溫度低于目標(biāo)設(shè)定溫度，則控制加熱單元進(jìn)入加熱狀態(tài)，通過(guò)風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)將抽取的空氣導(dǎo)入加熱單元，形成熱風(fēng)；

24、若預(yù)設(shè)區(qū)域溫度與目標(biāo)設(shè)定溫度之間誤差小于等于第一預(yù)設(shè)溫度值，則控制加熱單元按第一預(yù)設(shè)間隔時(shí)間啟停，調(diào)整加熱單元的工作狀態(tài)，以將預(yù)設(shè)對(duì)象的預(yù)設(shè)區(qū)域溫度緩慢調(diào)整至預(yù)設(shè)溫度區(qū)間內(nèi)；

25、若預(yù)設(shè)區(qū)域溫度達(dá)到目標(biāo)設(shè)定溫度，則控制加熱單元按第二預(yù)設(shè)間隔時(shí)間啟停，調(diào)整加熱單元的工作狀態(tài)，以將預(yù)設(shè)對(duì)象的預(yù)設(shè)區(qū)域溫度恒溫至預(yù)設(shè)溫度區(qū)間內(nèi)；

26、若預(yù)設(shè)區(qū)域溫度高于目標(biāo)設(shè)定溫度，則控制加熱單元暫停工作，通過(guò)風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)將抽取的空氣導(dǎo)入預(yù)設(shè)對(duì)象的預(yù)設(shè)區(qū)域內(nèi)。

27、本發(fā)明所述基于pid控制策略的恒溫裝置的恒溫系統(tǒng)的恒溫控制方法，工作過(guò)程中，若預(yù)設(shè)區(qū)域溫度與目標(biāo)設(shè)定溫度之間誤差超過(guò)第二預(yù)設(shè)溫度值，則執(zhí)行模糊控制模式，所述模糊控制模式包括：控制加熱單元和風(fēng)機(jī)進(jìn)入預(yù)設(shè)功率模式，快速調(diào)整加熱單元和風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，以快速將預(yù)設(shè)對(duì)象的預(yù)設(shè)區(qū)域溫度向預(yù)設(shè)溫度區(qū)間范圍調(diào)整；

28、當(dāng)預(yù)設(shè)區(qū)域溫度與目標(biāo)設(shè)定溫度之間誤差小于等于第一預(yù)設(shè)溫度值時(shí)，從模糊控制模式切換至pid控制模式。

29、本發(fā)明所述基于pid控制策略的恒溫裝置的恒溫系統(tǒng)的恒溫控制方法，工作過(guò)程中，通過(guò)熱電偶傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)設(shè)區(qū)域的溫度，并將溫度數(shù)據(jù)傳輸入控制單元，控制單元根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)設(shè)定溫度和當(dāng)前溫度，通過(guò)pid控制策略調(diào)節(jié)加熱單元和風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)恒溫控制；

30、pid控制過(guò)程中通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)定溫度與實(shí)際溫度之間的誤差，并根據(jù)比例(p)、積分(i)、微分(d)三個(gè)參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精準(zhǔn)控制，

31、pid控制公式如下：

32、

33、中，u(t)為控制輸出，e(t)為設(shè)定溫度與實(shí)際溫度的溫差，kp為比例增益，ki為積分增益，kd為微分增益。

34、上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有如下有益效果：

35、1、本發(fā)明所述的一種基于pid控制策略的空氣恒溫裝置，通過(guò)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整預(yù)設(shè)區(qū)域的溫度，確保溫度始終維持在設(shè)定的范圍內(nèi)；通過(guò)pid控制器的精確調(diào)節(jié)，可以有效減少溫度波動(dòng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，適應(yīng)多種實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)環(huán)境的需求。

36、2、本發(fā)明所述的一種基于pid控制策略的空氣恒溫系統(tǒng)，通過(guò)在傳統(tǒng)pid控制策略中引入模糊控制模式，能夠在溫度偏差較大時(shí)快速響應(yīng)，迅速將溫度調(diào)整至目標(biāo)區(qū)間；模糊控制模式基于溫度誤差和變化率的模糊邏輯推理，動(dòng)態(tài)調(diào)整加熱單元和風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度，確保恒溫裝置在各種復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。

37、3、當(dāng)模糊控制器在執(zhí)行工作模式時(shí)，溫度比較模塊識(shí)別到預(yù)設(shè)區(qū)域溫度與目標(biāo)設(shè)定溫度之間誤差小于等于第一預(yù)設(shè)溫度值后，由模式切換模塊將控制模式從模糊控制模式切換至pid控制模式，再由pid控制器的第二調(diào)整模塊發(fā)出指令，控制加熱單元按第一預(yù)設(shè)間隔時(shí)間啟停，調(diào)整加熱單元的工作狀態(tài)，通過(guò)這種方式，逐步將預(yù)設(shè)區(qū)域的溫度緩慢調(diào)整至目標(biāo)設(shè)定溫度，避免溫度過(guò)沖或振蕩。