恒温控制系统研究及分析*

李泽宇，殷兴辉

（河海大学，南京 211100）

恒温控制系统研究及分析*

李泽宇，殷兴辉

（河海大学，南京 211100）

随着社会和科技的不断发展，测温仪器已经在各个领域广泛应用，智能化也成为了现代温度控制系统发展的主流方向。近年来，温度控制系统已经应用到了人们生活中的方方面面，设计一个温度控制系统，具有十分广泛的应用前景和现实意义。在工业生产和实验研究的各个领域中，温度是表征变化过程和对象状态的重要物理量之一。这里设计的动态温度控制系统以控制的高精度与稳态性为目标，通过一系列的研究与实验，该带预测补偿的模糊自适应PID控制器实现了恒温箱的动态温度控制。采用Matlab软件,建立PID控制仿真模型，研究了不同参数对实验的影响并对其进行调试修正，对实际工程应用有一定的参考价值。

智能化；温度控制；高精度；PID控制算法；恒温箱；Matlab仿真软件

1 引言

在人们生活中，温度检测技术可以说无处不在，而温度控制的手段更是多种多样。以往大多用到常规的PID控制，很多时候由于被控对象的非线性、纯滞后、被控参数的时变性以及较大的热惯性影响，常常很难获得被控系统的数学模型。然而，若通过系统的阶跃响应曲线结合Matlab的系统辨识工具箱则会比较方便地获得被控系统的数学模型。

这里在使用Matlab软件对系统进行仿真的基础上，针对系统各参数对温度控制的影响进行了分析，同时着重分析控制在不同温度时环境变量的影响以及误差区间之间的一些差距等。

2 恒温控制系统原理与设计

2.1 温度传感器

DS18B20是常用的温度传感器，体积小，方便测量各种位置的温度数据，使用便利[1]，硬件开销低，节约成本，抗干扰能力强，采样稳定，能够更好地避免来自一些途径的干扰，精度高，使得读数更为精确。

DS18B20是一种单总线数字温度传感器。测试温度范围-55℃-125℃[2]，温度数据位可配置为9、10、11、12位，对应的刻度值分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃，对应的最长转换时间分别为93.75ms、187.5ms、375ms、750ms。出厂默认配置为12位数据，刻度值为0.0625℃，最长转换时间为750ms。从以上数据可以看出，DS18B20数据位越低、转换时间越短、反应越快、精度越低。

DS18B20温度寄存器数据格式如图1所示，其中S标识位表示测得温度正负，芯片上电后，默认温度值为+85℃。

图1 DS18B20温度寄存器

2.2 恒温控制系统

温度控制系统输出的控制部分电路主要由光电隔离器件以及可控硅组成[3]，用来控制恒温箱内的加热设备的加热功率，以此来达到对温度的控制。

如图2所示，整个系统可以分成四个部分，即人机接口模块、主控模块、控制通道和被控对象。该控制系统采用的是闭环负反馈的工作方式[4]，其基本控制原理是：在单片机中设定恒定的温度值，将温度传感器采集到的实时的温度传送到单片机中跟设定的温度值进行比较，分析并调整输出的控制量，将控制量加载到可控硅上，调节加热设备的加热功率，再将采集到的实时温度值传送到单片机中，进行下一轮的控制，如此往复循环，直至达到满意的控制效果为止。

图2 恒温控制系统总体设计图

3 温度的静态控制

3.1 建立数学模型

采用通过采集系统的阶跃响应曲线结合Matlab的系统辨识工具箱来获得被控系统的数学模型。获取系统数学模型的第一步是获取系统的阶跃响应曲线[5]。由于被控对象是由于内部的加热设备加热，被控对象的温度才会上升，同时由于被控对象本身具有一定的散热功能，所以只要加热系统的加热功率选取恰当，系统内的温度上升速度和热量的流失速度就会达到一个平衡点，即被控对象接收的热量和自然流失的一样多，这样被控对象的温度就恒定在某一个值而不再发生变化。

由于本系统在加热过程中会有一定的热量流失[6]，所以在计算过程中要把该系统通过各方面因素损失的能量计算在内。恒温箱的热阻，即热损失，是物体导热过程中的阻力，即当热量在物体内部以热传导的方式传递时，所遇到的热阻为导热热阻。传导的热阻公式为：

其中，A为传导介质表面积；δ为传导介质厚度；λ为导热率。将A、δ及λ的值带入，便可得到恒温箱的热阻值。

因为设定的温度都高于实际的工作环境温度，在控制初期，被控空间内的温度是与环境温度相当的，加热设备加热。根据热量的传导性，此阶段，温度的上升速度比较快，随着被控空间温度的上升，热量增加的速度和热量流失的速度开始相近，整个恒温箱体的热量就会趋于平衡，即加热设备对箱体的热量增加量和箱体的热量流失接近的时候，恒温箱体的温度就会达到平衡，所以恒温箱体的阶跃响应曲线就是一个先开始是以一定速度增加，增加到一定程度就不再改变的曲线，如图3所示。

图3 恒温箱的温度特性曲线

一般情况下，把控制过程中电加热设备的特性视为一个线性系统，即一个惯性环节和一个纯滞后环节，如式:

其中，K是增益，T为时间常数，τ是滞后时间。在一般情况下，这种近似处理是可行的。这里的控制系统就是采用上式所示的数学模型来近似。

3.2 PID参数整定及仿真

PID控制器参数整定的方法有很多，概括起来有两大类[7]：一是理论计算整定法，二是工程整定方法。前者所得到的计算数据未必可以直接使用，还要结合实际工程进一步修改。后者依赖工程经验，可直接在控制系统的实验中进行，易于操作，在实际工程中得到广泛应用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有经验试凑法、扩充临界比例法和Ziegler-Nichols参数整定法[8]。三种方法各有特点，其共同点都是通过实验，按照工程经验的公式对控制器进行参数整定。但是同样，无论采用哪种整定方法，所得到的整定参数都需要在实际运行中进行不断调整才能得到较好的控制效果。

然而，在实际实验中进行PID调试是极为不便的。首先，调节PID参数时间过长，通常进行一次实验要耗费几个小时的时间，使得实验效率大打折扣；其次，在调试过程当中，如果有操作和使用不当的话，很有可能对系统造成不必要的伤害。因此，使用Matlab进行仿真可以很好的解决这些问题，仿真如图4所示。

图4 MATLAB仿真模拟图

4 温度的动态控制

一个恒温控制系统如果仅仅在环境温度变化不大的时候进行静态温度控制，虽然可以获得很高的精确度，但是这种静态温度控制在实际的生产应用中却有很大的局限性，因为实际的工业生产环境不是一成不变的，就算是普通需要温度控制的操作间的环境温度也是多变的。由此，需要使用一种能够在温度变化的环境中稳定控制温度变化的方法，即温度的动态控制。

恒温控制的温度调节过程，粗略可分为两个阶段，即升温阶段和稳定阶段。在升温阶段，实际温度还远未达到预设温度，在这个阶段主要的目的就是使温度尽可能快速升高到设定温度。所以要采用大功率加热，这个功率要根据设定温度和实际温度的差值进行选取，并且要随着温度的不断升高进行合适的下调，这样做是为了防止温度在达到预设值的时候由于热惯性而难以立即停止加热，从而保障系统的稳定和安全。

在稳定阶段，实际温度与预设温度相差较小，此时的调节除了保证实际温度不再有大幅变化之外，还要提高系统的精度。该阶段使用的调节方式应该是依据温度的偏差来调节控制强度，依据偏差变化的方向来预测温度的走向，进而提前采取措施对控制量进行调节，达到有效的控制效果。最普遍使用的预测算法如式：

式中T(k+d|k)是k时刻对k+d时刻的温度预测值，d是纯滞后时间，T(k),u(k)是k时刻的实际温度和控制量，A(z-1),B(z-1)是预测模型的多项表达式。

为了满足动态恒温控制需求，采用带有预测和补偿的模糊自适应PID控制器，如图5所示。此控制器结合了PID控制和模糊控制两者的优势，同时也加入了线性预测和补偿量，使得在动态控制阶段能够获得更好的控制效果。此控制器在PID控制器的基础上，根据不同时刻的温度变化大小、温度变化速度以及线性预测的结果进行模糊推理，得到相应的比例、积分和微分作用量的变化大小，进而在线调整PID调节器的参数，实现在线动态控制。此外，在环境温度持续偏低或者强冷空气温度到来的时候，由于被控对象的滞后性和大惯性的特点，通过引入补偿量来达到对短时间内大热量的流失进行补偿，以此来实现温度的动态控制。

图5 带预测补偿的模糊自适应PID控制器

5 结束语

相比于温度的静态控制，温度的动态控制很好的解决了系统的超调量比较大，系统的响应时间长，以及不能适应外部环境温度的变化等问题，使得整个系统更加适应实际的工程应用。在实验的基础上引入了Fuzzy控制，有效的降低了系统的超调量并使系统的响应速度变快。引入补偿量，使得稳定控制阶段的温度控制达到很好的效果。设计了带有预测和补偿的模糊自适应PID控制器，在温度不断变化的环境中也可以有很好的恒温控制效果。经过多次不同工作环境、不同设定温度的试验，充分证明了设计的控制系统方案是可行的。 并且这种动态恒温控制方案对微波设计的高性能工作提供了稳定的保障。

[1]邹莉，张崇巍.试验用温控对象模拟器的设计[D].合肥：合肥工业大学,2009. ZOU Li,ZHANG Chong-wei.Design of temperature controlled object simulator for testing[D].Hefei:Hefei Polytechnic University,2009.

[2]T.Goetthng,Zaworski.Heating Cost Allocation in Multifamily Housing[J].SHRAE transactions,1984（7）:14-15.

[3]洪木南，卢文雯，李建秋.恒温箱温度控制器设计[J].实验技术与管理，2010,27(1):65-68. HONG Mu-nan,LU Wen-wen,LI Jian-qiu.Design of temperature controller for constant temperature box[J].Experimental technology and management,2010,27(1):65-68.

[4]赵巍巍，模糊温度控制器的研究[D].大连:大连理工大学, 2007. ZHAO Wei-wei,Reach on fuzzy temperature controller[D]. Dalian:Dalian University of Technology,2007.

[5]王建，张志文，耿朝阳，等.I_F变换器测试系统设计[J].西安工业大学学报，2003,23(4):308-311. WANG Jian,ZHANG Zhi-wen,GENG Chao-yang,et al.Design of test system for I_F converter[J].Journal of Xi’an Technological University，2003,23(4):308-311.

[6]楼顺天，于卫.基于MATLAB的系统分析与设计.控制系统[M].西安:西安电子科技大学出版社,1999. LOU Shun-tian,YU Wei.System analysis and design based on MATLAB.Control system [M].Xi’an:Xidian University Press,1999.

[7]Johnson M A.Moradi M H.PID Controller Design[M].London: Springer-Verlag,2003.

[8]陈富安，单片机与可编程应用技术[M].北京:电子工业出版社,2008. CHEN Fu-an,Single chip microcomputer and programmable application technology[M].Beijing:Electronic Industry Publishing House,2008.

Research and Analysis of Constant Temperature Control System

Li Zeyu,Yin Xinghui
（Hohai University,Nanjing 211100,China）

With the continuous development of society and technology,temperature measuring instrument has been widely used in various fields,and intelligence has become the main direction of the development of modern temperature control system.In recent years,as the temperature control systems are applied to all aspects of people's life,the design of a temperature control system has a very wide range ofapplication prospectsand practicalsignificance.In industrialproduction and experimental study,the temperature is one of the important physical quantities for the change process and the object state.The dynamic temperature control system is designed to control the high precision and the stability,and the research and the experiment are conducted for predictive compensation fuzzy self-adaptive PID controller to realize the control of the dynamic temperature of the constant temperature box.In this paper,Matlab software is used to establish the PID control simulation model, and the effects of different parameters on the experiment are studied.It has certain reference value for practical engineering application.

Intelligence；Temperature control；High-precision；PID control algorithm；Constant tem-perature box；Matlab simulation software

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.01.015

TN385

A

1002-2279-（2017）01-0060-03

国家自然科学基金—面上项目（微波与毫米波超宽带天线研究）（U1531101）

李泽宇（1991-），男，辽宁省新金县人，硕士研究生在读，主研方向：信号处理。

2016-04-01