基于TEC和PID的恒溫控制系統(tǒng)

劉麗飛，呂衛(wèi)星，武 超，任 英

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

0 引言

量熱法是放射性核素質(zhì)量計(jì)量最有效的無損分析(NDA，non-destructive assay)方法之一[1-3]?；诜€(wěn)態(tài)的量熱系統(tǒng)達(dá)到熱平衡后，環(huán)境溫度波動(dòng)會(huì)破壞熱平衡，影響測(cè)量結(jié)果[4]，因而對(duì)環(huán)境恒溫要求較為嚴(yán)格。國(guó)內(nèi)外量熱系統(tǒng)大多通過恒溫層減小溫度波動(dòng)，溫度檢測(cè)和控制的準(zhǔn)確性將直接影響測(cè)量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，測(cè)試環(huán)境溫度控制已成為量熱測(cè)量的必要關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前為止，對(duì)于量熱系統(tǒng)測(cè)量環(huán)境的穩(wěn)定措施主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1)控制所處環(huán)境室溫；2)降低環(huán)境氣流波動(dòng)；3)引入恒溫系統(tǒng)。系統(tǒng)所處室內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定性是系統(tǒng)溫度穩(wěn)定性的前提與保障，但并非穩(wěn)定量熱系統(tǒng)溫度的充分措施，因而多數(shù)基于穩(wěn)態(tài)熱平衡的量熱系統(tǒng)引入了恒溫系統(tǒng)，作為測(cè)量過程穩(wěn)定系統(tǒng)溫度的直接有效措施。恒溫系統(tǒng)有兩種基本的作用思路：1)被動(dòng)式恒溫，通過在量熱計(jì)核心測(cè)量部件外圍設(shè)置恒溫體，恒溫體由高熱容、高導(dǎo)熱材料形成，且具備足夠質(zhì)量，可有效吸收因溫度和氣流而來的環(huán)境波動(dòng)，具備較強(qiáng)的緩沖作用，將測(cè)試系統(tǒng)與不穩(wěn)定環(huán)境隔離。該方法主要依賴恒溫體的固有屬性進(jìn)行被動(dòng)式阻隔，恒溫效果主要取決于恒溫體規(guī)格選擇的合理性以及環(huán)境溫度的波動(dòng)程度，設(shè)計(jì)成型后，精度控制余地較小。系統(tǒng)測(cè)試溫度主要取決于環(huán)境溫度，僅能做到穩(wěn)定，但無法控制穩(wěn)定的數(shù)值；2)主動(dòng)式恒溫，在引入恒溫介質(zhì)的同時(shí)，對(duì)恒溫介質(zhì)的溫度進(jìn)行管控。通過引入適當(dāng)?shù)暮銣卮胧?，精?zhǔn)控制恒溫體溫度維持在需求溫度。主動(dòng)式恒溫具備控溫能力，效率及精度都有所提高，而為量熱系統(tǒng)恒溫控制所廣泛采用。

本研究旨在設(shè)計(jì)具備控溫能力的主動(dòng)式恒溫系統(tǒng)，研究恒溫策略，以為量熱測(cè)量提供恒溫測(cè)試環(huán)境，降低環(huán)境溫度的不穩(wěn)定性對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

量熱系統(tǒng)一般設(shè)置恒溫層，存在固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)多種形式的恒溫介質(zhì)，因此本系統(tǒng)在與量熱系統(tǒng)恒溫層的硬件接口上采用分離式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即在量熱系統(tǒng)恒溫介質(zhì)層與本系統(tǒng)控溫元件間適當(dāng)施加過渡介質(zhì)，過渡介質(zhì)作為高導(dǎo)熱部件，即可增大制冷元件與恒溫系統(tǒng)間的傳熱面積，又能拓展恒溫控制系統(tǒng)對(duì)于不同恒溫介質(zhì)的適應(yīng)能力。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，在恒溫層不同代表性點(diǎn)位布置多個(gè)溫度探頭，通過高精度多通道溫度測(cè)量?jī)x采集實(shí)時(shí)溫度；經(jīng)程序比對(duì)與預(yù)設(shè)溫度差異，通過數(shù)字源表，調(diào)控施加在半導(dǎo)體制冷元件上的制冷/制熱功率，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)對(duì)象的溫度調(diào)控。

圖1 恒溫系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)軟件所在PC端基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，通過網(wǎng)絡(luò)通訊LAN接口將溫度測(cè)量?jī)x表采集的溫度信號(hào)傳入PC端數(shù)據(jù)采集模塊，顯示存儲(chǔ)后，更新預(yù)設(shè)控溫點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制算法計(jì)算被控外設(shè)的控制參數(shù)，通過傳輸指令經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通訊線路發(fā)送至高精度數(shù)字電源表。利用電源表的嵌入式腳本編輯功能，在源表內(nèi)部存儲(chǔ)并執(zhí)行預(yù)定義的功率輸出控制腳本程序。電源具備雙向電流輸出能力，通過調(diào)節(jié)電源的直流電流輸出以調(diào)節(jié)控制半導(dǎo)體制冷器的制冷/熱量，來實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)對(duì)象溫度的精確控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 制冷元件

半導(dǎo)體制冷[5]主要利用帕爾貼效應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量遷移，即當(dāng)直流電通過兩種不同導(dǎo)電材料的接界面時(shí)，結(jié)點(diǎn)處將產(chǎn)生吸熱或放熱現(xiàn)象，因而既能制冷，也能加熱。只需改變工作電流方向就能實(shí)現(xiàn)加熱和制冷工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，使用一個(gè)半導(dǎo)體制冷器就可以代替分立的加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的壓縮機(jī)制冷技術(shù)相比，半導(dǎo)體制冷具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無制冷工質(zhì)、無運(yùn)動(dòng)部件、無機(jī)械損耗、無噪聲、體積小、重量輕、控制靈活、可靠性高、熱慣性小、易于進(jìn)行冷量調(diào)節(jié)等諸多優(yōu)勢(shì)，尤其在小冷量、空間受限的應(yīng)用場(chǎng)景有其獨(dú)到之處[6-8]。半導(dǎo)體制冷器單個(gè)制冷單元對(duì)的功率很小，一般需串聯(lián)同類單元以提高制冷功率。但因極限溫差限制，一般工作溫度不可過高。

設(shè)計(jì)系統(tǒng)所服務(wù)的對(duì)象—量熱系統(tǒng)工作于室溫，所針對(duì)的控溫對(duì)象—量熱系統(tǒng)恒溫層常規(guī)工作溫度接近室溫，因而溫度改變及能量遷移需求并不顯著，采用半導(dǎo)體制冷器作為控溫元件尤為適合。選用美國(guó)TE公司生產(chǎn)的VT-127型一體化半導(dǎo)體制冷器，最大功率80 W，最大溫差70 ℃。使用24只VT-127型制冷器，結(jié)合數(shù)字電源的電壓電流限值要求，系統(tǒng)輸出總功率可達(dá)1 200 W，足以保證位于恒溫層內(nèi)部的測(cè)量室在進(jìn)行大功率熱源樣品測(cè)量時(shí)也可以達(dá)到控溫精度。制冷器安裝散熱片及風(fēng)扇以提高制冷/制熱效率。

2.2 測(cè)溫元件

常用的溫度傳感器主要有熱電偶及熱電阻。Pt100型鉑電阻溫度傳感器具有精度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，是中低溫區(qū)常用的一種溫度檢測(cè)傳感器。根據(jù)系統(tǒng)測(cè)溫范圍及精度需求，選用Pt100型鉑電阻溫度傳感器作為溫度測(cè)量元件，AA級(jí)允差等級(jí)(允差值：±(0.1+0.001 7|t|，|t|-溫度絕對(duì)值，單位為℃)。

接線方式會(huì)對(duì)Pt100型鉑電阻溫度傳感器的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大影響[9]，影響主要來自連接導(dǎo)線的電阻：兩線制接線，引線電阻會(huì)計(jì)入測(cè)量結(jié)果；三線制測(cè)量常與電橋配套使用，可較好消除引線電阻影響，但要求三根引線電阻值完全相同；四線測(cè)量時(shí)兩根引線提供恒定電流，另外兩根引線用于測(cè)定電阻兩端電壓，可完全消除引線電阻影響。本系統(tǒng)采用四線制接線方法，以減少測(cè)量誤差。

2.3 電源

現(xiàn)階段的電源系統(tǒng)一般提供電壓或電流輸出控制，功率控制則需要人為在程序算法內(nèi)改造。電源表的輸出精度及可靠性直接決定了控溫系統(tǒng)的控溫精度及可靠性，本研究選擇Keithley 2461高精度數(shù)字電源表作為半導(dǎo)體制冷器的供電電源。Keithley 2461高電流Source Meter融合了7A/100W DC電流和10 A/1 000 W脈沖電流功能，雙18位1 MS/s模數(shù)轉(zhuǎn)換器，支持快速采樣測(cè)量；具備0.012%DCV準(zhǔn)確度，位分辨率；源和阱(4象限)操作；支持SCPI和測(cè)試腳本處理程序(TSP)編程模式。

2.4 溫度測(cè)量?jī)x表

同電源一樣，溫度測(cè)量值作為PID控制策略的輸入?yún)?shù)，其精度及穩(wěn)定性也將對(duì)控溫效果產(chǎn)生顯著影響，選擇Keithley 3706A數(shù)字多功能表進(jìn)行溫度信號(hào)采集。Keithley3706A是一款快速、精確且高穩(wěn)定性的多用表，四線制RTD溫度測(cè)量(-200～630 ℃)具備0.01 ℃分辨率；超過14 000讀數(shù)/秒的內(nèi)存速度；支持嵌入式測(cè)試腳本處理器(TSP)；具備以太網(wǎng)、USB、和GPIB通訊接口。該系統(tǒng)包含一個(gè)六槽的開關(guān)系統(tǒng)，配合系統(tǒng)插卡，能夠以低成本建立一個(gè)可擴(kuò)展的多通道解決方案。

Keithley所有基于測(cè)試腳本處理器(TSP)功能的系統(tǒng)均能夠存儲(chǔ)并執(zhí)行大量預(yù)定義的器件測(cè)試腳本。本系統(tǒng)所采用Keithley系列儀表均具備嵌入式腳本編程功能[11-12]，儀器內(nèi)置微處理器，支持各種復(fù)雜測(cè)試腳本的編程與獨(dú)立執(zhí)行。

采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，基于NI公司的LabWindows/CVI虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，集成開發(fā)量熱計(jì)恒溫控制系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

利用智能儀表提供的網(wǎng)絡(luò)通信(LAN)接口，實(shí)現(xiàn)與PC端測(cè)控系統(tǒng)軟件的網(wǎng)絡(luò)通信。PC端作為客戶端，儀表端作為服務(wù)器?？蛻舳私?jīng)驗(yàn)證與服務(wù)器建立連接，服務(wù)器將實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)和功率信息以數(shù)據(jù)包形式發(fā)送給客戶端，供客戶端程序分析處理及計(jì)算調(diào)控；同時(shí)，客戶端通過向服務(wù)器發(fā)送命令控制和配置服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)雙向網(wǎng)絡(luò)通信。測(cè)控系統(tǒng)軟件通信框架及流程如圖2所示?？蛻舳伺c服務(wù)器建立鏈接后，服務(wù)器端的智能儀表-數(shù)字電源及溫度測(cè)量?jī)x表通過內(nèi)置腳本程序完成儀表參數(shù)初始化，溫度測(cè)量?jī)x表進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)采集，數(shù)字源表接收輸出功率命令信息，計(jì)算及控制輸出相應(yīng)功率參數(shù)。

圖2 軟件通訊架構(gòu)及流程圖

系統(tǒng)軟件開發(fā)基于交互式C語(yǔ)言開發(fā)平臺(tái)LabWindows/CVI，分為測(cè)量和控制兩部分。測(cè)量程序流程如圖3所示，主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)變量，即溫度及電流電壓數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，異常值判定及警告，并在軟件界面實(shí)時(shí)圖形化顯示并保存；同時(shí)將實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)傳遞給控制部分，供其計(jì)算取用?？刂瞥绦蛄鞒倘鐖D4所示，主要根據(jù)測(cè)量部分所傳遞的控溫點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)信息，利用PID控制方法計(jì)算所需輸出的控制量，經(jīng)專屬通訊通道傳遞至數(shù)字源表。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制部分所傳遞的控制量為功率值，經(jīng)過數(shù)字源表內(nèi)置腳本程序自動(dòng)計(jì)算并輸出與功率值相匹配的電流值，以電流方向控制半導(dǎo)體制冷器的制冷/制熱作用，以電流大小調(diào)節(jié)其制冷/制熱量。

圖3 測(cè)量部分流程圖

圖4 控制部分流程圖

完成系統(tǒng)軟件界面如圖5所示，包括“恒溫參數(shù)”、“溫度監(jiān)測(cè)”、“系統(tǒng)設(shè)置”三個(gè)功能面板，分別實(shí)現(xiàn)恒溫過程具體參數(shù)設(shè)置及反饋、關(guān)注點(diǎn)溫度即時(shí)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)通訊參數(shù)設(shè)置功能。程序具備分段恒溫控制功能，各段恒溫值及恒溫時(shí)間可自由設(shè)置。

圖5 軟件系統(tǒng)界面

3.1 智能儀表嵌入式腳本編程

采用Test Script Builder編程工具，開發(fā)自定義測(cè)試腳本，并下載到儀表中，存儲(chǔ)于其非易失性存儲(chǔ)器內(nèi)，在儀器上實(shí)時(shí)運(yùn)行，有效提高系統(tǒng)執(zhí)行速度。Keithley 2461數(shù)字源表腳本編程實(shí)現(xiàn)功率控制量輸出，同時(shí)進(jìn)行電壓電流值測(cè)量；Keithley 3706A數(shù)字多功能表腳本編程主要實(shí)現(xiàn)多通道溫度變量順序讀取及轉(zhuǎn)換。

3.1.1 Keithley 2461數(shù)字源表內(nèi)置腳本主程序行

1)儀表設(shè)置：

smu.measure.func = smu.FUNC_DC_VOLTAGE

//設(shè)置測(cè)量變量

smu.source.func = smu.FUNC_DC_CURRENT

//設(shè)置輸出變量

smu.source.range=4

//設(shè)定源變量閾值

smu.measure.nplc=5

//設(shè)置讀數(shù)頻率

smu.source.vlimit.level = 20

//設(shè)置電壓閾值

smu.measure.displaydigits = smu.DIGITS_6_5

//設(shè)置數(shù)據(jù)精度

smu.measure.sense = smu.SENSE_4WIRE

//設(shè)置功率元件接線方式

smu.source.output = smu.ON

//打開輸出開關(guān)

2)功率控制:

KE2461CTP=buffer.make(500)

//開辟緩存

u0m=smu.measure.read(KE2461CTP)

i0m=KE2461CTP.sourcevalues[KE2461CTP.n]

//讀取緩存數(shù)據(jù)

if(w0s>=0) then i0s=math.abs(w0s/u0m)

if(w0s<0) then i0s=-( math.abs(w0s/u0m) )

//制冷/制熱功能判斷，計(jì)算輸出電流

if ( i0s>4 )then i0s=4

if ( i0s<-4 ) then i0s=-4

//源變量閾值判斷，超閾值操作

smu.source.level = i0s

//輸出源變量值

print(u0m,i0m,i0s)

//傳遞測(cè)量變量值

3.1.2 Keithley3706A數(shù)字多功能表內(nèi)置腳本主程序行

dmm.func="temperature"

//設(shè)置測(cè)量功能

dmm.transducer=dmm.TEMP_FOURRTD

//設(shè)置傳感器類型

dmm.rtdalpha=0.00385055

dmm.rtdbeta=0.10863

dmm.rtddelta=1.4999

dmm.rtdzero=100

//設(shè)置傳感器轉(zhuǎn)換參數(shù)

dmm.offsetcompensation=dmm.ON

//打開自動(dòng)補(bǔ)償

dmm.configure.set('RTD_PT100')

//定義設(shè)置名稱

scan.create('2001:2007','RTD_PT100')

//設(shè)置巡查信息

reading_buffer=dmm.makebuffer(200)

//讀取緩存

scan.scancount=1

//設(shè)置巡查次數(shù)

scan.execute(reading_buffer)

//執(zhí)行巡查

printbuffer(1,7,reading_buffer)

//傳遞巡查數(shù)據(jù)

3.2 儀表通訊

基于TCP協(xié)議的Socket通信具有穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)[12-14]，采用TCP Socket編程技術(shù)按儀表提供的通訊接口規(guī)范進(jìn)行通信。為每臺(tái)智能儀表建立一個(gè)TCP socket連接(TCP Server)，通過PC端(TCP Client)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)采集。客戶端向服務(wù)器發(fā)送登錄信息(IP地址)，服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后校驗(yàn)，一致則通訊鏈路建立成功。通訊建立后，進(jìn)行智能儀表關(guān)鍵參數(shù)的初始化設(shè)置以及數(shù)據(jù)獲取進(jìn)程。為每臺(tái)智能儀表分配一個(gè)通訊時(shí)鐘，用以設(shè)定其與PC客戶端的通訊及數(shù)據(jù)傳輸頻率。進(jìn)一步，將通訊鏈路通斷及儀表初始參數(shù)設(shè)置同步關(guān)聯(lián)至通訊時(shí)鐘，即打開通訊時(shí)鐘，儀表與PC客戶端通訊鏈路即時(shí)建立，儀表收發(fā)數(shù)據(jù)關(guān)鍵參數(shù)按需設(shè)置，數(shù)據(jù)傳輸即時(shí)啟動(dòng)。通訊時(shí)鐘可按需設(shè)置，時(shí)鐘周期在整個(gè)數(shù)據(jù)獲取過程中可調(diào)，即時(shí)生效。若數(shù)據(jù)獲取過程出現(xiàn)錯(cuò)誤，提示故障信息并終止數(shù)據(jù)獲取進(jìn)程。

3.3 溫度采集

Keithley3706A數(shù)字多功能表具備多個(gè)插槽，可與多款多路復(fù)用器兼容。選擇Keithley3724型插卡，結(jié)合軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)總計(jì)10路溫度測(cè)量功能。將所選擇Pt100型鉑電阻溫度傳感器以適當(dāng)形式固定在恒溫介質(zhì)層，與環(huán)境之間采取適當(dāng)隔離措施，以降低環(huán)境一側(cè)對(duì)溫度測(cè)量的影響。在四線制RTD測(cè)量的基礎(chǔ)上，激活儀表電阻偏移補(bǔ)償能力，以在低溫段獲得較高的測(cè)量精度。

溫度數(shù)據(jù)采集及傳輸貫穿整個(gè)通訊進(jìn)程，在一個(gè)通訊周期內(nèi)完成所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)位溫度數(shù)據(jù)的巡查獲取。PC客戶端以通訊時(shí)鐘為周期定時(shí)向溫度測(cè)量?jī)x表發(fā)送數(shù)據(jù)巡查命令，儀表通過內(nèi)置腳本程序執(zhí)行巡查任務(wù)，取得數(shù)據(jù)后及時(shí)傳輸回PC客戶端，客戶端依據(jù)預(yù)設(shè)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)解析及數(shù)值有效性判斷，舍棄無用數(shù)據(jù)后即時(shí)進(jìn)行作圖顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

3.4 功率輸出

PC客戶端的寫定功率值來自PID控制方法的計(jì)算輸出參數(shù)。通訊時(shí)鐘啟用后，服務(wù)器接收入口功率變量值后首先進(jìn)行閾值判定，在預(yù)設(shè)閾值范圍內(nèi)的功率值直接送入執(zhí)行段，閾值范圍以外的功率值將被改寫成臨近閾值后送入執(zhí)行段。高精度數(shù)字源表執(zhí)行內(nèi)置帶參數(shù)的TSP腳本，自動(dòng)計(jì)算出口電流值并執(zhí)行輸出，同時(shí)進(jìn)行周期內(nèi)回路實(shí)際電壓、電流以及設(shè)定電流的數(shù)據(jù)采集，取得數(shù)據(jù)后及時(shí)傳回PC客戶端，客戶端依據(jù)預(yù)設(shè)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)解析及數(shù)值有效性判斷，舍棄無用數(shù)據(jù)后即時(shí)進(jìn)行作圖顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

3.5 PID控制方法

PID方法是一種具有幾十年應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的控制算法，具有原理簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、適應(yīng)性強(qiáng)、無需了解被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型等優(yōu)點(diǎn)[15-17]，在工業(yè)控制系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[18-19]。

PID系統(tǒng)原理如圖6所示，系統(tǒng)主要由PID控制器和被控對(duì)象組成。比較被控對(duì)象的設(shè)定目標(biāo)值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)將產(chǎn)生控制偏差e(t)，作為一種線性控制器，PID控制器將偏差e(t)按比例(P)、積分(I)、微分(D)線性組合形成控制量u(t)。當(dāng)被控系統(tǒng)變量的實(shí)際輸出值與目標(biāo)設(shè)定值存在偏差，即e(t)≠0時(shí)，PID控制器依據(jù)設(shè)定好的控制參數(shù)計(jì)算輸出控制量u(t)，使被控對(duì)象的實(shí)際輸出值逐漸趨于設(shè)定值以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。

圖6 PID控制原理框圖

控制器的輸入輸出關(guān)系可描述為：

(1)

式中,e(t)=r(t)-y(t)，KP為比例增益，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)。

本系統(tǒng)利用LabWindows/CVI的PID工具包，采用單輸入單輸出控制結(jié)構(gòu)，假設(shè)被控對(duì)象實(shí)際溫度為Tr，設(shè)定溫度為Ts，選擇實(shí)際溫度與設(shè)定溫度的偏差e(t)=Tr-Ts作為輸入量，以施加于半導(dǎo)體制冷器上的換熱功率P作為控制量。所采用PID控制流程如圖7所示，PID控制器獲取實(shí)時(shí)溫度測(cè)量值，與設(shè)定溫度值比較得到控制信號(hào)偏差值e(t)，調(diào)用PID控制算法，計(jì)算得到輸出控制量數(shù)值P。

圖7 PID控制過程流程圖

所研究受控對(duì)象恒溫層溫度滯后慣性較大，PID主要控制參數(shù)Kp、Ti、Td的選取是控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[20]。選擇試湊法進(jìn)行PID參數(shù)整定：首先整定比例增益Kp，保證控制器對(duì)偏差信號(hào)的感應(yīng)靈敏度；其次整定積分時(shí)間常數(shù)Ti，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的平穩(wěn)性；最后整定微分時(shí)間常數(shù)Td，預(yù)見偏差變化趨勢(shì)，超前控制，降低系統(tǒng)超調(diào)量，同時(shí)改善動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)速度。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)步驟及方法

采用標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行刻度是量熱測(cè)量的基礎(chǔ)。量熱計(jì)常規(guī)運(yùn)行條件為室溫大氣環(huán)境，為保證標(biāo)準(zhǔn)曲線的有效性，原則上制作標(biāo)準(zhǔn)曲線的刻度過程和樣品測(cè)試過程的環(huán)境溫度要保持一致。

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)控溫系統(tǒng)的恒溫效果，選擇量熱計(jì)常規(guī)恒溫媒介之一—固態(tài)鋁錠作為控溫對(duì)象，在大氣室溫環(huán)境下進(jìn)行控溫效果測(cè)試。鋁錠尺寸800 mm×400 mm×500 mm，內(nèi)部中空，中空部分由2個(gè)圓柱體組成，圓形端面貼近鋁錠上部水平面，尺寸φ270 mm×420 mm，鋁錠總質(zhì)量約300 kg。將6個(gè)Pt100型鉑電阻溫度傳感器分別布置于鋁錠外部結(jié)構(gòu)的6個(gè)面，埋于相同深度(約3 mm)處，以指示鋁錠不同方位的溫度狀態(tài)。以其中一個(gè)點(diǎn)位的溫度作為控制變量，相應(yīng)的溫度數(shù)值實(shí)時(shí)傳遞給PID控制器。同時(shí)，在量熱系統(tǒng)所處的環(huán)境中布置一同型溫度傳感器，以監(jiān)測(cè)測(cè)試過程中的環(huán)境溫度變化。24只半導(dǎo)體制冷器(片)采用陣列式結(jié)構(gòu)均勻分布于恒溫體各控溫表面。因所對(duì)應(yīng)的量熱系統(tǒng)工作于室溫，單位測(cè)量時(shí)間約24 h，因此設(shè)定控溫溫度20 ℃，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)48 h，數(shù)據(jù)采集、更新及存儲(chǔ)周期均為2 s，以充分滿足量熱測(cè)試需求。

PID控制參數(shù)Kp、Ti、Td的選取是控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，對(duì)于某一確定的實(shí)物系統(tǒng)而言，PID控制器需根據(jù)被控過程的特性進(jìn)行參數(shù)整定。實(shí)驗(yàn)選擇試湊法通過如下步驟進(jìn)行整定確定PID控制參數(shù)。

1) 連接好硬件線路后，首先只加入比例控制環(huán)節(jié)。逐步增大比例增益Kp，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)速度，直至得到足夠的感應(yīng)靈敏度。此時(shí)系統(tǒng)可能產(chǎn)生一定范圍的超調(diào)，穩(wěn)定性降低，出現(xiàn)震蕩甚至發(fā)散。如果響應(yīng)速度及系統(tǒng)靜差都在可接受范圍內(nèi)，則只采用純比例調(diào)節(jié)器即可。

2) 如果比例控制系統(tǒng)的靜差達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，則加入積分作用。逐漸減小Ti，積分作用逐漸增強(qiáng)，系統(tǒng)靜差逐漸減小，直至消除。增加積分作用后，系統(tǒng)超調(diào)量可能會(huì)有所增加，此時(shí)可以兼顧系統(tǒng)穩(wěn)定性及靜差消除速度，即適當(dāng)增大Ti減弱積分作用，以及適當(dāng)減小比例增益Kp，綜合作用，減少超調(diào)。

3) 采用比例積分控制，反復(fù)調(diào)整Kp、Ti，效果仍不理想時(shí)，可適當(dāng)引入微分作用。逐漸增加Td，在偏差發(fā)生較大變化前超前輸出校正信號(hào)，觀察超調(diào)量和穩(wěn)定性，不斷試湊，得到符合要求的控制參數(shù)。

進(jìn)行PID參數(shù)整定時(shí)，不固定實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)，各組測(cè)試用時(shí)以能夠反饋系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果為準(zhǔn)。

4.2 結(jié)果分析

通過前述PID參數(shù)整定過程，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，選取本系統(tǒng)適用的PID控制參數(shù)表1所示。

表1 PID控制參數(shù)表

動(dòng)態(tài)時(shí)長(zhǎng)試驗(yàn)確定系統(tǒng)適用PID參數(shù)后，進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間控溫效果檢測(cè)試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)48 h，結(jié)果如圖8所示。實(shí)驗(yàn)設(shè)定控溫溫度20 ℃，從初始約22 ℃開始降溫。實(shí)驗(yàn)開始PID控制器即開啟制冷器全速工作模式，將恒溫體熱量向環(huán)境轉(zhuǎn)移，給整個(gè)量熱系統(tǒng)制冷降溫。因鋁錠總體量較大，系統(tǒng)需要近500 min完成鋁錠初始熱量的轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)入到控溫精度內(nèi)的穩(wěn)定動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，且可以連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行且保持穩(wěn)定。圖8顯示了實(shí)驗(yàn)過程中位于控溫主體對(duì)象—量熱計(jì)恒溫體各個(gè)代表性點(diǎn)位的溫度數(shù)據(jù)變化，可以發(fā)現(xiàn)，部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度傳感器示值與預(yù)設(shè)控制溫度存在持續(xù)性同向偏差，即部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度在實(shí)驗(yàn)過程中可以維持在一個(gè)穩(wěn)定溫度值附近，該溫度值接近但同設(shè)定控溫溫度值存在恒定微小差異。究其原因，對(duì)于固態(tài)形式的恒溫介質(zhì)，無法流動(dòng)，熱交換能力差，導(dǎo)致熱量在恒溫體內(nèi)無法十分均衡地傳遞及分布，使部分路徑存在持續(xù)性溫度梯度。無論在初始的快速熱量轉(zhuǎn)移階段，還是達(dá)到控溫精度內(nèi)的動(dòng)態(tài)平衡微調(diào)過程中，PID控制器對(duì)于系統(tǒng)各個(gè)部分采取完全同步及同策略的熱量調(diào)控措施，因而恒溫體各部分的持續(xù)性溫度梯度以及所顯現(xiàn)出來的溫度差異可以穩(wěn)定保持。實(shí)際上，對(duì)于量熱系統(tǒng)而言，測(cè)量過程需要的是穩(wěn)定的溫度環(huán)境，而非量值絕對(duì)一致及準(zhǔn)確的溫度環(huán)境。因此，只要測(cè)量過程中所處環(huán)境溫度的穩(wěn)定性可以保障，恒溫體各部分的持續(xù)性固定性的微小溫度差異是可以為量熱測(cè)量所接受的。

圖8 控溫過程溫度變化曲線

圖9顯示了實(shí)驗(yàn)過程中，恒溫系統(tǒng)所處的環(huán)境溫度變化曲線，結(jié)合表2中恒溫過程中位于環(huán)境溫度中及布置于鋁錠各個(gè)方位的監(jiān)測(cè)位點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，其中TMax代表測(cè)試過程中該點(diǎn)溫度的最高值，TMin代表測(cè)試過程中該點(diǎn)溫度的最低值，TSet即設(shè)定恒溫目標(biāo)值20.0 ℃，可以看出，在所處環(huán)境溫度存在明顯波動(dòng)(±2.5 ℃)的情況下，恒溫系統(tǒng)可以取得±0.2 ℃的控溫精度，滿足設(shè)計(jì)及使用要求。

圖9 測(cè)試過程環(huán)境溫度變化曲線

℃

上述精度結(jié)果總結(jié)于作用在固態(tài)恒溫介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之上，前已述及，因換熱介質(zhì)的非流動(dòng)性，對(duì)于固態(tài)恒溫對(duì)象的直接式控溫過程，換熱均勻性難以保障，經(jīng)過恒溫系統(tǒng)調(diào)控的恒溫體各部分可能并非完全同步穩(wěn)定在設(shè)定控溫溫度上，因而影響控溫精度測(cè)量結(jié)果。實(shí)際上，大部分恒溫系統(tǒng)的直接作用對(duì)象是具備流動(dòng)能力的恒溫介質(zhì)，對(duì)于固態(tài)介質(zhì)的恒溫需求，也可通過引入流動(dòng)性中間介質(zhì)間接實(shí)現(xiàn)，在這些較為理想的應(yīng)用場(chǎng)景下，本控溫系統(tǒng)應(yīng)可實(shí)現(xiàn)更佳的控溫效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于LabWindows/CVI虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，采用PID控制算法，開發(fā)了數(shù)字式恒溫控制系統(tǒng)軟件，具備溫度測(cè)量及功率輸出控制功能，可實(shí)現(xiàn)多段自動(dòng)化精確控溫。以量熱測(cè)量典型恒溫介質(zhì)鋁錠為對(duì)象進(jìn)行了恒溫效果測(cè)試，結(jié)果顯示，該恒溫系統(tǒng)可獲得±0.2 ℃的控溫精度，符合預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。結(jié)合半導(dǎo)體制冷器作為熱量轉(zhuǎn)移元件，可方便拓展應(yīng)用于多種控溫需求場(chǎng)景。