專利名稱：多位開關(guān)智能溫度控制裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及溫控調(diào)節(jié)技術(shù)，尤其涉及一種多位開關(guān)智能溫度控制裝置及其控制方法。
背景技術(shù)：
溫度控制器，廣泛應(yīng)用于介質(zhì)存儲與輸送、環(huán)境溫度調(diào)節(jié)、防凍防滑融雪、冷庫溫度控制等場合?，F(xiàn)有的溫控方法通常有以下幾種
一、比例-積分-微分控制器(PID)及其他復(fù)雜智能控制方法。該方法需要加熱器或制冷器功率的能夠連續(xù)輸出，因而必須借助執(zhí)行機構(gòu)，這些執(zhí)行機構(gòu)通常是可控硅、變頻器 等，他們除了價格昂貴、體積大外，還隨加熱器或制冷器功率增大而自身發(fā)熱嚴重，甚至需要還需要外加散熱器，這些控制系統(tǒng)構(gòu)建成本高、無功功損耗大，一般適用于需要非常精確控制的溫控場合。二、開關(guān)型溫度控制方式。僅使用繼電器作為執(zhí)行機構(gòu)，具有造價低的特點，加熱時，其控制方式是當溫度低于設(shè)定溫度低限后全功率開啟加熱器，當溫度高于或低于某設(shè)定溫度后，全部關(guān)閉加熱器；制冷時其控制方式是當溫度高于設(shè)定溫度低限后全功率開啟制冷器；當溫度低于某設(shè)定溫度后，全部關(guān)閉制冷器。這種方法自動化程度低，在運行過程中溫控對象的實時溫度振蕩幅度大，較大的高低溫差勢必導(dǎo)致熱損失量大，即無功功耗大，同時這種全開全關(guān)型的加熱器或制冷器維持溫度的過程中、相對于本案所述控制方法來說切換頻率高，尤其是功率很大時對電網(wǎng)的沖擊污染大。三、多位開關(guān)型溫度控制方式。如三位式控制是指溫度控制儀表具有主、副二個控制輸出，分別控制二個加熱/制冷裝置。以某恒溫干燥箱為例采用主、副二個加熱器或制冷器，主加熱功率1500W，副加熱功率1000W，要求控制溫度為200度。主控溫度(上限)可設(shè)定為200度，副控溫度(下限)設(shè)定為185度。其工作原理如下
當恒溫箱溫度值低于主、副控設(shè)定值時，主控和副控繼電器均吸合，二個加熱器或制冷器同時加熱，系統(tǒng)快速升溫。當測量值達到副控設(shè)定值，但低于主控設(shè)定值時，副控繼電器釋放，斷開副控加熱器或制冷器的能源供給，升溫速率下降。當測量值達到主控設(shè)定時，主控繼電器釋放，斷開主加熱器或制冷器的能源供給。主、副加熱器或制冷器均失去能源供給，恒溫箱溫度逐漸下降，直至降到主控設(shè)定值的回差下限值時，主控繼電器吸合，主加熱器或制冷器重新工作，溫度上升周而復(fù)始。其制冷過程與以上原理一致?？梢?，多位型開關(guān)控制是把加熱器或制冷器功率分為幾個檔次(通常是幾個加熱器或制冷器)，而且事先設(shè)定各種溫度限值，各個溫度限值均對應(yīng)設(shè)定的加熱器或制冷器組合，其控溫的范圍大，自動化程度明顯偏低
發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種多位開關(guān)智能溫度控制裝置及其控制方法，以克服現(xiàn)有多位開關(guān)溫控技術(shù)中存在的溫控振蕩范圍大、無功功耗高以及自動化程度較低的不足，在保證溫度控制精度和溫度平穩(wěn)性的同時，大幅減少運行過程中的熱量損失，并降低溫度控制裝置的成本。為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的
一種多位開關(guān)智能溫度控制裝置，主要包括溫度檢測與處理模塊、微處理器、存儲器、數(shù)據(jù)總線以及控制輸出處理模塊；所述溫度檢測與處理模塊、微處理器、存儲器、控制輸出處理模均與所述數(shù)據(jù)總線相連；其中
所述溫度檢測與處理模塊，用于檢測并處理實時溫度，并將實時溫度經(jīng)數(shù)據(jù)總線傳送給微處理器；
所述存儲器，用于存儲實現(xiàn)多位開關(guān)智能溫度控制方法的控制程序，以及用于存儲包括溫度、加熱器數(shù)量在內(nèi)的設(shè)定數(shù)據(jù)和運行過程數(shù)據(jù)；
所述微處理器調(diào)用存儲器中的設(shè)定數(shù)據(jù)、控制程序、過程數(shù)據(jù)，實時計算當前應(yīng)該開啟或關(guān)閉的加熱器的數(shù)量，并在滿足預(yù)設(shè)條件時發(fā)出開啟或關(guān)閉所述數(shù)量加熱器的指令，然后通過所述控制輸出處理模塊執(zhí)行開啟或關(guān)閉所述數(shù)量的加熱器指令；
所述的控制輸出處理模塊，用于執(zhí)行開關(guān)輸出端口的開關(guān)指令，即接收微處理器發(fā)出的開啟或關(guān)閉指令，并執(zhí)行輸出開關(guān)指令即打開或關(guān)閉與之對應(yīng)的端口上所連接的加熱器。其中所述溫度控制裝置進一步包括與數(shù)據(jù)總線相連的通信處理器或外設(shè)接口，用于通過該通信處理器或外設(shè)接口將所述的設(shè)定數(shù)據(jù)存儲到存儲器中、并在運行過程中，將必要的運行過程數(shù)據(jù)反饋到人機操作界面。所述溫度檢測與處理模塊還包括多路溫度采集端口，用于采集溫度系統(tǒng)的實時溫度值。所述的控制輸出處理模塊還包括多路開關(guān)輸出端口，用于接收微處理器發(fā)出的開啟或關(guān)閉指令，輸出開關(guān)電路打開或關(guān)閉與之相連的相應(yīng)數(shù)量的加熱器?？刂蒲b置進一步包括輔助檢測與處理模塊，用于檢測并處理相關(guān)的電氣參數(shù)和電氣故障狀態(tài)。所述輔助檢測與處理模塊還包括輔助信息檢測端口，用于通過該端口檢測相關(guān)的電氣參數(shù)，如運行電流、電壓、功率的運行參數(shù)；以及檢測相關(guān)的電氣故障狀態(tài)，如運行時電氣回路的開路、短路、漏電的故障狀態(tài)。一種多位開關(guān)智能溫度控制裝置的溫度控制方法，包括如下步驟
A、初始啟動時，溫度檢測與處理模塊將采集到的實時溫度值傳送至微處理器，并與存儲器中的設(shè)定值進行對比，若實時溫度值大于設(shè)定溫度值，則返回步驟A ;否則，啟動該多位開關(guān)智能溫度控制程序，執(zhí)行步驟B ；
B、微處理器讀取存儲器中的溫度控制程序，計算當前應(yīng)該開啟或關(guān)閉的加熱器的數(shù)量，并向控制輸出處理模塊發(fā)出開啟或關(guān)閉所述數(shù)量加熱器的指令；
C、所述控制輸出處理模塊根據(jù)所述的指令，開啟或關(guān)閉所述數(shù)量的加熱器，從而調(diào)節(jié)介質(zhì)的溫度，保證介質(zhì)的溫度始終趨向于設(shè)定溫度。其中，所述步驟B進一步包括BI、求解溫控對象的特征參數(shù)β的步驟；
Β2、求解溫控對象隨時間變化時，在當前作用的功率的基礎(chǔ)上、溫控對象對功率增量的需求的步驟；
Β3、持續(xù)捕捉系統(tǒng)慣性被克服的第一時間點，并在該時間點重新計算特征參數(shù)β，如果特征參數(shù)β超過門限值，則修正特征參數(shù)β的步驟；
Β4、比較求解的功率增量需求與當前階段已增減的加熱器數(shù)量，如果需要，則調(diào)整加熱器的開啟數(shù)量的步驟。步驟C所述開啟或關(guān)閉所述數(shù)量的加熱器，具體為
溫度維持過程中，只需通過開啟或關(guān)閉最小的單位調(diào)節(jié)量，即單位功率的加熱器也就是I只加熱器，即能夠保證對象的溫度自始至終趨向設(shè)定溫度，其調(diào)整原則是當溫度的變化趨勢趨向于設(shè)定溫度時，不調(diào)節(jié)；當溫度的變化趨勢背離設(shè)定溫度時，根據(jù)計算結(jié)果調(diào) 節(jié)。本發(fā)明所提供的多位開關(guān)智能溫度控制裝置及其控制方法，具有以下優(yōu)點
I)本發(fā)明采用的溫控算法不像開關(guān)控制和多位開關(guān)控制那樣會導(dǎo)致溫控對象的溫度在設(shè)定溫度附近大幅上沖和下沖，能夠避免電加熱器頻繁啟/停對電網(wǎng)造成的污染。2)該算法在保證控制精度和溫度平穩(wěn)性的同時，由于省去了 PID控制和其他復(fù)雜智能控制方法中的執(zhí)行器環(huán)節(jié)，因而能大幅度減少投資成本，此外由于系統(tǒng)中沒有發(fā)熱型執(zhí)行器，且溫度振幅收窄，從而能夠大幅度減少運行過程中的熱損失，節(jié)能效果顯著。3)本發(fā)明適用于任何不需要十分精確的溫度控制系統(tǒng)，包括所有工業(yè)與民用溫控過程，尤其適用于空間溫度調(diào)節(jié)、大型容器的溫度控制，比如目前的列車車廂內(nèi)，大都是多個開關(guān)型電加熱器或制冷器均布于車廂，由人工對這些設(shè)備進行位式控制，而使用本發(fā)明的控制方法可以實現(xiàn)全自動溫度控制，耗電量更低、溫度更平穩(wěn)，類似的可用范圍還包括溫室、大棚、介質(zhì)儲罐、介質(zhì)管道、泳池、反應(yīng)釜等溫控對象的溫度調(diào)節(jié)和控制。


圖I為本發(fā)明的多位開關(guān)智能溫度控制裝置的原理示意 圖2為本發(fā)明的多位開關(guān)智能溫度控制方法的加熱過程示意 圖3為本發(fā)明溫度控制方法的求解系統(tǒng)特征參數(shù)示意 圖4為求解在E點補償熱量所需開啟加熱器或制冷器的數(shù)量的過程示意 圖5為較短的時間內(nèi)各溫度點的容器對外散熱狀態(tài)示意 圖6為模擬圖5所示溫度點散熱速度曲線；
圖7為當增加介質(zhì)的溫度小于當前系統(tǒng)對象的溫度時的情況；
圖8為當增加介質(zhì)的溫度小于當前系統(tǒng)對象的溫度時的可能情況；
圖9為當增加介質(zhì)的溫度大于當前系統(tǒng)對象的溫度時的可能情況；
圖10為系統(tǒng)溫度隨時間變化的曲線。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及本發(fā)明的實施例對本發(fā)明的溫度控制裝置及其控制方法作進一步詳細的說明。本說明書中以加熱過程為例描述本發(fā)明的智能溫度控制裝置及控制方法的實現(xiàn)過程，由于制冷過程與所述加熱過程可逆，且原理相同，故不再贅述。圖I為本發(fā)明的多位開關(guān)智能溫度控制裝置的原理示意圖；如圖I所示，該裝置主要包括溫度檢測與處理模塊10、輔助檢測與處理模塊11、微處理器(CPU) 12、通信處理器13、存儲器14、數(shù)據(jù)總線15、控制輸出處理模塊16以及外設(shè)接口 17。所述溫度檢測與處理模塊10、輔助檢測與處理模塊11、微處理器(CPU) 12、通信處理器13、存儲器14、控制輸出處理模塊16以及外設(shè)接口 17，均通過數(shù)據(jù)總線15彼此相連。進一步地，所述溫度檢測與處理模塊10還包括溫度采集端口 101。所述輔助檢測與處理模塊11還包括有輔助信息檢測端口 111。所述控制輸出處理模塊16還包括多路開關(guān)輸出端口 161。其中所述存儲器14中存儲有用于實現(xiàn)本發(fā)明多位開關(guān)智能溫度控制的控制軟件，以及存儲有用于設(shè)定溫度、加熱器數(shù)量在內(nèi)的設(shè)定數(shù)據(jù)和運行過程數(shù)據(jù)。
上述溫度控制裝置在運行時，由溫度采集端口 101采集被測對象的實時溫度，經(jīng)數(shù)據(jù)總線15傳送給微處理器(CPU) 12，所述微處理器(CPU) 12調(diào)用存儲器14中的設(shè)定數(shù)據(jù)、控制程序、過程數(shù)據(jù)，實時計算當前應(yīng)該開啟或關(guān)閉的加熱器數(shù)量，并在滿足預(yù)設(shè)條件時將開啟或關(guān)閉所述數(shù)量加熱器的指令發(fā)送給控制輸出處理模塊16，所述控制輸出處理模塊16根據(jù)開啟或關(guān)閉指令通過所述多路開關(guān)輸出端口 161的輸出開關(guān)電路打開或關(guān)閉相應(yīng)數(shù)量的加熱器。較佳地，輔助檢測與處理模塊11，用于檢測并處理相關(guān)的電氣參數(shù)；或/和用于檢測并處理相關(guān)的電氣故障狀態(tài)。所述輔助檢測與處理模塊11的輔助信息檢測端口 111，用于通過該端口檢測相關(guān)的電氣參數(shù)，如運行電流、電壓、功率等運行參數(shù)和檢測相關(guān)的電氣故障狀態(tài)，如運行時電氣回路的開路、短路、漏電等故障狀態(tài)。所述溫度控制裝置的工作過程如下
將用戶由外設(shè)接口 17或通信處理器13將要設(shè)定的溫度值存儲到存儲器14中，進行溫度控制。在初始啟動控制裝置時，首先讀取該設(shè)定溫度值，將該設(shè)定溫度值與通過多路溫度采集端口 101采集到的實時溫度進行對比，如果實時溫度值大于設(shè)定溫度值，則不需要啟動所述溫度控制裝置對溫度系統(tǒng)進行調(diào)整，如果實時溫度值小于設(shè)定溫度值的90%(該值可以設(shè)置，但應(yīng)小于設(shè)定溫度)，則由微處理器(CPU) 12根據(jù)內(nèi)置控制算法發(fā)出啟動部分或所有加熱器的指令，直到由溫度采集端口 101采集到的實時溫度達到設(shè)定溫度值(SP)或其附近某個溫度值(XP)，然后CPU12發(fā)送全部停止所有加熱器的指令，系統(tǒng)等待溫度對象的實時溫度回落，直到溫度回落并跨越至SP或XP以下，此時由存儲器記錄以上各點的實時時間和溫度值，然后開始計算系統(tǒng)的特征參數(shù)，具體描述及相應(yīng)的控制過程如下
溫度檢測與處理模塊10每采集到一個實時溫度值，即經(jīng)由數(shù)據(jù)總線15傳給微處理器12，處理器12讀取時鐘(圖I未示出)中的實時時間，作為運行中的數(shù)據(jù)點存儲在存儲器14中，然后，調(diào)用控制算法，根據(jù)計算結(jié)果輸出當前應(yīng)該開啟或關(guān)閉的加熱器的數(shù)量。下面以加熱過程為例描述本發(fā)明的控制方法的實現(xiàn)過程，制冷過程與該過程的控制方法剛好相反，也可以通過本發(fā)明的溫度控制裝置得以實現(xiàn)。圖2為本發(fā)明的多位開關(guān)智能溫度控制方法的加熱過程示意圖；如圖2所示，該加熱過程中N為根據(jù)計算所得到的區(qū)間加熱器數(shù)量的下限，N的取值不固定，運行時根據(jù)需要緩慢變化。以第N+1只加熱器作為平衡加熱器，也就是實際運行過程中經(jīng)常被啟停的一只加熱器，因為平衡加熱器只有一只，所以溫控對象的溫度振幅小、變化慢、正因為如此，在維持設(shè)定溫度時開關(guān)動作次數(shù)少?；诒景l(fā)明的思想，與之相反的制冷過程，即當前溫度小于設(shè)定溫度時，運行基礎(chǔ)的N臺制冷器，大于設(shè)定溫度時，啟動另一只平衡制冷器。這里不再贅述。本發(fā)明適用于由多個(假設(shè)為M)開關(guān)型加熱器對大型溫控對象進行溫度控制的場合。簡便起見，設(shè)各加熱器的功率P相等，實際應(yīng)用時，各加熱器的功率可以不等，而通過調(diào)度算法確定組合啟停哪些加熱器。本發(fā)明的主要思想在于以輸入功率補償溫度對象的散熱速度，首先通過整定過程計算溫控對象在設(shè)定溫度點的散熱速度，確定維持設(shè)定溫度所需的補償功率XXP，該值一定滿足于NXP ( XXP<(N+1) XP的關(guān)系。在運行過程中，以略小于溫控對象功率要求的功率(NXP，其中O彡N彡M-I)來維持溫控對象的溫度，以第N+1只加熱器作為平衡加熱器，該平衡加熱器的開啟或停止是由運行過程中溫控對象的溫度趨勢、背離設(shè)定溫度的速度及方向(升溫或降溫)決定的，從而保證溫控對象的溫度始終在設(shè)定溫度附近做低頻窄幅震蕩。本發(fā)明的溫度控制方法，是通過開啟或關(guān)閉最小的單位調(diào)節(jié)量，即單位功率的加熱器也就是I只加熱器，來保證對象的溫度自始至終趨向設(shè)定溫度，調(diào)整原則是當溫度的變化趨勢趨向于設(shè)定溫度時，不調(diào)節(jié)；當溫度的變化趨勢背離設(shè)定溫度時，根據(jù)計算結(jié)果調(diào)節(jié)。該溫度控制方法采用的算法中，調(diào)節(jié)量是通過求解在當前環(huán)境下，補償溫控對象在設(shè)定溫度點的散熱速度實現(xiàn)的，當溫控對象的當前實際溫度偏離設(shè)定溫度點時，設(shè)定溫度點的散熱速度以當前(設(shè)定)點的散熱速度和整定過程中實測散熱速度對溫度點的斜率為基礎(chǔ)求解。該算法的特征在于啟動整定過程時，首先根據(jù)需要部分或全部的啟動多個加熱器，提升對象溫度到設(shè)定溫度附近，然后全部停止，并等待溫度自動回落至設(shè)定溫度，該過程中記錄特征點的時間和溫度，計算得到系統(tǒng)的特征參數(shù)β= QXc/P，其中單位加熱器的功率為P ;該系統(tǒng)的初始介質(zhì)質(zhì)量為Q，介質(zhì)的比熱為c ;該參數(shù)反映了介質(zhì)溫度變化對單位功率的敏感程度。在運行控制過程中，一旦調(diào)整了加熱器的數(shù)量，控制系統(tǒng)將持續(xù)捕捉所有功率完全作用于溫控對象的第一個狀態(tài)，也就是溫控對象慣性被克服的第一狀態(tài)，并以該完全釋放狀態(tài)為基準計算系統(tǒng)的特征參數(shù)，如果特征參數(shù)超過設(shè)定門限則作為下一個計 算用的特征參數(shù)。對于突然大規(guī)模增減對象內(nèi)的介質(zhì)，特征參數(shù)的調(diào)整將真實的反映介質(zhì)質(zhì)量的變化。對于環(huán)境的一般性變化(比如環(huán)境溫度的變化)，也就是沒有突然大規(guī)模增減溫控對象內(nèi)的介質(zhì)，或沒有突然大規(guī)模替換溫控對象內(nèi)的介質(zhì)時，調(diào)整后的特征參數(shù)以介質(zhì)質(zhì)量的變化的形式反映環(huán)境溫度的變化。雖然始終使用首次整定的特征參數(shù)也能在環(huán)境巨變和介質(zhì)質(zhì)量真實變化的情況下完成對對象溫度控制，且達到預(yù)期目標，但特征參數(shù)的調(diào)整可以快速響應(yīng)環(huán)境的巨變或者介質(zhì)質(zhì)量的真實變化。溫控對象慣性被克服的第一狀態(tài)，是指對象系統(tǒng)在溫度上升過程的趨勢曲線中的斜率最大處，和對象系統(tǒng)溫度的第一個溫度回落點?？刂七^程中，由于溫度系統(tǒng)的時滯性，當開關(guān)加熱器數(shù)量出現(xiàn)變化時，算法首先記錄該變化值，作為加熱器數(shù)量調(diào)整門限，并持續(xù)監(jiān)測、計算溫控對象對功率需求的變化。比如當溫度慣性下行時，計算得到在某溫度點需要增加功率，當這種功率增量要求達到一定值時，就增加一只加熱器，在后續(xù)過程中不斷采樣計算新的增量需求，當功率增量需求小于I時，說明新增加熱器可以滿足需求，或者由于時滯特性新增加熱器還沒有對對象形成作用，則不再增加加熱器。隨著新增加熱器的作用的逐步顯現(xiàn)，系統(tǒng)對功率增量的趨勢必然改變，并形成拐點，此時將加熱器數(shù)量調(diào)整門限復(fù)位，即開始新的偵測過程，如果功率趨勢沒有改變，而功率增量值大于I時，則使用新的加熱器數(shù)量調(diào)整門限。下面對上述的溫度控制方法進行詳細說明。步驟201 :求解系統(tǒng)特征參數(shù)的步驟。假設(shè)溫度控制裝置中總共有M只功率相等的加熱器，單位加熱器的功率為P;設(shè)該溫度控制裝置的初始介質(zhì)質(zhì)量為Q，介質(zhì)的比熱為c ;令系統(tǒng)的特征參數(shù)β為QXc與單位功率的比值。如圖3所示，設(shè)定維持溫度為SP，Vsp為溫控裝置溫度在SP點時，單位時間內(nèi)由容器散熱導(dǎo)致的介質(zhì)溫度下降幅度，單位為。C /s(溫度為SP時，每秒溫控對象的溫度變化量)。 E點可以實測SP點的散熱速度Vsp ；
在BC過程中有以下關(guān)系式成立
MXPX (tc-tB) =QXcX [(Tc _TB)+ VspX (tc _ tB) ].................. (I)
在DE過程中，因為使用O功率，因此DE過程的溫度變化可視為在SP溫度點時，單位時間內(nèi)由容器散熱導(dǎo)致的介質(zhì)溫度的下降幅度，即實測Vsp :其實也是溫度曲線的斜率
Vsp = (TD_TE)/(tE -tD)............ (2);
將(2)式代入(I)式，求解當前β為
β= QXc /P=M / [ (Tc -TB)/(tc-tB) + (TD-TE)/(tE - tD) ] ......... (3);
因為P、C為定值，因此以后如果調(diào)整β即為調(diào)整Q，這就可以適應(yīng)介質(zhì)的量變，除非服務(wù)于溫控對象的加熱器數(shù)量出現(xiàn)了變化，否則，只要系統(tǒng)沒有被重新啟動，就不需要重新整定，因為控制系統(tǒng)能自動調(diào)整特征參數(shù)β來適應(yīng)環(huán)境和介質(zhì)質(zhì)量的變化。步驟202 :求解溫控對象隨時間變化時，在當前已起作用的功率基礎(chǔ)上溫控對象對功率增量的需求的步驟。參考圖3，為維持溫度在SP點，要為系統(tǒng)補償散熱造成的熱量損失，設(shè)在E點補償熱量所需開啟加熱器數(shù)量為X (可以是小數(shù))，先求解X;則有
XX P X (tE - tD) = QXcX Vsp X (tE - tD);
X=Vsp X β ;
由于本溫度控制方法是基于單位功率調(diào)整的，因此實際開啟的數(shù)量應(yīng)該為整數(shù)Z ；
Z=取整((Vsp X β ) -VSK) ;............ (4)；
這里，VSK為當前溫度趨勢曲線的斜率的符號值，斜率大于O則VSK=I,斜率小于O則VSK=-Io即在E點開啟的加熱器數(shù)量為Ζ。如圖4所示，設(shè)前一個采樣周期內(nèi)，實際起作用的功率為(N+x) XP ;其中N是加熱器數(shù)量調(diào)整前的在用功率，X為當前平衡加熱器已經(jīng)起作用的功率，具體值未知，-I < X < 1，(增加加熱器時X彡0，減少加熱器時X < O);也就是說雖然目前已經(jīng)開啟了 Ν+1只加熱器但還不知道第Ν+1只加熱器是否起作用，或者不知道第Ν+1只加熱器起了多少作用，所以先假設(shè)當前實際作用的功率為(N+x) ΧΡ，設(shè)系統(tǒng)運行過程中，tn_i時刻的溫度為Tlri，經(jīng)過一個實時采樣時間后，到達tn時刻，此時系統(tǒng)的溫度為Tn ;設(shè)此階段的平均散熱速度為\，求解溫控對象在溫度為Tn時的散熱速度Vn ;則有如下方程
(N+x) XPX (tn -V^=QXcX [(Tn -Tlri)+ Vn X (tn -t」].........(10);
(N+x) X (tn -tn-i) / β = (Tn -Tlri) + Vn X (tn -D ;
(N+x) X (tn -tn-!) / β - (Tn -Tlri) = Vn X (tn -tn-i)；
Vn = (N+x) / β -(Tn -Tlri) / (tn -tn);
Vn= (N+x) / β-κη.................. (5)
考慮溫度波動的區(qū)間很小，可以近似認為在一個較短的時間內(nèi)各溫度點的容器對外熱 量散失速度相等，如圖5所示。(熱量散失速度是單位時間內(nèi)，容器的熱散失量，單位為J/s)求解圖例，即在首次整定β過程中，空載下降沿，依次測得C、D、E點的時間和溫度(tc, Tc)、(tD, TD)、(tE, TE);這說明TC 點的散熱速度 Vc 為(Tc-Td) ) / (tD- tc)，Td 點的散熱速度Vd為(TD -Te )/(tE- tD);由于系統(tǒng)控制的溫度空間很小，可以使用直線模擬該散熱速度曲線，有KVT= (Vd-Vc)/ (Td -Τ。);該曲線將隨著環(huán)境溫度的變化而上下平移，如圖6所示。該結(jié)論可以經(jīng)過下述過程得到證明設(shè)實測容器的散熱速度曲線的斜率為Κντ，即前后兩個溫度點時，介質(zhì)的容器散熱量所導(dǎo)致的介質(zhì)溫度的變化率，則當環(huán)境變化或系統(tǒng)變化后，需要重新求解在設(shè)定點SETTP溫度時刻的散熱速度為Vsp ;由于采樣間隔足夠短，可以設(shè)散熱曲線表達式為V=KT+B
因該曲線過(Tn，Vn)點，有 Vn _KVT X Tn +B ；B- Vn -Kvt * Tn 設(shè)定溫度SETTP點的實時散熱速度為Vsp:
Vsp _ Kvt X Tsp + Vn- Kvt X Tn _Vn + Kvt X Tsp - Kvt X Tn
=N/ β-(τη -Tlri)/ (tn -V1)+ Kvt x (Tsp -Tn);............ (3)
在這里，由于在很小的溫度范圍內(nèi)，兩點的散熱速度幾乎相等，因此Kvt通常很小(可參閱現(xiàn)有技術(shù)的“照管道熱損失方程”)，如果希望加快調(diào)節(jié)速度，也可以適當設(shè)置該斜率值，如 O. I。設(shè)此時所需的維持溫度的功率為μ ΧΡ，其中μ可以是非整數(shù)；則在很短的采樣間隔At時間內(nèi)有
μ XPX At= QXcX [ (Ν+χ) / β η-κη + Kvt χ (Tsp-Tn) ] X Atμ = [ (Ν+χ) / β - Kn] X β η ;
=(Ν+χ) + (Κντ χ (Tsp -Tn)- Kn ) X βη;.................. (6)
這說明系統(tǒng)所需要的功率是當時功率基礎(chǔ)上的增量INC
INC= (Kvtx (Tsp -Tn)- Kn ) X βη ............... (7);
可以近似為INC = - Kn X βη
步驟203:計算特征參數(shù)β調(diào)整門限的步驟。所述調(diào)整門限，即什么時候需要調(diào)整特征參數(shù)β。如圖7所示，當增加介質(zhì)的溫度小于當前系統(tǒng)對象的溫度時，首先對象的溫度會急劇下降一個階段，然后進入一個平整區(qū)域，由于所輸入的功率大于散熱速度，因此對象溫度經(jīng)過一個階段后，仍然會上升，只是上升速度緩慢，隨著當前介質(zhì)與輸入功率的作用，其上升過程將會出現(xiàn)一個斜率最大的點，該點即為在用加熱器克服溫控對象慣性的第一時間點，在該點，所有加熱器的輸出與當前介質(zhì)充分作用，之后，對象溫度的上升過程會逐步趨緩，設(shè)M點的介質(zhì)質(zhì)量為QM，相應(yīng)的特征參數(shù)為βΜ,相應(yīng)斜率ΚΜ=ΔΤΜ/Δ Μ,輸入功率為MXP, N點的介質(zhì)質(zhì)量為Qn，相應(yīng)的特征參數(shù)為β Ν，相應(yīng)斜率Kn= ΛΤΝ/Λ tN，輸入功率為NXP, VS為容器每秒的散熱量，簡便起見，可以假設(shè)M和N點時容器每秒的散熱量相等，也可以根據(jù)Kvt修正N點的散熱速度，有
MXPX Δ tM=QMX cX Δ TM+VSX Δ tMNXPX AtN=QNXcX ATn+VSX Δ tN聯(lián)立上述兩式，可得:βΝ=[β X Km+ (N-M)]/ Kn
雖然介質(zhì)的質(zhì)量發(fā)生了變化，但為了讓這種變化不影響溫度的回升速度，也就是希望質(zhì)量為Qn、功率為NXP時在N點的溫度回升速度與質(zhì)量為Qm功率為NXP時在N點的溫度回升速度一致，即希望溫度曲線斜率為Knn ；
實際方程=NXPX AtN=QNXcX ATN+VSX AtN ；
希望方程NXPX AtN=QMXcX AT^+VSX AtN ；
有 K麗_ β N X Kn/ Km。也就是希望在Λ tN時間內(nèi)將對象溫度能提升ATnnX Λ tN幅度，那么需要將新增介質(zhì)(Qn -Qm)以Knn速度提升，所需要的功率可以通過以下方式求解
設(shè)Y為滿足以上要求所需要的功率(僅僅為新增介質(zhì)提升快速提升溫度所需要的功
率)
YXP= (Qn -Qm) X c X Knn ；
Υ=βΝ X Kn X ( βΝ/βΜ-1)；
當單位功率的加熱器不能消化介質(zhì)增減所帶來的負擔時，需進行特征參數(shù)調(diào)整即當Υ=βΝ X Kn X ( βΝ/βΜ_1)>1時，需進行特征參數(shù)調(diào)整。該功率值只在特征參數(shù)調(diào)整后，作為定值增加一次，當溫度回升到設(shè)定點后，取消提升功率。以下為另外可能出現(xiàn)的介質(zhì)調(diào)整情況。如圖8所示，當增加介質(zhì)的溫度小于當前系統(tǒng)對象的溫度時的可能情況，其實質(zhì)與圖7—致。如圖9所示，當增加介質(zhì)的溫度大于當前系統(tǒng)對象的溫度時的可能情況。以上圖7 圖9的三種情況，實質(zhì)是尋找輸入功率完全作用于受熱對象的最早的點，即為在用加熱器克服溫控對象慣性的第一時間點，包括各種情況的點，一是溫升過程中斜率最大的點，二是溫度第一個回落點。以上特征參數(shù)的調(diào)整方法同樣適用于當介質(zhì)溫度高于設(shè)定溫度時，系統(tǒng)增減了介質(zhì)的情況。上述所涉及的物理量的單位分別如下
功率P : J/s ；
介質(zhì)質(zhì)量Q :Kg ；
比熱 C: J/ (KgX0C )；
溫度T : °c ;
時間t s ;散熱速度曲線斜率Kvt :曲線斜率。C /s ； μ無量綱；
系統(tǒng)特征參數(shù)β : °C /s; sv :散熱速度J/s ；
Vsp V /s (溫度為SP時，每秒溫度變化量)；
斜率 Kn: V /S。
步驟204 :加熱器或制冷器數(shù)量調(diào)整的步驟。如圖10所示的系統(tǒng)溫度隨時間變化的曲線；實際調(diào)整點，因為容器散熱分量(KvtX (Tsp -Tn) ) X βη的存在，要比圖10中調(diào)整點超前。首先，本發(fā)明溫度控制方法的算法目標是通過該控制裝置保證溫控對象的溫度一 定要趨向于設(shè)定溫度SP，以下以該裝置的溫度小于設(shè)定溫度SP時的調(diào)整過程說明此算法，當系統(tǒng)溫度大于SP時的調(diào)整策略與以下描述正好相反。步驟2041、當系統(tǒng)溫度穿過設(shè)定溫度點SP時，根據(jù)計算的增量值INC調(diào)整加熱器或制冷器的數(shù)量，該增量值INC可正可負，INOO時增加加熱器，INCXO時減少加熱器，如圖10中的Α、C、E、J點，其中A、E點應(yīng)該是增加加熱器，以便系統(tǒng)溫度止跌回升，而C、J點則應(yīng)該減少加熱器，以便溫度止升回跌。步驟2042、在BC、DE、GH、IJ過程中，因為溫度趨向于SP，因此無論增量如何變化
都不做調(diào)整。步驟2043、假設(shè)在A點計算所需的功率增量需求為INCO (—定大于0)，則增加加熱器數(shù)量為AMN=INC0+1并取整，這說明實際輸入功率因以單位功率為基礎(chǔ)，因此通常情況下，應(yīng)該大于計算增量INC0。步驟2044、持續(xù)監(jiān)測并計算增量INC
AB段如果INC〈AMN，說明實際增加的單位功率能夠滿足要求，繼續(xù)運行；直到INC逐漸由大變小，而后由正變負，即進入需要減少加熱器或制冷器數(shù)量的階段，即圖中的BC段，BC段因趨向SP，所以無論INC如何需要減小均不做調(diào)整。⑶段與該過程正好相反。EFG段在E點增加了加熱器，隨著加熱器的作用，增量INC逐漸由大變小，但經(jīng)過一個過程后出現(xiàn)一個拐點并再次由小變大，這說明雖然新增加熱器在起作用，但仍然不能克服外因，所以出現(xiàn)INOAMN，這也說明實際增加的單位功率不能夠滿足要求，這就需要再次增加加熱器數(shù)量INC- INC0+1并取整；并置加熱器數(shù)量閥值A(chǔ)MN=INC+1并取整，以后持續(xù)比較新的INC與AMN的大??；
GHI段GH過程表明系統(tǒng)溫度趨向SP是正確的，當溫度到達H點時出現(xiàn)拐點，而且對象溫度沒有達到設(shè)定溫度SP，說明以前的調(diào)整，所增加的加熱器的功率一定已經(jīng)完全作用，而系統(tǒng)溫度將要背離設(shè)定溫度SP，因此必須增加加熱器數(shù)量，此刻的狀態(tài)過程類似從A點開始的過程。以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種多位開關(guān)智能溫度控制裝置，其特征在于，主要包括溫度檢測與處理模塊、微處理器、存儲器、數(shù)據(jù)總線以及控制輸出處理模塊；所述溫度檢測與處理模塊、微處理器、存儲器、控制輸出處理模均與所述數(shù)據(jù)總線相連；其中 所述溫度檢測與處理模塊，用于檢測并處理實時溫度，并將實時溫度經(jīng)數(shù)據(jù)總線傳送給微處理器； 所述存儲器，用于存儲實現(xiàn)多位開關(guān)智能溫度控制方法的控制程序，以及用于存儲包括溫度、加熱器數(shù)量在內(nèi)的設(shè)定數(shù)據(jù)和運行過程數(shù)據(jù)； 所述微處理器調(diào)用存儲器中的設(shè)定數(shù)據(jù)、控制程序、過程數(shù)據(jù)，實時計算當前應(yīng)該開啟或關(guān)閉的加熱器的數(shù)量，并在滿足預(yù)設(shè)條件時發(fā)出開啟或關(guān)閉所述數(shù)量加熱器的指令，然后通過所述控制輸出處理模塊執(zhí)行開啟或關(guān)閉所述數(shù)量的加熱器指令； 所述的控制輸出處理模塊，用于執(zhí)行開關(guān)輸出端口的開關(guān)指令，即接收微處理器發(fā)出的開啟或關(guān)閉指令，并執(zhí)行輸出開關(guān)指令即打開或關(guān)閉與之對應(yīng)的端口上所連接的加熱器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多位開關(guān)智能溫度控制裝置，其特征在于，所述溫度控制裝置進一步包括與數(shù)據(jù)總線相連的通信處理器或外設(shè)接口，用于通過該通信處理器或外設(shè)接口將所述的設(shè)定數(shù)據(jù)存儲到存儲器中、并在運行過程中，將必要的運行過程數(shù)據(jù)反饋到人機操作界面。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多位開關(guān)智能溫度控制裝置，其特征在于，所述溫度檢測與處理模塊還包括多路溫度采集端口，用于采集溫度系統(tǒng)的實時溫度值。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多位開關(guān)智能溫度控制裝置，其特征在于，所述的控制輸出處理模塊還包括多路開關(guān)輸出端口，用于接收微處理器發(fā)出的開啟或關(guān)閉指令，輸出開關(guān)電路打開或關(guān)閉與之相連的相應(yīng)數(shù)量的加熱器。
5.根據(jù)權(quán)利要求I 4任一項所述的多位開關(guān)智能溫度控制裝置，其特征在于，控制裝置進一步包括輔助檢測與處理模塊，用于檢測并處理相關(guān)的電氣參數(shù)和電氣故障狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多位開關(guān)智能溫度控制裝置，其特征在于，所述輔助檢測與處理模塊還包括輔助信息檢測端口，用于通過該端口檢測相關(guān)的電氣參數(shù)，如運行電流、電壓、功率的運行參數(shù)；以及檢測相關(guān)的電氣故障狀態(tài)，如運行時電氣回路的開路、短路、漏電的故障狀態(tài)。
7.一種多位開關(guān)智能溫度控制裝置的溫度控制方法，其特征在于，包括如下步驟 A、初始啟動時，溫度檢測與處理模塊將采集到的實時溫度值傳送至微處理器，并與存儲器中的設(shè)定值進行對比，若實時溫度值大于設(shè)定溫度值，則返回步驟A ;否則，啟動該多位開關(guān)智能溫度控制程序，執(zhí)行步驟B ； B、微處理器讀取存儲器中的溫度控制程序，計算當前應(yīng)該開啟或關(guān)閉的加熱器的數(shù)量，并向控制輸出處理模塊發(fā)出開啟或關(guān)閉所述數(shù)量加熱器的指令； C、所述控制輸出處理模塊根據(jù)所述的指令，開啟或關(guān)閉所述數(shù)量的加熱器，從而調(diào)節(jié)介質(zhì)的溫度，保證介質(zhì)的溫度始終趨向于設(shè)定溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多位開關(guān)智能溫度控制裝置的溫度控制方法，其特征在于，所述步驟B進一步包括 BI、求解溫控對象的特征參數(shù)β的步驟；B2、求解溫控對象隨時間變化時，在當前作用的功率的基礎(chǔ)上、溫控對象對功率增量的需求的步驟； B3、持續(xù)捕捉系統(tǒng)慣性被克服的第一時間點，并在該時間點重新計算特征參數(shù)β，如果特征參數(shù)β超過門限值，則修正特征參數(shù)β的步驟； Β4、比較求解的功率增量需求與當前階段已增減的加熱器數(shù)量，如果需要，則調(diào)整加熱器的開啟數(shù)量的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多位開關(guān)智能溫度控制裝置的溫度控制方法，其特征在于，步驟C所述開啟或關(guān)閉所述數(shù)量的加熱器，具體為 溫度維持過程中，只需通過開啟或關(guān)閉最小的單位調(diào)節(jié)量，即單位功率的加熱器，即能夠保證對象的溫度自始至終趨向設(shè)定溫度，其調(diào)整原則是當溫度的變化趨勢趨向于設(shè)定溫度時，不調(diào)節(jié)；當溫度的變化趨勢背離設(shè)定溫度時，根據(jù)計算結(jié)果調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多位開關(guān)智能溫度控制裝置及其控制方法，包括與數(shù)據(jù)總線分別相連的溫度檢測與處理模塊、微處理器、存儲器以及控制輸出處理模塊；所述存儲器，用于存儲實現(xiàn)多位開關(guān)智能溫度控制方法的控制程序，以及用于存儲包括溫度、加熱器數(shù)量信息的設(shè)定數(shù)據(jù)；所述溫度檢測與處理模塊，用于將實時溫度值經(jīng)數(shù)據(jù)總線傳送給微處理器；所述微處理器調(diào)用存儲器中的設(shè)定數(shù)據(jù)和控制程序，計算當前應(yīng)該開啟或關(guān)閉的加熱器的數(shù)量，并發(fā)出開啟或關(guān)閉所述數(shù)量加熱器的指令，然后通過所述控制輸出處理模塊執(zhí)行開啟或關(guān)閉所述數(shù)量的加熱器。采用本發(fā)明，能夠在保證溫度控制精度和溫度平穩(wěn)性的同時，大幅減少運行過程中的熱量損失，并降低溫度控制裝置的成本。
文檔編號G05D23/20GK102830733SQ20121033151
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月10日
發(fā)明者陳婷 申請人:陳婷