基于级联型闭环PID调节的流体温度控制系统及控制方法与流程

本发明涉及流体温度控制系统，尤其是涉及基于级联型闭环pid调节的流体温度控制系统及控制方法。

背景技术：

半导体制造装备、电池制造装备、pcb制造装备等均需要温度控制系统，该温度控制系统要求的制冷量调节能力和温度控制精度更高。目前，用于上述制造装备的温度控制系统，多是采用一个压力自动比例调节阀来控制开度，一个旁通电磁阀按照设定的温度，根据时间比例调节方式控制平均开度的方法来控制温度。其存在的不足是：所控制的温度波动范围较大；旁通电磁阀采用时间比例调节方式控制，导致开关频率对系统造成冲击，旁路电磁阀频繁开关使其寿命缩短、吸合噪声大。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种基于级联型闭环pid调节的流体温度控制系统，本发明另一目的是提供该流体温度控制系统的控制方法。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

本发明所述基于级联型闭环pid调节的流体温度控制系统，包括基于arm架构cpu的控制器，制冷压缩机、冷凝器、干燥过滤器、前级节流电动调节阀、旁通电动调节阀、换热器和输送泵；所述制冷压缩机排气口通过三通管一路经所述冷凝器、干燥过滤器与所述前级节流电动调节阀进口连通，另一路与所述旁通电动调节阀进口连通；前级节流电动调节阀出口和旁通电动调节阀出口与所述换热器的制冷剂通道进口连通，换热器的制冷剂通道出口与制冷压缩机吸气口连通；换热器的载冷剂通道出口与所述输送泵进口连通，输送泵出口与负载换热通道进口连通，所述负载换热通道出口与换热器的所述载冷剂通道进口连通；在制冷压缩机吸气口处设置有用于检测吸气压力和吸气温度的压力传感器和第一温度传感器，在输送泵出口处设置有用于检测载冷剂温度的第二温度传感器；所述压力传感器、第一温度传感器和第二温度传感器的检测信号输出端分别与所述控制器的检测信号输入端连接；前级节流电动调节阀、旁通电动调节阀和输送泵的执行机构控制信号输入端分别与控制器的控制信号输出端连接。

本发明所述基于级联型闭环pid调节的流体温度控制系统的控制方法，按照下述步骤进行：

步骤1，所述控制器实时采集所述第一温度传感器、第二温度传感器、压力传感器输出的检测数据；

步骤2，当第二温度传感器检测的载冷剂温度值高于设定的温度阈值0.05℃时,换热器内的温度升高，制冷剂在换热器中的蒸发速度加快，导致制冷剂到达换热器的制冷剂通道出口处温度升高，制冷压缩机吸气过热度增大，吸气温度升高；当第一温度传感器和压力传感器检测的制冷压缩机吸气温度和吸气压力与制冷剂物理性质表所对应温度值的差值增大0.1℃时，控制器根据第二温度传感器发送的载冷剂温度信号进行比较、判断、放大，按照pid输出调节控制信号控制前级节流电动调节阀开度增大2%，通过提高流经所述换热器制冷剂通道的制冷剂流量来降低载冷剂温度值至设定的所述温度阈值内；

步骤3，当步骤2通过控制前级节流电动调节阀开度增大后，第二温度传感器检测的载冷剂温度值仍然高于设定的温度阈值0.05℃且继续上升至高于设定的温度阈值0.1℃时，控制器输出控制信号控制所述旁通电动调节阀开度减小，通过降低流经换热器制冷剂通道的制冷剂蒸汽流量来降低载冷剂温度值至设定的温度阈值内；

步骤4，当第二温度传感器检测的载冷剂温度值低于设定的温度阈值0.05℃时，换热器内的温度降低，制冷剂在换热器中的蒸发速度减慢，导致制冷剂到达换热器的制冷剂通道出口处温度降低，制冷压缩机吸气过热度减小，吸气温度降低；当第一温度传感器和压力传感器检测的制冷压缩机吸气温度和吸气压力与制冷剂物理性质表所对应温度值的差值减小0.1℃时，控制器根据第二温度传感器发送的载冷剂温度信号进行比较、判断、放大，按照pid输出调节控制信号控制前级节流电动调节阀开度减小2%，通过减少流经换热器制冷剂通道的制冷剂流量来提高载冷剂温度值至设定的温度阈值内；

步骤5，当步骤4通过控制前级节流电动调节阀开度减小后，第二温度传感器检测的载冷剂温度值仍然低于设定的温度阈值0.05℃且继续降低至低于设定的温度阈值0.1℃时，控制器输出控制信号控制旁通电动调节阀开度增大，通过提高流经换热器制冷剂通道的制冷剂蒸汽流量来提高载冷剂温度值至设定的温度阈值内。

本发明采用前级节流电动调节阀作为前级执行器，旁通电动调节阀作为后级执行器。前级执行器调节常温高压制冷剂液体进入换热器的流量，后级执行器调节高温高压制冷剂蒸汽进入换热器的流量。控制器采用arm架构cpu，通过对前级节流电动调节阀和旁通电动调节阀的开度互逆调节，实现对载冷剂温度的精密控制。本发明两个电动调节阀按照预设程序比例控制方式，利用电动调节阀的执行电机偏转角控制阀针移动来控制阀体的开度大小，使得载冷剂的温度波动度大为减小，系统不产生冲击现象，同时也大大减小了噪音，提高了系统的使用寿命。

附图说明

图1是本发明所述流体温度控制系统的结构示意图。

图2是本发明级联型闭环pid调节工作原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1所示，本发明所述基于级联型闭环pid调节的流体温度控制系统，包括基于arm架构cpu的控制器1，制冷压缩机2、冷凝器3、干燥过滤器4、前级节流电动调节阀5、旁通电动调节阀6、换热器7和输送泵8；制冷压缩机2排气口通过三通管一路经冷凝器3、干燥过滤器4与前级节流电动调节阀5进口连通，另一路与旁通电动调节阀6进口连通；前级节流电动调节阀5出口和旁通电动调节阀6出口与换热器7的制冷剂通道进口7.1连通，换热器7的制冷剂通道出口7.2与制冷压缩机2吸气口连通；换热器7的载冷剂通道出口7.3与输送泵8进口连通，输送泵8出口与负载换热通道进口9.1连通，负载换热通道出口9.2与换热器7的载冷剂通道进口7.4连通；在制冷压缩机2吸气口处设置有用于检测吸气压力和吸气温度的压力传感器2.1和第一温度传感器2.2，在输送泵8出口处设置有用于检测载冷剂温度的第二温度传感器8.1；压力传感器2.1、第一温度传感器2.2和第二温度传感器8.1的检测信号输出端分别与控制器1的检测信号输入端连接；前级节流电动调节阀5、旁通电动调节阀6和输送泵8的执行机构控制信号输入端分别与控制器1的控制信号输出端连接。

本发明所述基于级联型闭环pid调节的流体温度控制系统的控制方法，按照下述步骤进行：

步骤1，控制器1实时采集第一温度传感器2.2、第二温度传感器8.1、压力传感器2.1输出的检测数据；

步骤2，当第二温度传感器8.1检测的载冷剂温度值高于设定的温度阈值0.05℃、且第一温度传感器2.2和压力传感器2.1检测的制冷压缩机2吸气温度和吸气压力与制冷剂物理性质表所对应温度值的差值增大0.1℃时（温度差值范围：2~52℃，对应前级节流电动调节阀5的开度范围：0~100%），控制器1根据第二温度传感器8.1发送的载冷剂温度信号进行比较、判断、放大，按照pid输出调节控制信号控制前级节流电动调节阀5开度增大2%，通过提高流经换热器7制冷剂通道的制冷剂流量来降低载冷剂温度值至设定的温度阈值内；

步骤3，当步骤2通过控制前级节流电动调节阀5开度增大后，第二温度传感器8.1检测的载冷剂温度值仍然高于设定的温度阈值0.05℃且继续上升至高于设定的温度阈值0.1℃时，控制器1输出控制信号控制旁通电动调节阀6开度减小，通过降低流经换热器7制冷剂通道的制冷剂蒸汽流量来降低载冷剂温度值至设定的温度阈值内；

步骤4，当第二温度传感器8.1检测的载冷剂温度值低于设定的温度阈值0.05℃、且第一温度传感器2.2和压力传感器2.1检测的制冷压缩机2吸气温度和吸气压力与制冷剂物理性质表所对应温度值的差值减小0.1℃时（温度差值范围：2~52℃，对应前级节流电动调节阀5的开度范围：0~100%），控制器1根据第二温度传感器8.1发送的载冷剂温度信号进行比较、判断、放大，按照pid输出调节控制信号控制前级节流电动调节阀5开度减小2%，通过减少流经换热器7制冷剂通道的制冷剂流量来提高载冷剂温度值至设定的温度阈值内；

步骤5，当步骤4通过控制前级节流电动调节阀5开度减小后，第二温度传感器8.1检测的载冷剂温度值仍然低于设定的温度阈值0.05℃且继续降低至低于设定的温度阈值0.1℃时，控制器1输出控制信号控制旁通电动调节阀6开度增大，通过提高流经换热器7制冷剂通道的制冷剂蒸汽流量来提高载冷剂温度值至设定的温度阈值内。

本发明制冷压缩机2采用r410a制冷剂，表1是本发明给出的制冷剂r410a的物理性质表；其他制冷剂的物理性质表可在该制冷剂手册中查出。

本发明级联型闭环pid调节工作原理如图2所示，以制冷量/加热量pid控制子系统为前级，以补偿加热/制冷pid控制子系统为后级。

本发明工作时，根据设计要求预定一个较小的温度阈值范围，当控制目标温度发生波动时，产生一个扰量，如果扰量变化小于温度阈值范围，前级执行器进行调节；如果目标温度波动超出温度阈值范围时，后级执行器在较大范围进行调节；前级执行器起扰量放大、频度降低作用。