专利名称：一种智能温度测控装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于自动化温度测控技术领域，特别涉及采用比例积分微分(PID)的智能 温度测控装置。
技术背景在物理、化学和生物等实验中，经常需要温度测控装置来实现控温和恒温。目前市场上 的温度测控器虽然种类繁多,如美国雷克肖公司(Lakeshore)的370型和英国维斯特公司 (West)的2300型，都采用模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)以及比例积分微分(PID)算 法来实现测温和控温，其控温精度直接受模数转换器和数模转换器的精度的影响，由于模 数部分和数模部分全集成在温度测控器内，而模数和数模转换器的精度不是太高，不能随 时对模数和数模转换器进行升级，比例积分微分(PID)算法中的参数不能自动优化，控温精 度不够理想。实用新型内容本实用新型提出一种智能温度测控装置，采用分立的、可以随时升级的测温和控温装 置来提高测控精度，以克服现有温度测控装置不能随时对模数和数模转换器进行升级和控 温精度不高的缺陷。本实用新型智能温度测控装置，其特征在于温度传感器热敏电阻R1的两端通过电缆 线分别连接到数字万用表U1的两个表笔测量端口 A和B,数字万用表U1的通用总线(GPIB) 接口 E通过GPIB总线H与计算机U4上总线接口卡U3相连，总线接口卡U3同时通过 GPIB总线G与数字电源U2的GPIB接口 F相连，数字电源U2的两个直流电压输出端口 C和D通过电缆线分别与加热片R2的两端相连，温度传感器热敏电阻Rl和加热片R2安 装在需要控温的装置内。采用本实用新型智能温度测控装置进行温度测控时，计算机将数字万用表测得的热敏 电阻值由字符串格式转为双精度浮点数格式(即读取热敏电阻值)；根据热敏电阻的温度曲 线，将此阻值变换为待测系统的实时温度；算出实时温度与设定温度之间的差值即温度误 差，将温度误差对测量时间积分得到积分误差，将温度误差对时间微分得到微分误差；将 比例积分微分算法中的比例系数乘以温度误差得到误差项，积分系数乘以积分误差得到积 分项，微分系数乘以微分误差得到微分项，以误差项、积分项和微分项三者之和为控制电 压值，由数字电源输出此控制电压(上述读取热敏电阻值之后的处理过程简称为变换输出 控制电压);再由计算机将数字万用表测得的温度传感器热敏电阻值由字符串格式转为双精
度浮点数格式，如此反馈进行；当上述反馈进行至温度误差小于士o.rc时，记录下实时温度的最小值到最大值这一区间内的温度误差与时间的关系曲线，对温度误差的绝对值求平均，将比例系数乘以大于O、小于O.Ol范围内的一常数再除以此平均值作为新的比例系数，将控制电压与积分误差之商作为新的积分系数，然后计算机再读取热敏电阻值，再变换输出控制电压，再读取热敏电阻值， 一直将反馈进行下去，直至温度误差达到土0.003'C。通过计算机不断地测量实时温度，比较实时温度与设定温度的大小，如果实时温度比 设定温度大，则温度误差为负值，随时间的累计，积分误差为负值并且其绝对值不断增加， 控制电压项中的积分项占的比重增加，控制电压减小，从而减小加热的力度，使实时温度和设定温度接近；如果实时温度比设定温度小，则温度误差为正值，随时间的累计，积分 误差为正值并且其绝对值不断增加，控制电压项中的积分项占的比重增加，控制电压会增 加，从而加大加热的力度，使实时温度和设定温度接近。本实用新型装置由于采用分立的数字万用表和数字电源代替传统温度测控器的模数和 数模部分，可以随时升级测温和控温装置；不像传统温度测控器精度主要受模数和数模转 换器精度的影响，而数字万用表和数字电源的精度较之模数和数模转换器精度要高，使得本测控装置的精度比传统的温度控制器要好。当温度误差土o. rc时，记录下实时温度的最小值到最大值这一端区间内的温度误差与时间的关系曲线，对温度误差的绝对值求平均，将比例系数乘以大于O、小于0.01范围内的一常数再除以此平均值作为新的比例系数，减小了温度误差项对控制电压的影响(温度误差项的影响降为土o.oorc以内)，控制电压与积分误差之商作为新的积分系数，控制电压主要受积分项的影响，减小了温度误差，目前市场上的温度控制器的控温精度只能达到o.orc，而本实用新型釆用6位半的数字万用表和4位半的数字电源可达到土O. 003'C的测控精度，并且可以随时升级测温和控温装置，从而能广泛地应用在那些对温度要求较苛刻的测量或测控领域，使高精度测量成为 可能。
图1为本实用新型的一种具体智能温度测控装置图。图2为智能温度测控中计算机程序执行的算法流程图。
具体实施方式
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以下结合附图1说明本实用新型的具体实施方式
。实施例1:根据图1给出的本实用新型具体装置图组建联接本实施例的智能温度测控装置- 将温度传感器热敏电阻Rl的两端通过电缆线分别连接到数字万用表Ul的两个表笔 测量端口 A和B，数字万用表Ul的通用总线(GPIB)接口 E通过GPIB总线H与计算机 U4上总线接口卡U3相连，总线接口卡U3同时以级联的方式通过GPIB总线G与数字电 源U2的GPIB接口 F相连，数字电源U2的两个直流电压输出端口 C和D通过电缆线分 别与加热片R2的两端相连，温度传感器热敏电阻Rl和加热片R2安装在需要控温的装 置内。本实施例中，温度传感器热敏电阻Rl采用日本林电工的薄膜铂电阻PtlOOO,数字万 用表Ul采用美国KEITHLEY的2000型数字万用表，总线接口卡U3采用台湾凌华的 PCI-3488型GPIB总线接口卡并安装在计算机U4的PCI插槽上，GPIB总线H和G采用市 场上通用的GPIB电缆线，数字电源U2采用美国AGILENT的E3642A型数字电源，加热片 R2采用50欧姆的薄膜蛇行加热片。使用时，通过该智能温度测控装置的计算机调用KEITHLEY2000自带的GPIB接口函 数，读出PtlOOO的双精度数值；计算机根据下面所列出的算法计算出控制电压；控制电 压通过GPIB接口函数送到E3642A， E3642A输出控制电压加热50欧姆蛇行加热片。图2给出了温度测控时计算机U4的执行步骤流程一、 首先，计算机U4进行设定初值步骤(1):比例积分微分(PID)算法中的比例系数 KP、积分系数Ki和微分系数Kd的取值范围分别为(20—300)、 (0—10)以及(0—5)，本实 施例实际操作中取了其中的较佳值IOO、 0和3;给出需要待控的设定温度Ts的值；二、 然后进行测量步骤(2):计算机读取热敏电阻R1的阻值；三、 进行误差数据处理步骤(3):根据PtlOOO的阻值温度变换公式,TP(R1-1000)/3. 85, 算出实时温度T1;输出温度温差eP= Tl-Ts，记录一分钟内所有温度温差ep绝对值之和的平均值ave(ep);四、 执行判断跳转步骤(4):判断误差数据处理步骤(3)中的ave(ep)是否在土0.1'C的误差范围内，否(N)则继续执行控制电压数据处理步骤(5)，是(Y)则跳转到修改PID参数 数据处理步骤(7);五、 进行控制电压数据处理步骤(5):由积分误差ei-2ep"，微分误差ed-(epi—ep2)/t ， t为采样时间，以及设定初值步骤(l)中的Kp、 Ki和Kd,以及误差数据处理步骤(3)中的温度 温差ep，通过公式V= Kp*eP+ K>ei+ Kd*ed计算出控制电压V;六、 执行控制电压输出步骤(6):计算机控制数字电源输出控制电压V;程序跳转至测
量步骤(2)处继续执行；七、进行修改PID参数数据处理步骤(7):记录实时温度T1的最大值和最小值区间内的所有测量温度点；对此区间内温度误差ep的绝对值求平均得ave(ep);进而得出新的比例系数Kp=KP*setO/ ave(ep)和积分系数Ki=(V/(k*ei))/f(Tl)，其中set0为取值范围大于0、小 于O.Ol的一常数，本实施例取其中的较佳值0.003;再跳转至控制电压数据处理步骤(5)处， 继续执行直至控温结束。由于本实用新型采用分立的、可以随时升级的测温和控温装置，测温和控温精度比传 统温度控制器内模数和数模转换器要高一个数量级，并且可以根据实际需要随时更换或升 级成精度更高的测温和控温装置。本测控装置开始工作后，采用比例积分微分算法，不停地循环反馈，is分钟左右控温精度达到土o.rc，此为温度粗控，之后修改比例系数和积分系数，起着温度细控的作用，优化积分系数使得积分温差稳定，根据温度曲线降低温度误差，使温度误差项对温度误差的影响低于o.oorc,再循环反馈，过i5分钟左右控温精度即能达到土O. 003°C。
权利要求1、一种智能温度测控装置，其特征在于温度传感器热敏电阻(R1)的两端通过电缆线分别连接到数字万用表(U1)的两个表笔测量端口(A和B)，数字万用表(U1)的通用总线接口(E)通过通用总线(H)与计算机(U4)上总线接口卡(U3)相连，总线接口卡(U3)同时通过通用总线(G)与数字电源(U2)的通用接口(F)相连，数字电源(U2)的两个直流电压输出端口(C和D)通过电缆线分别与加热片(R2)的两端相连，温度传感器热敏电阻(R1)和加热片(R2)安装在需要控温的装置内。
专利摘要本实用新型智能温度测控装置，特征是采用分立的、可以随时升级的测温和控温装置；温度传感器热敏电阻的两端通过电缆线分别连接到数字万用表的两个表笔测量端口，数字万用表的通用总线接口通过通用总线与计算机上总线接口卡相连，总线接口卡同时通过通用总线与数字电源的通用接口相连，数字电源的两个直流电压输出端口通过电缆线分别与加热片的两端相连，温度传感器热敏电阻和加热片安装在需要控温的装置内。本实用新型智能温度测控装置能实时地根据温度误差和积分误差来修改比例系数和积分系数；克服了现有温度测控装置不能随时对模数和数模转换器进行升级和控温精度不高的缺陷。
文档编号G05D23/19GK201041638SQ20062007466
公开日2008年3月26日 申请日期2006年7月4日 优先权日2006年7月4日
发明者兵 吴, 崑 吴, 方佳节, 朱大鸣, 杜先彬, 萍 王 申请人:中国科学技术大学