基于PID控制的黑体热源系统技术领域
本发明属于电加热技术领域，尤其涉及一种基于PID控制的黑体热源系统。
背景技术
随着工业工艺技术的发展，对设备工艺参数的精确度要求越来越严格，尤其是对
温度的控制，温度的控制不仅直接影响着产品的工艺质量，而且关系到设备能否安全有效
的运行和人员的生命财产安全。目前铁路列检作业的轴温检查自动化是通过红外线轴温探
测系统来实现的，红外线轴温探测系统是确保铁路车辆安全运行的重要设备，该系统的测
验是由专用红外线检测车定期(月，季、半年等)巡检检定，而在平常对红外线轴温探测设备
进行日、周检中，系统工作是否保证准确，关键的问题是标准温度源，要做好对设备进行校
验，就需要一种携带方便、不受环境影响的标准温度标定源，使之可经常性地对红外轴温探
测系统进行测校，使系统保持准确运行，并与红外线检测车的标准温度源相匹配。
发明内容
本发明的发明目的是：为了解决现有技术中存在的以上问题，本发明提出了一种
基于PID控制的黑体热源系统。
本发明的技术方案是：一种基于PID控制的黑体热源系统，包括：
发热子系统，用于将电能转换为热能，产生设置的目标温度；所述发热子系统包括
底座、发热体及发热膜；所述发热体及发热膜用于将电能转换为热能，构成发热结构；所述
底座用于固定发热结构；
控制子系统，用于采用PID控制方法对发热子系统的温度进行控制；所述控制子系
统包括微处理单元、温度检测单元、温度控制单元及人机交互单元，所述微处理单元分别与
温度检测单元、温度控制单元及人机交互单元连接；所述微处理单元用于接收温度检测单
元和人机交互单元发送的数据并采用PID控制方法进行处理，再根据处理结果发送控制信
号至温度控制单元；所述温度检测单元用于实时采集发热体的温度数据，并将温度数据发
送至微处理单元；所述温度控制单元用于根据微处理单元发送的控制信号对发热体的温度
进行控制；所述人机交互单元输入外部指令对加热目标温度进行设置。
进一步地，所述发热子系统还包括隔热棉及盖板；所述隔热棉用于将发热膜进行
隔离；所述盖板用于与底座形成封闭结构；所述发热体、发热膜和隔热棉由下及上依次设置
于底座内腔中。
进一步地，所述发热子系统通过隔板与控制子系统连接。
进一步地，所述控制子系统还包括与微处理单元连接的显示单元；所述显示单元
用于实时显示人机交互单元设置的加热温度，以及温度检测单元实时采集的发热体的温度
数据。
进一步地，所述控制子系统还包括电源单元和电池单元；所述电源单元用于分别
向微处理单元、温度检测单元、温度控制单元、人机交互单元及显示单元供电；所述电池单
元用于存储电能。
进一步地，所述控制子系统还包括与微处理单元连接的电源管理单元；所述电源
管理单元用于控制控制子系统的通断电。
进一步地，所述控制子系统还包括与微处理单元连接的电池电量检测单元；所述
电池电量检测单元用于实时检测电池单元的存储电量数据，并发送至微处理单元。
进一步地，所述控制子系统还包括与微处理单元连接的电池充电管理单元；所述
电池充电管理单元用于对电池单元进行充电。
进一步地，所述控制子系统还包括与微处理单元连接的电池温度检测单元；所述
电池温度检测单元用于实时采集电池单元的温度数据，并发送至微处理单元。
进一步地，所述PID控制方法的控制模型具体为：
u(k)＝Kpe(k)+KIe(i)+KD[e(k)-e(k-1)]
其中，Kp为比例调节系数，KI为积分时间常数，KD设置为0。
本发明的有益效果是：本发明的基于PID控制的黑体热源系统利用人机交互单元
设置发热体的目标温度，再通过温度检测单元实时检测发热体的温度，并利用微处理单元
根据发热体的温度采用PID控制方法进行处理，最后利用温度控制单元对发热体的温度进
行控制，从而提供标准的温度标定，结构简单、携带方便，无需添加额外的散热装置对温度
进行控制，加热效率及精度得到了极大的高，并且不受环境影响。
附图说明
图1是本发明的基于PID控制的黑体热源系统结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对
本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不
用于限定本发明。
如图1所示，为本发明的基于PID控制的黑体热源系统结构示意图。一种基于PID控
制的黑体热源系统，包括：
发热子系统，用于将电能转换为热能，产生设置的目标温度；所述发热子系统包括
底座、发热体及发热膜；所述发热体及发热膜用于将电能转换为热能，构成发热结构；所述
底座用于固定发热结构；
控制子系统，用于采用PID控制方法对发热子系统的温度进行控制；所述控制子系
统包括微处理单元、温度检测单元、温度控制单元及人机交互单元，所述微处理单元分别与
温度检测单元、温度控制单元及人机交互单元连接；所述微处理单元用于接收温度检测单
元和人机交互单元发送的数据并采用PID控制方法进行处理，再根据处理结果发送控制信
号至温度控制单元；所述温度检测单元用于实时采集发热体的温度数据，并将温度数据发
送至微处理单元；所述温度控制单元用于根据微处理单元发送的控制信号对发热体的温度
进行控制；所述人机交互单元输入外部指令对加热目标温度进行设置。
本发明的发热子系统采用发热体和发热膜共同构成发热结构；底座包括底板和四
周侧壁，形成凹槽结构，底板中部设有通孔；本发明的发热体和发热膜构成的发热结构固定
安装在底座的凹槽内；为了避免发热结构产生的热量对本发明的器件造成损坏，本发明的
发热子系统还包括隔热棉；所述隔热棉设置在发热膜表面，用于将发热膜进行隔离；进一步
地，为了将发热结构产生的热量进行隔离，本发明还包括盖板；所述盖板与底板的四周侧壁
进行扣合，用于与底座形成封闭结构；所述发热体、发热膜和隔热棉由下及上依次设置于底
座内腔中。
本发明的控制子系统用于采用PID控制方法对发热子系统的温度进行控制，该功
能采用设置在电路板上的控制电路实现。本发明的控制子系统与发热子系统通过隔板固定
连接。本发明的控制子系统包括微处理单元、温度检测单元、温度控制单元及人机交互单
元。
本发明的微处理单元用于接收温度检测单元和人机交互单元发送的数据并采用
PID控制方法进行处理，再根据处理结果发送控制信号至温度控制单元，该功能的实现可以
采用32位STM32F103RCT6单片机，或其他如DSP单元等数据处理芯片。微处理单元分别设置
有MCU时钟信号接口、微处理复位信号接口、加热电压采集信号接口、电池电压采集信号接
口、电池温度采集信号接口、环境温度采集信号接口、开关机检测终端输入信号接口、电池
正在充电标记信号接口、电池完成充电标记信号接口、工作模式设置信号接口、加热PWM信
号接口、显示控制信号接口、电池充电选择信号接口、电池高温停止充电信号接口、软件关
机信号接口、程序状态指示灯信号接口、232串口信号接口、按键输入信号接口、黑体温度采
集信号接口。
本发明中的PID控制方法的控制模型具体为：
u(k)＝Kpe(k)+KIe(i)+KD[e(k)-e(k-1)]
其中，Kp为比例调节系数，KI为积分时间常数，KD设置为0。
比例调节系数Kp的设置方法具体为：首先去掉PID控制模型的积分项和微分项，即
令KI＝0、KD＝0，使PID控制方法为纯比例调节；输入比例调节系数设定为系统允许的最大值
的60％～70％，由0逐渐加大比例调节系数Kp，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例
调节系数Kp逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例调节系数Kp，设定PID控制方法的
比例调节系数Kp为记录的当前值的60％～70％，从而完成比例调节系数Kp调试。由于本发明
采用自然散热方式，因此采用的比例调节系数Kp选择较小的参数，设置比例调节系数Kp的值
为5。
积分时间常数KI的设置方法具体为：确定比例调节系数Kp后，设定一个较大的积分
时间常数KI的初值，然后逐渐减小积分时间常数KI，直至系统出现振荡；之后在反过来，逐渐
加大积分时间常数KI，直至系统振荡消失，记录此时的积分时间常数KI，设定PID控制方法的
积分时间常数KI为当前值的150％～180％，完成积分时间常数KI调试。设置积分时间常数KI
为0.00596753457。
本发明的温度检测单元用于实时采集发热体的温度数据，该功能的实现可以采用
温度传感器和温度采集电路实现；温度传感器设置在发热体内部，其通过导线与温度采集
电路连接。温度采集电路与微处理单元的环境温度采集信号接口连接。
本发明的温度控制单元用于根据微处理单元发送的控制信号对发热体的温度进
行控制，该功能的实现可以采用IRF9310PBF-1芯片及温度控制电路实现。温度控制电路与
微处理单元的加热PWM信号接口连接。
本发明的人机交互单元输用于入外部指令对加热温度进行设置，该功能的实现可
以采用按键和按键电路。按键包括增加键、减少键和移位键。按键电路与微处理单元的按键
输入信号接口连接。
本发明的控制子系统还包括与微处理单元连接的显示单元；所述显示单元用于实
时显示人机交互单元设置的加热温度，以及温度检测单元实时采集的发热体的温度数据。
显示单元与微处理单元的显示控制信号接口连接。
本发明的控制子系统还包括电源单元和电池单元；所述电源单元用于分别向微处
理单元、温度检测单元、温度控制单元、人机交互单元及显示单元供电；所述电池单元用于
存储电能，该功能的实现可以采用锂电池实现。
本发明的控制子系统还包括与微处理单元连接的电源管理单元；所述电源管理单
元用于控制控制子系统的通断电，该功能的实现可以采用LTC2954ITS8-2芯片和按键开关
机电路。电源管理单元通过UPB接口与微处理单元连接，具体为通过UPB接口与微处理单元
的软件关机信号接口、加热PWM信号接口、电池高温停止充电信号接口、开关机检测终端输
入信号接口、电池正在充电标记信号接口、电池电压采集信号接口、电池充电选择信号接
口、电池完成充电标记信号接口、按键输入信号接口、加热电压采集信号接口、电池温度采
集信号接口连接。
本发明的控制子系统还包括与微处理单元连接的电池电量检测单元；所述电池电
量检测单元用于实时检测电池单元的存储电量数据，并发送至微处理单元。
本发明的控制子系统还包括与微处理单元连接的电池充电管理单元；所述电池充
电管理单元用于对电池单元进行充电，该功能的实现可以采用CN3702芯片和充电电路。
CN3702芯片分别与微处理单元的电池正在充电标记信号接口、电池完成充电标记信号接
口、电池高温停止充电信号接口、电池温度采集信号接口、电池充电选择信号接口连接。
本发明的控制子系统还包括与微处理单元连接的电池温度检测单元；所述电池温
度检测单元用于实时采集电池单元的温度数据，并发送至微处理单元，该功能的实现可以
采用温度传感器和采集电路实现。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发
明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的
普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各
种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。