高精度温度控制方法.pdf

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图3至图4所示，一种高精度温度控制方法，包括如下步骤：

第一步：

温度控制器1上电后，压缩机2并不启动，此时显示板通过传感器检测当前的冷却剂初始温度T0(本实施例以用油作为冷却剂为例)，设定温度Ts一般情况默认为16℃，然后可以通过操作温度控制器1上的温度设定按键选择需要的设定温度Ts。等温度设定好后，开机，压缩机2开始运行。

第二步：

系统开始运行时，温度控制器1内的程序根据当前的初始温度T0跟设定温度Ts的差值e(k)来决定压缩机2的初始运转频率，温差e(k)越大，初始运转频率越大，温差e(k)越小，初始运转频率越小，这样既可以尽快地降低温度，又可以减少超调量。

当系统刚刚启动时，制冷系统尚未建立平衡，此时温度变化不能反映正常的趋势，因此需要延时一段时间，保持压缩机2以初始频率运行，一般的情况下，刚开始运转时，压缩机2以等于或大于80Hz的高频率运转1至2分钟后进入下述过程。

第三步：

当系统正常运行后，采用PID算法，控制冷却剂温度由初始温度T0降至接近设定温度Ts的第一平衡点温度T1，此时，冷却剂的温度基本上已达到设定温度Ts，压缩机2制冷系统达到了基本的平衡，一般情况下，第一平衡点温度T1低于设定温度Ts。

此过程中，采用分段控制的方法，温度控制器1将检测到的冷却剂的当前温度T与设定温度Ts之间的温度差e(k)、冷却剂的温度每变化单位温度(本实施例以±0.1℃为例)所需时间的变化速率y(k)、及压缩机运转频率的变化控制量u(k)(频率需要改变的量的大小)各分为若干个区间，例如，将温度差e(k)分成e(9)，e(8)，e(7)，e(6)，e(5)，e(4)，e(3)，e(2)，e(1)；e(0)，e0(9)，e0(8)，e0(7)，e0(6)，e0(5)，e0(4)，e0(3)，e0(2)，e0(1)19个区间，每个区间代表一段温度差的数值范围；同样，将变化速率y(k)分成y(1)，y(2)]，y(3)，y(4)，y(5)，y(6)，y(7)，y(8)，y0(1)，y0(2)，y0(3)，y0(4)，y0(5)，y0(6)，y0(7)，y0(8)16个区间，将变化控制量u(k)也分成u(1)，u(2)，u(3)，u(4)，u(5)，u(6)，u(7)，u(8)，u0(1)，u0(2)，u0(3)，u0(4)，u0(5)，u0(6)，u0(7)，u0(8)16个区间，每个温度差e(k)及变化速率y(k)的组合都相应对应一个控制量u(k)的区间，每个控制量u(k)的区间都通过程序预先设定好下一时刻压缩机2的运转频率是上升还是下降，以及控制量u(k)的大小范围。

当系统运行时，根据当前的温度差e(k)及变化速率y(k)的大小确定其所处于的区间，经温度控制器1进行PID计算后，确定控制量u(k)所对应的区间，从而确定当前压缩机的运转频率是上升或是下降，以及控制量u(k)的大小，再通过温度控制器1向压缩机2输出，从而控制压缩机2的运转频率。

例如：

当温度差e(k)及变化速率y(k)分别处于e0(9)和y0(8)区间时，相应的控制量u(k)处于u0(3)区间，则压缩机2需要降频，而且降频的范围为2Hz至3Hz之间。当温度差e(k)及变化速率y(k)分别处于e0(3)和y0(7)区间时，相应的控制量u(k)处于u(4)区间，则压缩机2需要升频，而且升频的范围为3Hz至5Hz之间。

其中频率变化的具体大小，需要通过计算来得到，计算方法如下：

温度变化0.1℃，此时控制程序如下处理(其中HE，HY，HU分别为温差，变化速率及频率控制量的参数)。

A)计算此时温差E(k)；

B)当(E(k)∈(e[9]，e[1]，e[0]，e0[1]，e0[9])，令HE＝＝0

else if(U(k)∈(u[1]，u[2]，u[3]，u[4]，u[5]，u[6]，u[7]，u[8])

此时e1＜e2：HE＝(E(k)-e1)/(e2-e1)；HE＞0

else if(U(k)∈(u0[1]，u0[2]，u0[3]，u0[4]，u0[5]，u0[6]，u0[7]，u0[8])

HE＝(E(k)-e2)/(e2-e1)；HE＜0

注：上述处理是为了使HE与U(k)符合一致，同为正或者同为负。

C)温度变化0.1℃所用时间Y(k)，

当t＞0时Y[k]∈(y[1]，y[2]，y[3]，y[4]，y[5]，y[6]，y[7]，y[8])；

当t＜0时Y[k]∈(y0[1]，y0[2]，y0[3]，y0[4]，y0[5]，y0[6]，y0[7]，y0[8])；

if(Y(k)∈(y[8]，y0[8]){HY＝0；}

else if(U(k)∈(u[1]，u[2]，u[3]，u[4]，u[5]，u[6]，u[7]，u[8])

{HY＝(y(k)-t1)/(t2-t1)；}HY＞0；

else if(U(k)∈(u0[1]，u0[2]，u0[3]，u0[4]，u0[5]，u0[6]，u0[7]，u0[8])

{HY＝(Y(k)-t2)/(t2-t1)；}HY＜0；

HY与U(k)的方向一致。

1)HU＝HY+HE；

2)If(HE＝0)||(HY＝0){U(k)＝HU*(u2-u1)+u1；

3)else {U(k)＝HU/2*(u2-u1)+u1；

这样计算出U(k)的大小及方向，通过温度控制器1控制压缩机2的运转频率，从图3中可以明显看出，系统超调量非常小，而且还可以通过不断地调整频率来实现对温度的精确控制。

在本发明中，为了更好的监控温度的变化，采取了与以往不同的取样方式，即：不是以固定的时间来采样温度AD值，而是对温度进行实时监控。当温度变化0.1℃时，计算所需要的时间，这样时间的大小就是温度变化的速率，而传统的固定周期采样方式无法准确反映出温度变化的速率，试验证明，通过此控制，可以使温度控制有很大改善。

第四步：

对于控制对象即恒量的介质而言，在一定的条件下(环境温度、负载不变时)其温度变化0.1℃所需要的能量是相等的。例如：我们把水从10℃加热到20℃所做的功，与从80℃加热到90℃所做的功是相等的，这样，先定义冷却剂每变化单位温度±0.1℃所需要克服负载所做的功为

在温度稳定时，压缩机2的制冷量，必须与负载的发热量相等，否则温度会出现偏移。而要使两者相等，则应该计算出负载的功率，由于压缩机的频率与功率基本上成线性关系，在这里我们统一用压缩机的运转频率来衡量。

由以上分析可知，将冷却剂温度由第一平衡点温度T1调整至设定温度Ts并且稳定下来，则应满足如下关系式：

ECool=(T1-Ts)×E‾+EHeat---(1)]]>

在式(1)中，E_Cool——压缩机制冷能量；

           E_Heat——负载制热能量；

为了提高温度控制精度，本发明将此过程分为两个阶段分别控制；

第一阶段，将冷却剂温度从第一平衡点温度T1调整至中间温度T2，此过程为补偿压缩机制冷量与负载发热量差的过程，补偿过程满足如下公式：

Σk=1mfk×tk=(T1-Ts)×ΔE+f×(t2-t1)---(2)]]>

其中，f_k——第k次采样时运行频率；

      t_k——以f_k频率运行的时间；

      t1——冷却剂由初始温度T0降至第一平衡点温度T1所需要的时间；

      t2——冷却剂由第一平衡点温度T1调整至中间温度T2所需要的时间；

      ΔE——是在假定E_Cool＝E_Heat的情况下的估测值；

      f*——压缩机运行频率，是在假定E_Cool＝E_Heat的情况下的估测值；

其中，——压缩机运转频率；

因为无法预先计算出和的实际值，为此我们可先取两个估测值ΔE和f*，ΔE和f*两个估测值，分别满足如下公式：

f*＝E_Cool÷t1          (3)

ΔE＝E_Cool/[2*(T0-T1)] (4)。

式(3)是假定E_Cool＝E_Heat的条件下得出的，比实际值偏大，而在计算之时，由于系统的延时及判断最低点的延迟，其偏差并不大。

可以暂时认为f*为压缩机运转频率，这样在到达t2时刻时，已经使得制冷量与负载之间因为温度差值而造成的能量不平衡消失，即，从t2时刻时，可以认为整个系统制冷的能量已经达到平衡，以后只要让压缩机2以f*运行，在理想状态下，温度应该能够达到设定温度Ts，并且不会再出现超调现象，如果以后以f*运行，则温度不会再变化。

第二阶段，将冷却剂温度从中间温度T2调整至设定温度Ts，此过程中，及达到设定温度Ts后，压缩机2均以f*运转频率运行。

第五步：

由于以上得到的f*和ΔE是预估值，会产生偏差，因此，在冷却剂温度达到设定温度Ts时，对上述ΔE与f*两个估测值进行自动调节，计算出精确的与保证压缩机2以频率运行，从而使冷却剂温度稳定在控制精度范围内。

计算与精确数值的步骤如下：

首先，冷却剂温度每上升或下降0.1℃，相应地压缩机运转频率也上升或下降1HZ，当温度变化超出±0.1℃时，温度每上升或下降0.1℃，压缩机运转频率上升或下降2HZ，这样，即可以自动调节得到当在某一温度点稳定较长时间时(例如3分钟)，则判断当前频率即为f*的精确值此时刻相当于t3。

然后，通过如下公式计算出ΔE的精确值

[f‾×(t3-t1)-∫t1t3f×dt]/Σ|ΔT|---(5)]]>

其中，t3——压缩机以频率运转的时间

|ΔT|——在t1——t3过程中，温度变化，即温度变化0.1度，累加一次这样，就得到了精确的和此后就可以精确计算了。

对同一系统，计算出与之后，再次启动系统时可以缩短从t0——t3的时间，即由如下公式：

Σk=1mfk×tk=e(k)×ΔE+f‾×t---(6)]]>

式(6)中，e(k)＝T0-Ts

t=Σk=1mtk]]>

计算出我们从初始时温度T0到设定温度Ts所需克服负载发热所做的功，进行补偿(可以以高频运行，不再进行PID调整)。然后再以运行。其中，f_k可以为一固定频率，例如80HZ，运行一段时间后再以运行，在理论上就可以完全避免超调现象。这样不断可以大大缩短初期稳定所需的时间，理想状态下没有任何超调量出现，大大节约能源。但是必须注意的是，必须在其他条件(外部环境、负载)不变的情况下才能这样应用。如果其他条件(外部环境、负载)变化，则应该重复上述步骤重新计算。

此方法也可应用于其他情形温度控制，负载能力越大控制越稳定，或者适用于PID控制的领域，对其进行改进，以达到节约能源的目的。

如上所述，结合附图和实施例所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。