[发明专利]基于自适应区间PID控制的气体多通池温控系统及方法

权利要求书

1.基于自适应区间PID控制的气体多通池温控系统，其特征在于，包括：气体多通池及控制单元(6)，所述气体多通池由铝合金支撑结构(1)和气体样品池(2)构成，所述气体样品池(2)设置在铝合金支撑结构(1)上，气体样品池(2)的外壁上套有加热膜(4)，所述加热膜(4)完全包裹整个气体样品池(2)外壁，加热膜(4)与加热膜驱动模块连接，加热膜(4)为聚酰亚胺加热膜，在加热膜(4)与气体样品池(2)外壁之间设置温度传感器(3)，温度传感器(3)与温度采集模块连接；所述气体样品池(2)的外部还套设有保温层(5)；所述保温层(5)置于加热膜(4)的外部；所述控制单元(6)包括温度采集模块、加热膜驱动模块及自适应区间PID控制器，所述温度采集模块及加热膜驱动模块分别与自适应区间PID控制器连接，自适应区间PID控制器包含单片机、区间控制模块和参数控制模块，区间控制模块、参数控制模块及单片机相互之间通信连接。

2.根据权利要求1所述的基于自适应区间PID控制的气体多通池温控系统，其特征在于：所述气体样品池(2)采用石英气体样品池。

3.根据权利要求1所述的基于自适应区间PID控制的气体多通池温控系统，其特征在于：所述单片机采用单片机STM32。

4.根据权利要求1所述的基于自适应区间PID控制的气体多通池温控系统，其特征在于：所述保温层(5)采用保温隔热棉。

5.根据权利要求1所述的基于自适应区间PID控制的气体多通池温控系统，其特征在于：所述温度采集模块包括惠更斯电桥、仪表放大器及模数转换器芯片，其中惠更斯电桥是由铂电阻PT1000与三个电阻组成，惠更斯电桥中的三个电阻分别为R1、R2、R3，仪表放大器的输入端与惠更斯电桥连接，仪表放大器的输出端与模数转换器芯片连接。

6.根据权利要求5所述的基于自适应区间PID控制的气体多通池温控系统，其特征在于：所述惠更斯电桥中R1、R2及R3采用具有相同温度漂移系数的电阻。

7.根据权利要求5所述的基于自适应区间PID控制的气体多通池温控系统，其特征在于：所述仪表放大器采用仪表放大器AD620。

8.根据权利要求5所述的基于自适应区间PID控制的气体多通池温控系统，其特征在于：所述模数转换器芯片采用模数转换器芯片AD7705。

9.根据权利要求1所述的基于自适应区间PID控制的气体多通池温控系统，其特征在于：所述加热膜驱动模块包括光电耦合器TLP521、MOS管驱动芯片IR2117及MOS管IRF2807，所述光电耦合器TLP521、MOS管驱动芯片IR2117及MOS管IRF2807顺次连接。

10.基于自适应区间PID控制的气体多通池温控方法，其特征在于,该方法采用权利要求1-9中任意一项所述的基于自适应区间PID控制的气体多通池温控系统，具体包括如下步骤：

步骤一、将待测气体通入气体多通池，温度采集模块进行温度采样，并将采集到的当前温度实际值输入至自适应区间PID控制器中，第k次采样温度实际值为youk(k)，单片机接收温度采样数据并进行处理，得到温度偏差值e(k)，其中e(k)＝rin(k)-youk(k)，rin(k)表示温度设定值，将温度偏差值e(k)作为输入参数输入到区间控制模块；

步骤二、当前温度值所处区间范围通过区间计算函数得到ε_k，即当前温度的结束值与初始值之差，1≤k≤n,n≥5，同时当前温度偏差值变化率通过偏差变化率计算函数得到e_c，即当前温度实际值与初始温度值的差值绝对值除以当前温度采样所用时间，将得到的前温度值所处区间范围ε_k和当前温度偏差值变化率e_c作为输入参数输入到参数控制模块中，计算出调整系数为比例放大系数K_P、积分系数K_I、微分系数K_D与当前温度值所处区间范围ε_k的关系系数，其中，rin(0)为在初始状态下温度设定值，第k次采样温度实际值为youk(k)，为比例项K_P、微分项K_I、积分项K_D与当前温度偏差值变化率e_c的关系系数，得到当前温度值所处区间范围ε_k内比例放大系数K_P、积分系数K_I、微分系数K_D，通过将温度控制过程细化为n个区间，对每个区间分别对比例放大系数K_P、积分系数K_I、微分系数K_D进行计算，得到

其中ε₁、ε₂、ε₃…ε_n为采用区间计算函数获得的区间范围值；

步骤三、将第k次采样温度偏差值e(k)、比例放大系数K_P、积分系数K_I、微分系数K_D作为控制参数输入至自适应区间PID控制器进行比例、积分、微分计算得到第k次采样的温度输出量u(k)，其中：

位置式数字PID控制算法中，e(k-1)表示第k-1次采样温度偏差值，e(j)表示离散化处理后，以矩形数值法代替积分计算过程中产生的中间量；

预先设定温度输出量限幅值，将u(k)与预先设定温度输出量限幅值比较，判断温度输出量u(k)是否超出预先设定温度输出量限幅值，若超出预先设定温度输出量限幅值，则温度输出量u(k)为预先设定温度输出量限幅值，输出预先设定温度输出量限幅值，若未超出预先设定温度输出量限幅值，则输出的温度输出量u(k)不变。