[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

说明书

本发明基于自适应区间PID控制的气体多通池温控系统及方法，属于气体多通池温控领域，气体样品池外壁使用加热膜包裹实现对气体多通池的加热，PT1000铂电阻温度传感器置于气体样品池外壁与加热膜之间实时检测气体多通池工作温度，气体多通池整体采用保温隔热棉形成保温作用。针对被控对象结构复杂响应较慢引起超调量大问题，在传统PID控制算法的基础上改进，将控制过程根据温度偏差值细分为多个区间，在每个区间内根据区间值和温度偏差值的变化率对比例放大系数、积分系数、微分系数进行设定，实现了自适应区间PID控制算法，使温度控制快速且无超调。为二氧化碳同位素检测系统性能的提升提供了可靠保障。

技术领域

本发明属于气体多通池温控领域，尤其是涉及一种用于红外气体同位素检测的气体多通池高精度控制的温控系统及控制方法。

背景技术

气体同位素的精确测量在生物医学、水文学、古生物学、地球化学和大气物理化学等领域有重要应用。激光吸收光谱法用于气体同位素探测非常有利于发展成实时在线测量系统。由于待测气体吸收线的吸收系数会受待测气体温度的影响，产生的电压信号的幅值会随气体温度的变化发生变化，这将直接影响检测系统的稳定度和精准度。因此在实际应用中需对气体多通池采用恒温措施来减小气体温度波动，控制吸收系数稳定，从而提高检测系统的灵敏度及响应速度、降低其检测下限。

气体多通池主要由石英气体样品池和两侧反射镜面以及复杂的铝合金材料的支撑结构组成，气体多通池复杂的结构导致了其热响应时间常数大，内部热分布不均匀，并和外界发生着不确定的热交换。另外，为了最大限度的提高气体同位素检测系统的响应时间，气体多通池内部气体的温度需要以最快的速度收敛，这些因素和要求，对气体多通池的高精度温度控制提出了很大的挑战。

PID控制器被广泛应用于温度控制系统中，PID控制器又分为模拟PID控制器和数字PID控制器，模拟PID控制器响应速度快，但模拟PID控制器参数会随着电路的确定而固定，很难做出改变。数字PID控制器是一种线性调节器，它根据设定值与实际值构成的偏差，将偏差的比例环节(P)、积分环节(I)、微分环节(D)通过线性组合构成控制量，对控制量进行控制。积分环节的作用是消除静态误差，但在系统启动或者更换设定值时，由于积分环节的存在，会产生很大的偏差，造成PID计算的积分累积，导致积分饱和，最终引起系统超调量大以及稳定时间长。

目前，积分分离PID控制算法的基本思想是当系统启动时，设定值与实际值存在较大偏差，去除积分环节，从而避免由于积分环节作用导致系统超调量增大，系统稳定性下降；当实际值接近设定值时，引入积分控制，以消除静态误差，提高控制精度。但实际应用过程中，由于被控对象结构复杂，导致系统响应较慢，加热前期偏差较大，系统仍会出现超调，存在稳定时间长以及调节精度不高的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述难点和现有技术中存在的气体多通池结构复杂，热响应时间常数大的问题，提供一种基于自适应区间PID控制的气体多通池温控系统及方法。

本发明采用如下的技术方案：

本发明提出了一种基于自适应区间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，所述气体多通池由铝合金支撑结构和气体样品池构成，所述气体样品池设置在铝合金支撑结构上，气体样品池的外壁上套有加热膜，所述加热膜完全包裹整个气体样品池外壁，加热膜与加热膜驱动模块连接，加热膜为聚酰亚胺加热膜，在加热膜与气体样品池外壁之间设置温度传感器，温度传感器与温度采集模块连接；所述气体样品池的外部还套设有保温层；所述保温层置于加热膜的外部；所述控制单元包括温度采集模块、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。

所述气体样品池采用石英气体样品池。

所述单片机采用单片机STM32。