本發(fā)明涉及一種用于斯特林制冷機的高精度控溫方法。

背景技術(shù)：

在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的現(xiàn)代社會，能源、環(huán)保一直受到人們的高度重視，超導(dǎo)技術(shù)對解決能源危機和環(huán)境污染具有廣闊的應(yīng)用前景。斯特林制冷機以氦氣或氫氣為工質(zhì)，在封閉系統(tǒng)中應(yīng)用回?zé)嵩韺崿F(xiàn)氣體制冷機循環(huán)以獲得低溫和冷量的機械。制冷溫度可在120k以下，屬深低溫設(shè)備。它在氣體制冷機循環(huán)中增加一個回?zé)崞?，利用回?zé)嵩斫档团蛎浨暗墓べ|(zhì)溫度，以提高循環(huán)的熱效率。在機器內(nèi)膨脹后的工質(zhì)中的部分冷量回收于回?zé)崞髦?，在下次循環(huán)中再加以利用?；?zé)崾綒怏w制冷機具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、起動快、操作方便和溫度范圍寬廣等優(yōu)點，適用于制冷量小的場合。它能使常溫氣體直接液化，也可配置空氣精餾塔從空氣中分離出氧和氮，或作為低溫冷源。它廣泛應(yīng)用于小型空氣分離設(shè)備、深低溫冰箱，以及航天、超導(dǎo)、紅外線探測和低溫電子學(xué)等領(lǐng)域。其測溫電路尤為重要。因此高精度的控溫方法是重要的研究方向。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于斯特林制冷機的高精度控溫方法。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是一種用于斯特林制冷機的高精度控溫方法，包括以下步驟：

步驟一：由三線制惠斯通橋式測溫電路獲取設(shè)置在制冷機冷頭上的溫度傳感器的溫度信號，其輸出信號經(jīng)差分放大電路處理后進入單片機進行計算；

步驟二：依次采用奇異點剔除算法和中值濾波轉(zhuǎn)換生成制冷機冷頭的實際溫度；

步驟三：將實際溫度與設(shè)置溫度進行比較，利用參數(shù)自整定的模糊pid算法調(diào)整控制制冷機功率驅(qū)動電路的輸出電流，從而實現(xiàn)制冷機的高精度測溫和穩(wěn)定控溫。

所述步驟二中，奇異點剔除算法為：如果該次溫度數(shù)據(jù)比上一次溫度數(shù)據(jù)高或者降溫超過1k，則認(rèn)為是奇異點，將之剔除；中值濾波為：連續(xù)采集11個數(shù)據(jù)排序，取中間值作為本次采樣值。

所述步驟三的具體方法為：

①計算設(shè)定溫度值和制冷機冷頭的實際溫度值的誤差和誤差率，將誤差和誤差變化率變換到模糊集的論域，并確定模糊變量；

②建立模糊規(guī)則，按照該模糊規(guī)則得到比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki和微分系數(shù)kd；

③進行pid參數(shù)自整定計算。

所述步驟三的第①步中，模糊變量的模糊集隸屬函數(shù)為正態(tài)分布，根據(jù)該規(guī)則把實際誤差和誤差變化率分別表示成模糊量，設(shè)定論域為[-6，+6]，將其離散成13個等級[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6]，將-6和-5定義為負(fù)大nd，將-4和-3定義為負(fù)中nz，將-2和-1定義為負(fù)小nx，將0定義為零zo，將+1和+2定義為正小pd，將+3和+4定義為正中pz，將+5和+6定義為正大px，得出相應(yīng)的模糊變量。

步驟三的第②步中，積分系數(shù)ki的模糊規(guī)則具體為：

kp為pd的條件為：誤差e為nd，誤差率et為nd；或者誤差e為nd，誤差率et為nz；或者誤差e為nz，誤差率et為nd；或者誤差e為nz，誤差率et為nz；或者誤差e為nx，誤差率et為nd；

kp為pz的條件為：誤差e為nd，誤差率et為nx；或者誤差e為nd，誤差率et為zo；或者誤差e為nz，誤差率et為nx；或者誤差e為nx，誤差率et為nz；或者誤差e為nx，誤差率et為nx；或者誤差e為zo，誤差率et為nd；或者誤差e為zo，誤差率et為nz；

kp為px的條件為：誤差e為nd，誤差率et為px；或者誤差e為nz，誤差率et為zo；或者誤差e為nz，誤差率et為px；或者誤差e為nx，誤差率et為zo；或者誤差e為zo，誤差率et為nx；或者誤差e為px，誤差率et為nd；或者誤差e為px，誤差率et為nz；或者誤差e為pz，誤差率et為nd；

kp為zo的條件為：誤差e為nd，誤差率et為pz；或者誤差e為nd，誤差率et為pd；或者誤差e為nz，誤差率et為pz；或者誤差e為nx，誤差率et為px；或者誤差e為zo，誤差率et為zo；或者誤差e為px，誤差率et為nx；或者誤差e為pz，誤差率et為nz；或者誤差e為pd，誤差率et為nd；或者誤差e為pd，誤差率et為nz；

kp為nx的條件為：誤差e為nz，誤差率et為pd；或者誤差e為nx，誤差率et為pz；或者誤差e為nx，誤差率et為pd；或者誤差e為zo，誤差率et為px；或者誤差e為px，誤差率et為zo；或者誤差e為px，誤差率et為px；或者誤差e為pz，誤差率et為nx；

kp為nz的條件為：誤差e為zo，誤差率et為pz；或者誤差e為zo，誤差率et為pd；或者誤差e為px，誤差率et為pz；或者誤差e為pz，誤差率et為zo；或者誤差e為pz，誤差率et為px；或者誤差e為pz，誤差率et為pz；或者誤差e為pd，誤差率et為nx；或者誤差e為pd，誤差率et為zo；或者誤差e為pd，誤差率et為px；

kp為nd的條件為：誤差e為px，誤差率et為pd；或者誤差e為pz，誤差率et為pd；或者誤差e為pd，誤差率et為pz；或者誤差e為pd，誤差率et為pd；

積分系數(shù)ki的模糊規(guī)則具體為：

ki為nd的條件為：誤差e為nd，誤差率et為nd；或者誤差e為nd，誤差率et為nz；或者誤差e為nz，誤差率et為nd；或者誤差e為nz，誤差率et為nz；或者誤差e為nx，誤差率et為nd；

ki為nz的條件為：誤差e為nd，誤差率et為nx；或者誤差e為nd，誤差率et為zo；或者誤差e為nz，誤差率et為nx；或者誤差e為nx，誤差率et為nz；或者誤差e為zo，誤差率et為nd；或者誤差e為zo，誤差率et為nz；

ki為nx的條件為：誤差e為nd，誤差率et為px；或者誤差e為nz，誤差率et為zo；或者誤差e為nz，誤差率et為px；或者誤差e為nx，誤差率et為nx；或者誤差e為nx，誤差率et為zo；或者誤差e為zo，誤差率et為nx；或者誤差e為px，誤差率et為nd；或者誤差e為px，誤差率et為nz；

ki為zo的條件為：誤差e為nd，誤差率et為pz；或者誤差e為nd，誤差率et為pd；或者誤差e為nz，誤差率et為pz；或者誤差e為nz，誤差率et為pd；或者誤差e為nx，誤差率et為px；或者誤差e為zo，誤差率et為zo；或者誤差e為px，誤差率et為nx；或者誤差e為pz，誤差率et為nd；或者誤差e為pz，誤差率et為nz；或者誤差e為pd，誤差率et為nd；或者誤差e為pd，誤差率et為nz；

ki為px的條件為：誤差e為nx，誤差率et為pz；或者誤差e為nx，誤差率et為pd；或者誤差e為zo，誤差率et為px；或者誤差e為px，誤差率et為zo；或者誤差e為px，誤差率et為px；或者誤差e為pz，誤差率et為nx；或者誤差e為pz，誤差率et為zo；或者誤差e為pd，誤差率et為nx；

ki為pz的條件為：誤差e為zo，誤差率et為pz；或者誤差e為zo，誤差率et為pd；或者誤差e為px，誤差率et為pz；或者誤差e為pz，誤差率et為px；或者誤差e為pd，誤差率et為zo；或者誤差e為pd，誤差率et為px；

ki為pd的條件為：誤差e為px，誤差率et為pd；或者誤差e為pz，誤差率et為pz；或者誤差e為pz，誤差率et為pd；或者誤差e為pd，誤差率et為pz；或者誤差e為pd，誤差率et為pd；

微分系數(shù)kd的模糊規(guī)則具體為：

kd為nd的條件為：誤差e為nd，誤差率et為nx；或者誤差e為nd，誤差率et為zo；或者誤差e為nd，誤差率et為px；或者誤差e為nz，誤差率et為nx；

kd為nz的條件為：誤差e為nd，誤差率et為pz；或者誤差e為nz，誤差率et為zo；或者誤差e為nz，誤差率et為px；或者誤差e為nx，誤差率et為nx；或者誤差e為nx，誤差率et為zo；

kd為nx的條件為：誤差e為nd，誤差率et為nz；或者誤差e為nz，誤差率et為nz；或者誤差e為nx，誤差率et為nz；或者誤差e為zo，誤差率et為nz；或者誤差e為pz，誤差率et為nz；或者誤差e為zo，誤差率et為nx；或者誤差e為zo，誤差率et為zo；或者誤差e為nz，誤差率et為pz；或者誤差e為nx，誤差率et為px；或者誤差e為nx，誤差率et為pz；或者誤差e為zo，誤差率et為px；或者誤差e為zo，誤差率et為pz；

kd為zo的條件為：誤差e為nx，誤差率et為nd；或者誤差e為zo，誤差率et為pd；或者誤差e為px，誤差率et為nd；或者誤差e為px，誤差率et為nz；或者誤差e為px，誤差率et為nx；或者誤差e為px，誤差率et為zo；或者誤差e為px，誤差率et為px；或者誤差e為px，誤差率et為pz；或者誤差e為nz，誤差率et為pd；或者誤差e為nx，誤差率et為pd；或者誤差e為zo，誤差率et為pd；或者誤差e為px，誤差率et為pd；

kd為px的條件為：誤差e為nd，誤差率et為nd；或者誤差e為nz，誤差率et為nd；或者誤差e為nd，誤差率et為pd；或者誤差e為pz，誤差率et為nx；或者誤差e為pz，誤差率et為zo；或者誤差e為pz，誤差率et為px；或者誤差e為pz，誤差率et為pz；或者誤差e為pd，誤差率et為px；或者誤差e為pd，誤差率et為pz；

kd為pz的條件為：誤差e為pd，誤差率et為nz；或者誤差e為pd，誤差率et為nx；或者誤差e為pd，誤差率et為zo；

kd為pd的條件為：誤差e為pz，誤差率et為nd；或者誤差e為pd，誤差率et為nd；或者誤差e為pz，誤差率et為pd；或者誤差e為pd，誤差率et為pd。

采用了上述技術(shù)方案后，本發(fā)明具有積極的效果：(1)本發(fā)明采用中值濾波和奇異點剔除算法轉(zhuǎn)換生成制冷機冷頭的實際溫度，將實際溫度與設(shè)置溫度進行比較，利用參數(shù)自整定的模糊pid控制算法調(diào)整控制制冷機功率驅(qū)動模塊的輸出電流，從而實現(xiàn)制冷機的高精度和穩(wěn)定控溫。

(2)本發(fā)明采用參數(shù)自整定的模糊pid算法，能夠根據(jù)制冷機冷頭溫度和設(shè)定溫度偏差的實際情況調(diào)整比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki、微分系數(shù)kd，根據(jù)溫度反饋使制冷機控制器輸出最優(yōu)功率，實時調(diào)整制冷機壓縮機電機的運動行程，達(dá)到制冷機冷頭溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度的效果。

附圖說明

為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚地理解，下面根據(jù)具體實施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的說明，其中

圖1為本發(fā)明的pid參數(shù)自整定算法模型。

圖2為傳統(tǒng)算法得到的控溫曲線。

圖3為采用本發(fā)明算法得到的控溫曲線。

圖4為采用本發(fā)明算法的制冷機從常溫降到設(shè)定溫度的控溫曲線。

圖5為本發(fā)明的算法的流程圖。

具體實施方式

(實施例1)

見圖1和圖5，本實施例的一種用于斯特林制冷機的高精度控溫方法，包括以下步驟：

步驟一：由三線制惠斯通橋式測溫電路獲取設(shè)置在制冷機冷頭上的溫度傳感器的溫度信號，其輸出信號經(jīng)差分放大電路處理后進入單片機進行計算；

步驟二：依次采用奇異點剔除算法和中值濾波轉(zhuǎn)換生成制冷機冷頭的實際溫度；奇異點剔除算法為：如果該次溫度數(shù)據(jù)比上一次溫度數(shù)據(jù)高或者降溫超過1k，則認(rèn)為是奇異點，將之剔除；中值濾波為：連續(xù)采集11個數(shù)據(jù)排序，取中間值作為本次采樣值。

步驟三：將實際溫度與設(shè)置溫度進行比較，利用參數(shù)自整定的模糊pid算法調(diào)整控制制冷機功率驅(qū)動電路的輸出電流，從而實現(xiàn)制冷機的高精度測溫和穩(wěn)定控溫。

步驟三的具體方法為：

①計算設(shè)定溫度值和制冷機冷頭的實際溫度值的誤差和誤差率，將誤差和誤差變化率變換到模糊集的論域，并確定模糊變量；模糊變量的模糊集隸屬函數(shù)為正態(tài)分布，根據(jù)該規(guī)則把實際誤差和誤差變化率分別表示成模糊量，設(shè)定論域為[-6，+6]，將其離散成13個等級[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6]，將-6和-5定義為負(fù)大nd，將-4和-3定義為負(fù)中nz，將-2和-1定義為負(fù)小nx，將0定義為零zo，將+1和+2定義為正小pd，將+3和+4定義為正中pz，將+5和+6定義為正大px，得出相應(yīng)的模糊變量。

②建立模糊規(guī)則，按照該模糊規(guī)則得到比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki和微分系數(shù)kd；

③進行pid參數(shù)自整定計算。

步驟三的第②步中，積分系數(shù)ki的模糊規(guī)則具體為：

微分系數(shù)kd的模糊規(guī)則具體為表一，積分系數(shù)ki的模糊規(guī)則具體為表二，比例系數(shù)kp控制規(guī)則為表三。

表一：微分系數(shù)kd控制規(guī)則

表二：積分系數(shù)ki控制規(guī)則

表三：比例系數(shù)kp控制規(guī)則

說明書附圖2是采用傳統(tǒng)的pid算法得到的控溫曲線(溫度為開氏溫度，即273k對應(yīng)0℃，70k對應(yīng)零下203℃)，可見其控溫精度為±0.2℃。圖3為采用本發(fā)明的參數(shù)自整定模糊pid控制算法得到的控溫曲線，可見其控溫精度為±0.05℃，精度非常高。圖4采用本發(fā)明算法的制冷機從常溫降到設(shè)定溫度的控溫曲線，可見其控溫效果非常好。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。