專利名稱：用于半導體制冷器快速加熱/制冷系統(tǒng)的復合控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自動控制技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體的說，涉及的是一種用于半導體制冷器快速加熱/制冷系統(tǒng)的復合控制方法。
背景技術(shù)：
半導體制冷器是一種應用廣泛的控溫載體。它能同時實現(xiàn)加熱、制冷操作，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控溫方式，提高了系統(tǒng)可靠性?？焖贉囟瓤刂剖窃诖_保穩(wěn)態(tài)溫度控制精度的前提下，使對象溫度最速達到目標溫度的一種時間最優(yōu)控制技術(shù)。多種化學或生物反應過程中的溫度控制往往需要采用這種技術(shù)改善反應效率。例如，基因擴增反應的周期性熱循環(huán)需要對周期性改變的設(shè)定溫度實施精確跟蹤控制，溫控系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度對基因擴增反應效率和定量精度有著直接影響。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，美國MJ公司的John Hansen在《Theproceedings of 15thInternational Conference on Thermoelectrics》(第15屆國際半導體制冷技術(shù)年會論文集)(256-258，1996)上撰文“Application ofBismuth-Telluride thermoelectrics in driving DNA amplification andSequencing Reactions”，(鉍碲化合物半導體制冷器在基因擴增反應中的應用)介紹了一種基于半導體制冷器的基因擴增反應溫度控制系統(tǒng)。它采用PID控制算法，實現(xiàn)了穩(wěn)定、可靠的熱循環(huán)溫度跟蹤，但是溫控精度有限，系統(tǒng)升降溫速率達不到最優(yōu)值(升降溫速率為1℃/s左右)。到目前為止，半導體制冷器溫度控制系統(tǒng)主要采用的是PID算法。它的缺陷在于，一方面，PID算法無法從根本上克服溫控過程中快速性和準確性之間的相互矛盾；另一方面，由于半導體制冷器溫度控制對象的熱慣性大、非線性明顯，因此，PID控制下系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能達不到最優(yōu)狀態(tài)。這降低了諸如基因擴增等各類生物化學反應的效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對傳統(tǒng)PID控制在半導體制冷器快速加熱/制冷系統(tǒng)中的不足及半導體制冷器溫控對象的特點，提出了一種用于半導體制冷器快速加熱/制冷系統(tǒng)的復合控制方法，包括前饋、反饋及Bang-Bang控制作用。前饋控制與Bang-Bang控制用于實現(xiàn)快速跟蹤，反饋控制除了進一步加快升降溫速率外，還用于抑制干擾和減小跟蹤誤差?；诳刂茖ο蠓€(wěn)態(tài)能量平衡模型，前饋控制直接給出達到設(shè)定溫度所需的穩(wěn)態(tài)控制作用近似值，加快了系統(tǒng)的響應速度。為了改善PID控制性能，反饋控制采用了一種新型二自由度變結(jié)構(gòu)PID控制來與前饋控制相配合。本發(fā)明使溫度控制過程的快速性和準確性得到了最佳協(xié)調(diào)。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的根據(jù)半導體制冷器溫控對象的模型特性，在溫控系統(tǒng)中引入包括前饋、反饋及Bang-Bang控制作用在內(nèi)的復合控制方法，根據(jù)溫度控制偏差大小，在各個控制階段分別采用了相應的控制方法?？刂瞥跗诓捎肂ang-Bang控制，當偏差小于某一門限值時，切換到“前饋+變結(jié)構(gòu)PID”控制方式，前饋控制基于控制對象的穩(wěn)態(tài)能量平衡模型，輸出設(shè)定溫度所需的近似穩(wěn)態(tài)控制量。前饋控制與Bang-Bang控制實現(xiàn)快速跟蹤，反饋控制為一種變結(jié)構(gòu)PID控制，與前饋控制相配合，加快升降溫速率，抑制干擾和減小跟蹤誤差，u=uBang-Bang.|e|>ϵuFeedforward+uFeedback,|e|≤ϵ---(1)]]>其中，ε為子控制器間切換邊界。在傳統(tǒng)的反饋控制中，為了確保系統(tǒng)以較小的超調(diào)量達到穩(wěn)態(tài)，ε應該整定得足夠大，但這降低了系統(tǒng)的升降溫速率。而在本發(fā)明提出的復合控制方法中，前饋控制提高了系統(tǒng)的響應速度，偏大的ε不會降低系統(tǒng)的升降溫速率。切換門限值ε可由試驗來整定。
本發(fā)明中，前饋、反饋及Bang-Bang控制分別采用前饋控制器、反饋控制器實以及Bang-Bang控制器實現(xiàn)所述的Bang-Bang控制器是一個開環(huán)控制器，控制器始終輸出加熱或制冷所需的最優(yōu)工作電壓來獲取最快的升降溫速率；所述的前饋控制器是一個跟蹤控制器，前饋控制器根據(jù)系統(tǒng)模型特性，求取當前環(huán)境溫度下，達到期望的設(shè)定溫度所需的控制量，并在控制初期就施加給控制對象；所述的反饋控制器是一種變結(jié)構(gòu)PID控制，變結(jié)構(gòu)PID控制過程中，誤差最大時，僅施加比例作用來加快系統(tǒng)響應速度；誤差較大時，引入微分作用來抑制系統(tǒng)超調(diào)；而誤差較小時，引入積分作用，構(gòu)成完整的PID控制來消除穩(wěn)態(tài)余差。
以下對方法中涉及的內(nèi)容作進一步的說明(1)Bang-Bang控制器Bang-Bang控制即時間最優(yōu)控制，控制器輸出是控制作用的上限值或下限值。不過對半導體制冷器，Bang-Bang控制有自身特點。
當電流流經(jīng)由兩種不同半導體材料(P、N極)構(gòu)成的電偶時，珀爾帖(Peltier)熱效應與焦耳(Joule)熱效應的共同作用使半導體制冷器的冷端吸收熱量，熱端釋放熱量。由上百個電偶串聯(lián)而成的半導體制冷器公共冷端或熱端能夠在短時間內(nèi)快速吸收或釋放數(shù)量客觀的熱量，達到快速制冷或加熱的目的，同時，通過控制工作電流極性可以切換加熱/制冷狀態(tài)。
當樣品導熱模塊被制冷時，半導體制冷器從樣品導熱模塊吸收的熱量和半導體制冷器自身消耗的能量均堆積于半導體制冷器的熱端面，再經(jīng)散熱片和風扇散發(fā)出去。由于系統(tǒng)散熱能力有限，當熱端面堆積的過多熱量不能被及時散發(fā)掉時，熱端面回傳的熱量會降低半導體制冷器的制冷能力。實際上，固定系統(tǒng)中半導體制冷器的制冷能力與工作電流之間為非單調(diào)遞增關(guān)系。因此，為獲得最快的降溫速率，Bang-Bang控制器應根據(jù)半導體制冷器在制冷狀態(tài)下的工作特性來確定最優(yōu)制冷工作電流，而不是直接輸出系統(tǒng)最大制冷操作電流。
另一方面，半導體制冷器熱端面釋放的熱量與工作電流成單調(diào)遞增關(guān)系。因此，加熱狀態(tài)下，Bang-Bang控制器應輸出系統(tǒng)最大加熱操作電流。因此，本發(fā)明采用的是一種非對稱Bang-Bang控制器。
uBang-Bang=uHeat,e>ϵ0,-ϵ≤e≤ϵ|uHeat|≠|uCool|uCool,e<-ϵ---(2)]]>uBang-Bang為Bang-Bang控制器輸出，e為控制偏差。無論是加熱控制還是制冷控制，當控制偏差的絕對值大于設(shè)定門限值ε值時，由Bang-Bang控制輸出最優(yōu)的控制作用。由于半導體制冷器在加熱和制冷狀態(tài)下表現(xiàn)出來的不同物理特性，因此，該控制階段的加熱工作電壓uHeat不同于制冷工作電壓uCool。
(2)前饋控制器由下式得到系統(tǒng)跟蹤誤差er=1-G(s)F(s)1+G(s)C(s)=(1+G(s)C(s))-1(1-G(s)F(s))---(3)]]>為實現(xiàn)準確跟蹤控制，最小化跟蹤誤差，將前饋控制器設(shè)計為控制對象的逆模型，即令前饋控制器與控制對象的傳遞函數(shù)乘積為1F(s)＝G-1(s) (4)當F(s)非常接近真實的G-1(s)時，前饋控制器能夠獲得理想的跟蹤性能。本發(fā)明基于控制對象逆模型特性，采用簡化的傳熱模型來計算前饋控制量。
基于逆模型控制思想，根據(jù)加熱模塊的穩(wěn)態(tài)能量平衡模型，可以預先求得某一設(shè)定溫度所需的近似穩(wěn)態(tài)控制作用，將該控制作用以前饋控制方式施加到控制對象上，由此得到了一種改進的前饋控制。
uFeedforward=Tsetpoint-Tambientp+l,l∈[-p2,+p2]---(5)]]>p=ΔTΔu---(6)]]>其中，Tsetpoint與Tambient分別為設(shè)定溫度和環(huán)境溫度，p為控制對象的增益，定義為控制對象溫度變化量ΔT與輸入電壓變化量Δu之比。在改進的前饋控制中，l是通過現(xiàn)場試驗整定的參數(shù)。
本發(fā)明復合控制方法中，前饋控制器除了輸出用于快速跟蹤設(shè)定溫度所需的預測控制作用外，還可補償環(huán)境溫度波動帶來的擾動。
(3)反饋控制器在本發(fā)明復合控制方法中，反饋控制除了能夠補償前饋控制器的模型偏差外，還作為一個局部調(diào)節(jié)控制器，在工作點附近起到加快升降溫速率、抑制擾動和減少跟蹤誤差等作用。
為改善PID控制效果，本發(fā)明采用了一種新型二自由度變結(jié)構(gòu)PID控制uVSPID(k)＝uP(k)+(1-α)[uD(k)+(1-β)ul(k)] (7)
α=1,|e(k)|>ϵd0,|e(k)|≤ϵd,β=1,|e(k)|>ϵi0,|e(k)|≤ϵi,ϵ>ϵd>ϵi---(8)]]>uVPID為變結(jié)構(gòu)PID控制器輸出，e為控制偏差，α和β為切換函數(shù)，εd、εi分別為微分控制和積分控制的切換誤差點，ε為Bang-Bang控制與“前饋+反饋”控制的切換點。升溫控制初期，當控制偏差最大時(e＞εd)，只有前饋控制與比例控制同時作用，微分和積分控制不起作用，由于這兩個作用控制量均為正方向，因此該階段系統(tǒng)能夠獲得最快的升降溫速率；當控制偏差較大時(εd＞e＞εi)，在前面已有控制作用基礎(chǔ)上，微分控制介入，由于微分控制與前面已有的兩個控制量成反方向，因此，微分控制能夠及時降低總控制量大小，起到抑制系統(tǒng)超調(diào)的作用；最后當控制偏差較小時(εi＞e)，在前面已有控制作用基礎(chǔ)上，積分控制介入。變結(jié)構(gòu)PID控制加快了系統(tǒng)升降溫速率，抑制了系統(tǒng)超調(diào)量，起到了抑制干擾、減小跟蹤偏差的作用。
變結(jié)構(gòu)PID控制中，各個PID增益系數(shù)由傳統(tǒng)的相位裕度和幅值裕度整定方法得到，在此基礎(chǔ)上，各個控制切換參數(shù)由現(xiàn)場試驗整定得到。參數(shù)整定順序為預先設(shè)定積分切換誤差點N為某一較小值，然后根據(jù)系統(tǒng)閉環(huán)響應曲線的升降溫速率及超調(diào)量來試湊微分切換誤差點M，直到系統(tǒng)第一次達到設(shè)定溫度時，升降溫速率持續(xù)高速，而且超調(diào)量較小。如果一直調(diào)節(jié)M都無法減小超調(diào)量，則應該適當減小積分切換誤差點N。在此基礎(chǔ)上，整定積分切換誤差點N。在不增大超調(diào)量的前提下，逐漸增大N的取值，直到輸出溫度達到設(shè)定值后，溫度回落量小，在設(shè)定值附近，經(jīng)歷一個幅值微小的振蕩過程即可達到真正的穩(wěn)態(tài)。如果一直調(diào)節(jié)N都得不到理想的控制效果，則應該重新微調(diào)M。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明復合控制方法中，改進的前饋控制與變結(jié)構(gòu)PID反饋控制相配合，提高了系統(tǒng)響應速度，加快了系統(tǒng)升降溫速率，減小了跟蹤誤差。在減少上升時間的同時降低了超調(diào)量，改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度，實現(xiàn)了半導體制冷器快速、準確的升降溫控制。


圖1溫度復合控制方法示意圖2半導體制冷器工作原理3半導體制冷器冷卻速率—工作電流關(guān)系曲線圖4二自由度變結(jié)構(gòu)PID控制圖5一個熱循環(huán)周期的溫度跟蹤試驗結(jié)果具體實施方式
結(jié)合本發(fā)明技術(shù)方案提供以下實施例如圖1所示，G(s)、C(s)及F(s)分別為控制對象、反饋控制器及前饋控制器的傳遞函數(shù)。r為設(shè)定溫度，e為控制偏差，u為控制作用，y為輸出溫度，uBang-Bang為Bang-Bang控制器輸出，uFeedback為反饋控制器輸出，uFeedforward為前饋控制器輸出。
(1)對象模型是僅包含兩個參數(shù)(增益k和時間常數(shù)T)的一階慣性模型G(s)=T(s)I(s)=kTs+1---(9)]]>(2)復合控制中，控制初期采用Bang-Bang控制。半導體制冷器的工作原理如圖2，當電流流經(jīng)半導體制冷器時，其公共冷端吸收熱量，公共熱端釋放熱量。制冷狀態(tài)下，半導體制冷器的降溫速率一開始隨著工作電壓升高而增大，但是到達某一范圍后，而是隨著工作電壓增加而減小，如圖3，因此，采用了如下非對稱Bang-Bang控制器uBang-Bang=15,e>ϵ0,-ϵ≤e≤ϵ-12,e<-ϵ---(10)]]>當偏差小于某一門限值時(這里為ε＝10)，切換到“前饋+變結(jié)構(gòu)PID”控制。變結(jié)構(gòu)控制器的結(jié)構(gòu)如圖4所示，當控制偏差最大時，只有比例控制同時作用，微分和積分控制不起作用；當控制偏差較大時，在前面已有控制作用基礎(chǔ)上，微分控制介入；最后當控制偏差較小時，在前面已有控制作用基礎(chǔ)上，積分控制介入，構(gòu)成完整的PID控制。
循環(huán)溫度設(shè)定值為55℃、72℃及94℃，見圖5粗灰實線。圖5中同時給出了開環(huán)Bang-Bang控制、普通PID控制及復合控制的跟蹤控制效果，從中可見復合控制方法明顯改善了系統(tǒng)響應速度，優(yōu)化了系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。
復合控制方法下，溫度快速跟蹤控制的上升時間、升降溫速率、超調(diào)量、穩(wěn)定時間及穩(wěn)態(tài)精度均要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制，定量比較見表1。
表1本發(fā)明復合控制方法與傳統(tǒng)PID控制比較(其中，VSPID為變結(jié)構(gòu)PID控制，F(xiàn)F為前饋控制(Feedforward Control)，∑tr(s)為一個熱循環(huán)周期內(nèi)三個設(shè)定溫度的上升時間總和。)

圖5中，本發(fā)明復合控制方法下的快速溫度跟蹤軌跡與設(shè)定溫度軌跡之間的差異由系統(tǒng)升降溫速率的物理極限決定。實際上，本發(fā)明復合控制方法下的系統(tǒng)平均升降溫速率已經(jīng)幾乎達到了Bang-Bang控制下的系統(tǒng)最大升降溫速率，這減少了溫度切換過渡時間，提高了熱循環(huán)效率。與本發(fā)明復合控制方法獲得的優(yōu)良動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能相比，傳統(tǒng)PID控制難以實現(xiàn)準確的快速溫度控制，升降溫速率有限，而且在較短的保溫時間內(nèi)實際溫度往往達不到真正的穩(wěn)態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種用于半導體制冷器快速加熱/制冷系統(tǒng)的復合控制方法，其特征在于根據(jù)半導體制冷器溫控對象的模型特性，在溫控系統(tǒng)中引入包括前饋、反饋及Bang-Bang控制在內(nèi)的復合控制方法，控制初期采用Bang-Bang控制，當偏差小于某一門限值時，切換到“前饋+變結(jié)構(gòu)PID”控制方式，前饋、反饋及Bang-Bang控制分別采用前饋控制器、反饋控制器實以及Bang-Bang控制器實現(xiàn)所述的Bang-Bang控制器是一個開環(huán)控制器，控制器始終輸出加熱或制冷所需的最優(yōu)工作電壓來獲取最快的升降溫速率；所述的前饋控制器是一個跟蹤控制器，根據(jù)系統(tǒng)模型特性，前饋控制器求取當前環(huán)境溫度下，達到期望的設(shè)定溫度所需的控制量，并在控制初期就施加給控制對象；所述的反饋控制器是一種變結(jié)構(gòu)PID控制，變結(jié)構(gòu)PID控制過程中，誤差最大時，施加比例作用來加快系統(tǒng)響應速度；誤差較大時，引入微分作用來抑制系統(tǒng)超調(diào)；誤差較小時，引入積分作用，構(gòu)成完整的PID控制來消除穩(wěn)態(tài)余差；其中u=uBang-Bang,|e|>ϵuFeedforward+uFeedback,|e|≤ϵ]]>當控制偏差小于門限值ε時，由Bang-Bang控制切換到“前饋+反饋”復合控制，切換門限值ε由試驗來整定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于半導體制冷器快速加熱/制冷系統(tǒng)的復合控制方法，其特征是所述的Bang-Bang控制器，根據(jù)加熱、制冷狀態(tài)下半導體制冷器控制對象的模型特性，分別輸出加熱和制冷狀態(tài)下各自的最優(yōu)工作電壓，構(gòu)成了一種非對稱Bang-Bang控制作用，具體實現(xiàn)公式如下uBang-Bang=uHeat,e>ϵ0,-ϵ≤e≤ϵuCool,e<-ϵ---|uHeat|≠|uCool|]]>上式中，uBang-Bang為Bang-Bang控制器輸出，e為控制偏差；無論是加熱控制還是制冷控制，當控制偏差的絕對值大于設(shè)定門限值ε值時，由Bang-Bang控制輸出最優(yōu)的控制作用，該控制階段的加熱工作電壓uHeat不同于制冷工作電壓uCool。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于半導體制冷器快速加熱/制冷系統(tǒng)的復合控制方法，其特征是所述的前饋控制器，根據(jù)加熱模塊的穩(wěn)態(tài)能量平衡模型，預先求得某一設(shè)定溫度所需的近似穩(wěn)態(tài)控制作用，將該控制作用以前饋控制方式施加到控制對象上，由此得到了一種改進的前饋控制，具體實現(xiàn)公式如下uFeedforward=Tsetpoint-Tambientp+l,l∈[-p2,+p2]]]>p=ΔTΔu]]>兩個公式中，Tsetpoint與Tambient分別為設(shè)定溫度和環(huán)境溫度，p為控制對象的增益，定義為控制對象溫度變化量ΔT與輸入電壓變化量Δu之比，l是通過現(xiàn)場試驗整定的參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于半導體制冷器快速加熱/制冷系統(tǒng)的復合控制方法，其特征是所述的反饋控制器，除了補償前饋控制器的模型偏差外，還作為一個局部調(diào)節(jié)控制器，具體實現(xiàn)公式如下uVSPID(k)＝uP(k)+(1-α)[uD(k)+(1-β)u1(k)]α=1,|e(k)|>ϵd0,|e(k)|≤ϵd,β=1,|e(k)|>ϵi0,|e(k)|≤ϵi,ϵ>ϵd>ϵi]]>上述兩個公式中，e為控制偏差，up、uD及uI分別為比例、微分及積分控制作用，α和β為切換函數(shù)，εd與εi分別為微分作用和積分作用的切換誤差。
全文摘要
一種用于半導體制冷器快速加熱/制冷系統(tǒng)的復合溫度控制方法，屬于自動化技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明根據(jù)半導體制冷器溫控對象的模型特性，在溫控系統(tǒng)中引入包括前饋、反饋及Bang－Bang控制在內(nèi)的復合控制方法，控制初期采用Bang－Bang控制，當偏差小于門限值時，切換到“前饋+變結(jié)構(gòu)PID”控制方式。前饋、反饋及Bang－Bang控制分別采用前饋控制器、反饋控制器實以及Bang－Bang控制器實現(xiàn)。前饋控制與Bang－Bang控制實現(xiàn)快速跟蹤，反饋控制為一種變結(jié)構(gòu)PID控制，與前饋控制相配合，加快升降溫速率，抑制干擾以及減小跟蹤誤差。本發(fā)明概貌見說明書摘要附圖。在降低36％上升時間的同時減少了80％的超調(diào)量，實現(xiàn)了半導體制冷器快速、準確的升降溫控制。
文檔編號G05D23/19GK1888998SQ20061002888
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月13日
發(fā)明者袁景淇, 邱憲波 申請人:上海交通大學