專利名稱：一種密閉腔pwm加熱控制方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制方法，特別涉及一種密閉腔的PWM加熱控制方法及其系統(tǒng)，可以適用于加熱參考電壓不穩(wěn)的環(huán)境下，可以很好的抑制由電壓抖動產(chǎn)生的目標腔體溫度突變，從而保證密閉腔體溫度的準確性和穩(wěn)定性，本發(fā)明屬于自動化控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
加熱、溫控在諸多行業(yè)中都有著廣泛的應(yīng)用。評價一個加熱系統(tǒng)的好壞，無非是從加熱收斂速度和穩(wěn)定性上考慮。當(dāng)前比較常見的加熱控制方法是采用反饋控制來對被控對象進行加熱，其中比較典型的算法就是PID(Proportion Integration Differentiation)。如圖I,它通過PID算法改變PWM占空比，輸出不同PWM (Pulse Width Modulation)波形，然后再經(jīng)LC濾波電路轉(zhuǎn)換成直流給加熱體加熱，以此來實現(xiàn)精準加熱。它能夠很好的將加 熱對象加熱到目標溫度，傳統(tǒng)的PID算法實現(xiàn)也比較容易，實現(xiàn)效果也很不錯，但很明顯，這種加熱方式除了依賴PWM的占空比大小，幅值也直接影響加熱效果。所以在一些復(fù)雜環(huán)境中加熱效果就不是很理想，特別是在PWM參考電壓Vref抖動、不穩(wěn)的時候，直接導(dǎo)致幅值波動，從而造成PID震蕩，最終導(dǎo)致整個加熱系統(tǒng)溫度不穩(wěn)。我們已經(jīng)設(shè)計了由PID控制PWM的占空比來實現(xiàn)對密閉腔體的加熱。在大量的實驗中發(fā)現(xiàn)，在我們的加熱系統(tǒng)中，如果加熱參考電壓在抖動時就會大大影響腔體的加熱，腔體的溫度也會隨之發(fā)生一個震蕩，如圖5a所示，這對溫度敏感被控對象十分不利。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，提出了一種在傳統(tǒng)的PID加熱控制辦法的基礎(chǔ)上增加了一種特殊的前饋控制，能夠適應(yīng)電壓不穩(wěn)定環(huán)境的密閉腔加熱控制方法及其系統(tǒng)。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種密閉腔PWM加熱控制方法，針對密閉腔采用PID控制加熱，并采用前饋控制單元對其供電電壓變化量進行監(jiān)控獲得實時電壓變化累加值進而獲得如下PID補償量和PID輸出一起產(chǎn)生PWM波形輸入LC濾波電路加熱密閉腔PID補償量=實時電壓變化累加值X當(dāng)前PID的輸出結(jié)果/當(dāng)前參考電壓所述的PID補償量在不同溫度環(huán)境下按下式進行修正PID補償量=K(實時電壓變化累加值X當(dāng)前PID的輸出結(jié)果/當(dāng)前參考電壓)+B;其中K為密閉腔在不同溫度下的前饋調(diào)節(jié)比例因子，B為密閉腔在不同溫度下的前饋調(diào)節(jié)差量因子。所述獲得K、B值的方法具體步驟如下步驟I、在穩(wěn)定的電壓下，將密閉腔加熱到目標溫度期望值；步驟2、改變參考電壓的大小，來回變化參考電壓，通過對比目標期望溫度和密閉腔實際溫度確認補償效果；步驟3、看是否有過調(diào)或者欠調(diào)的現(xiàn)象，過調(diào)則減少K值，反之著增大K值，直到最佳補償效果，以此來確認K值；步驟4、確定完K值后確定B值，方法同步驟3，直到達到最佳補償效果；在不同環(huán)境溫度下重復(fù)步驟廣4可以得到不同溫度下的K、B參數(shù)。所述步驟2中改變參考電壓大小的變化量大于0. 3V。一種密閉腔PWM加熱控制系統(tǒng)，包括加熱控制單元、LC濾波電路、供電模塊、密閉腔，加熱控制單元包括PID控制單元、前饋控制單元、PWM模塊三部分構(gòu)成,所述前饋控制單元同PID控制單元相連接，所述PID控制單元和前饋控制單元通過加法器同PWM模塊相連接，所述前饋控制單元中的電壓監(jiān)控 模塊通過電壓探測單元實時監(jiān)控與其相連的供電模塊，計算實時電壓變化累加值且傳遞至與其相連的電壓前饋補償模塊，所述電壓前饋補償模塊根據(jù)其設(shè)置的PID補償量=實時電壓變化累加值X當(dāng)前PID的輸出結(jié)果/當(dāng)前參考電壓計算關(guān)系獲得產(chǎn)生的PID補償量傳遞至PWM模塊。所述前饋控制單元包括與其電壓前饋補償模塊相連的溫度前饋模塊，所述溫度前饋模塊連接環(huán)境溫度監(jiān)控模塊，所述溫度前饋模塊產(chǎn)生環(huán)境溫度監(jiān)控模塊監(jiān)控溫度對應(yīng)的比例因子K、差量因子B參數(shù)值并傳遞至電壓前饋補償模塊。所述溫度前饋模塊存儲有不同環(huán)境溫度對應(yīng)的比例因子K、差量因子B參數(shù)表。本發(fā)明技術(shù)方案實現(xiàn)的原理具體如下我們在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種類似Kx+B的前饋控制方式，來補償由于電壓抖動帶來的反饋震蕩。所以整個加熱設(shè)計思路為pid_out+(Kx+B),其中，pid_out為PID調(diào)節(jié)模塊輸出，X為電壓監(jiān)控所需要的補償量，而K、B是對這個補償量在實際應(yīng)用環(huán)境中的一個修正，K是比例因子，B是差量因子，本發(fā)明中這對K、B系數(shù)又是隨環(huán)境溫度的不同而不同，可以通過圖2中的溫度前饋實現(xiàn)，且系數(shù)K、B在系統(tǒng)中是可配的，可以通過圖2中上位機來實現(xiàn)。這里X的確定是前饋補償?shù)暮诵膯栴}，它是由參考電壓和PID的輸出這兩個變量所確定的，這與常規(guī)的前饋方式有所不同，它不僅和參考電壓有關(guān)，還和PID反饋輸出也有聯(lián)系，所以它是一種雙動態(tài)調(diào)節(jié)，本發(fā)明就提供了一種高效的方法來解決這一問題。電壓前饋補償主要的實現(xiàn)目標是，當(dāng)電壓在變化時，前饋系統(tǒng)要調(diào)節(jié)PID的輸出來維持溫度不變電壓增加時，PID輸出要減小；反之，PID輸出就要增加。本發(fā)明具有以下優(yōu)點和積極效果I、通過本發(fā)明技術(shù)方案采用的前饋方式加上PID調(diào)節(jié)控制，能夠很好的應(yīng)對一些復(fù)雜環(huán)境，能夠加快整個控制系統(tǒng)的收斂速度和穩(wěn)定性；2、本發(fā)明的前饋電壓補償部分對補償量還有一個修正功能，能夠最優(yōu)化補償效果，使整個系統(tǒng)能夠更好的適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境。


圖I是現(xiàn)有技術(shù)的PWM加熱系統(tǒng)框圖；圖2是本發(fā)明帶有前饋補償?shù)腜WM加熱系統(tǒng)框圖；圖3是本發(fā)明整個加熱系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖；圖4是本發(fā)明技術(shù)方案確定前饋調(diào)節(jié)因子K、B的流程圖；圖5a是傳統(tǒng)PID加熱控制的在加熱參考電壓抖動時的加熱效果圖；圖5b是本發(fā)明在加熱參考電壓抖動時的加熱效果圖；其中101 目標期望溫度輸入模塊；102 =PID調(diào)節(jié)模塊；
103 PWM 模塊；104 LC 濾波電路；105 :供電模塊106 :密閉腔；107 :密閉腔溫度探測單元；201 :加熱控制單元；202 =PID控制單元；203 :前饋控制單元；
204 :溫度前饋模塊；205 電壓前饋補償模塊；206 :環(huán)境溫度監(jiān)控模塊；207 電壓監(jiān)控模塊；208 :上位機；209 電壓探測單元；210 :加法器；301 :環(huán)境溫度檢測傳感器；302 =ADCl采樣模塊；303 :密閉腔溫度傳感器；
具體實施例方式下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明的具體實施方式
和工作原理。本發(fā)明一種密閉腔PWM加熱控制方法是對密閉腔采用PID控制加熱的基礎(chǔ)
上，同時采用前饋控制單元對供電電壓采用前饋控制對其電壓變化量進行監(jiān)控獲得實
時電壓變化累加值，其公式為delta_Vref = E (Vref (k) -Vref (k-1))，delta_Vref為電壓
變化累加值、k為當(dāng)前采樣值；在前饋控制單元中設(shè)置計算關(guān)系式實時電壓變化累加
值X當(dāng)前PID的輸出結(jié)果=當(dāng)前參考電壓XPID補償量，獲得電壓的PID補償量；SP
pid — out x delta — Vivjdella _ piti ——delta_pid 為 PID 補償量，pid_out 為當(dāng)前 PID 的
ref
輸出結(jié)果，delta_VMf為電壓變化累加值，VMf為當(dāng)前參考電壓；為了在不同環(huán)境溫度下使PID補償量得到最佳補償效果，采用通過對環(huán)境的監(jiān)控并計算修正值對供電壓前饋補償使用，具體方式為獲得密閉腔在不同溫度下的前饋調(diào)節(jié)因子比例因子K值、差量因子B值，對環(huán)境溫度進行監(jiān)控，選擇溫度對應(yīng)的前饋調(diào)節(jié)因子K、B至前饋控制單元計算獲得修正值傳遞至電壓的PID補償量；將由前饋控制單元計算獲得修正后的PID補償量和PID輸出一起產(chǎn)生PWM波形輸入LC濾波電路加熱密閉腔。因此PID補償量在不同溫度環(huán)境下按下式進行修正PID補償量=K(實時電壓變化累加值X當(dāng)前PID的輸出結(jié)果/當(dāng)前參考電壓)+B。圖2為帶有前饋電壓監(jiān)控的加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，該系統(tǒng)包括環(huán)境溫度監(jiān)控模塊206、密閉腔溫度探測單元107、加熱控制單元201、LC濾波電路104、供電模塊105和上位機208，加熱控制單元201包括PID控制單元202、前饋控制單元203、PWM模塊103三部分構(gòu)成。PID控制單元包括目標期望溫度輸入模塊101和PID調(diào)節(jié)模塊102，前饋控制單元203包括溫度前饋模塊204、電壓前饋補償模塊205和電壓監(jiān)控模塊207。溫度前饋模塊204前端連接有環(huán)境溫度監(jiān)控模塊206。PID控制單元202同密閉腔溫度探測單元107和前饋控制單元203相連，PID控制單元202和前饋控制單元203通過加法器210同PWM模塊103相連，PWM模塊103同LC濾波電路104相連，LC濾波電路104同密閉腔106相連，密閉腔106同密閉腔溫度探測單元107相連，供電模塊105同電壓探測單元209和LC濾波電路104相連。電壓探測單元209同前饋控制單元203中的電壓監(jiān)控模塊207相連。在系統(tǒng)使用過程中，上位機208與目標期望溫度輸入模塊101和溫度前饋模塊204相連，它起到傳遞目標期望溫度和存儲電壓前饋系數(shù)K、B到前饋控制單元203中的作用。由圖3所示，環(huán)境溫度探測單元206包括環(huán)境溫度檢測傳感器301和ADCl采樣模塊302，密閉腔溫度探測單元107包括密閉腔溫度傳感器303和ADC3采樣模塊304。本發(fā)明中，PID控制單元實現(xiàn)的是在電壓穩(wěn)定的情況下將密閉腔迅速加熱到目標溫度，前饋控制單元是在參考電壓Vref發(fā)生波動的時候給PID控制單元一個合適的補償，而保證采用PID控制單元進行加熱的時候不產(chǎn)生一個過大的震蕩。PID補償量計算是本發(fā)明前饋控制技術(shù)方案的核心依據(jù)，由公式實時電壓變化累加值X當(dāng)前PID的輸出結(jié)果=當(dāng)前參考電壓XPID補償量可知實時電壓的變化累加值與PID補償量是反比的關(guān)系，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)，認為其系統(tǒng)設(shè)計滿足公式對應(yīng)的關(guān)系，圖3中的delta_pid就是所需要的補償量。因此電壓監(jiān)控模塊通過電壓探測單元實時監(jiān)控供電模塊的電壓，計算得到電壓變化累加量，電壓前饋補償模塊可以根據(jù)以上公式計算得到電壓的PID補償量值。圖3為本發(fā)明整個加熱系統(tǒng)的實現(xiàn)方法具體如下實線框內(nèi)為軟件部分，框外為硬件部分。數(shù)據(jù)流主要有4部分環(huán)境溫度監(jiān)控、電壓前饋補償計算、PID計算部分和輸出部分。I)環(huán)境溫度監(jiān)控通過對環(huán)境的監(jiān)控，在K、B參數(shù)表中選取合適的K、B值供電壓前饋補償使用；2)電壓前饋補償計算通過監(jiān)測參考電壓變化的累計波動得到delta_VMf，然 后根據(jù)圖3計算得到delta_pid，這就是前饋補償?shù)年P(guān)鍵量，也就是Kx+B中的X，再結(jié)合環(huán)境監(jiān)控中得到的K、B值計算得到最終給PID輸出的補償結(jié)果；3) PID計算部分主要完成系統(tǒng)的閉環(huán)溫控，根據(jù)PID算法計算出PID_out ；4)輸出部分PWM模塊根據(jù)前饋和反饋的和產(chǎn)生不同占空比的PWM到LC濾波電路中。結(jié)合圖2和圖3描述本發(fā)明加熱系統(tǒng)的工作過程具體如下由上位機208端輸入期望溫度值，PID調(diào)節(jié)模塊102根據(jù)期望值進行計算加上前饋電壓補償一起驅(qū)動PWM模塊103產(chǎn)生PWM占空比輸出不同PWM波形，PWM波形經(jīng)LC濾波電路104轉(zhuǎn)換成直流給密閉腔106進行加熱。密閉腔溫度探測單元107的密閉腔溫度傳感器303將實時測量到的密閉腔106的溫度，經(jīng)ADC3采樣模塊304采樣反饋給PID調(diào)節(jié)模塊102，PID調(diào)節(jié)模塊102根據(jù)PID算法計算出當(dāng)前PID輸出值；環(huán)境溫度監(jiān)控模塊206的環(huán)境溫度檢測傳感器301通過對環(huán)境溫度的監(jiān)控，將監(jiān)控到的環(huán)境溫度經(jīng)ADCl采樣模塊302采樣傳遞至溫度前饋模塊204，溫度前饋模塊204在其存儲的K、B參數(shù)表中選取該監(jiān)控溫度對應(yīng)的的K、B值，K、B參數(shù)表是由上位機208寫入前饋控制單元203，該選取的K、B值傳遞至電壓前饋補償模塊205 ；電壓監(jiān)控模塊207通過電壓探測單元209實時監(jiān)控供電模塊105的電壓，計算得到電壓變化的累加量，電壓前饋補償模塊205根據(jù)電壓實時變化累加量計算得到電壓的PID補償量，電壓前饋補償模塊205將該電壓的PID補償量值再結(jié)合溫度前饋模塊204中得到的K、B值計算得到修正后的PID補償量；修正后的PID補償量和當(dāng)前PID輸出值的和驅(qū)動PWM模塊103進行PWM控制，改變PWM模塊103的PWM占空比輸出不同PWM波形，PWM波形經(jīng)LC濾波電路104轉(zhuǎn)換成直流給密閉腔106進行加熱，使密閉腔106能夠加熱達到穩(wěn)定的預(yù)期溫度。溫度前饋模塊204存儲的K、B參數(shù)表中K、B參數(shù)表獲得方法結(jié)合圖4具體表述如下I)在穩(wěn)定的電壓下，先設(shè)置K、B初始值(K=1，B=0)，將密閉腔加熱到目標溫度期望值；2)改變參考電壓的大小，一般變化量大于0. 3V ;來回變化參考電壓，通過對比目標期望溫度和密閉腔實際溫度來確認補償效果；3)看是否有過調(diào)或者欠調(diào)的現(xiàn)象，過調(diào)則減少K值，反之著增大K值，直到最佳補償效果，以此來確認K值；4)確定完K值后確定B值，方法同3)，直到達到最佳補償效果。在不同環(huán)境溫度下重復(fù)步驟I廣4)可以得到不同溫度下的K、B參數(shù)，形成完整的K、B參數(shù)表。最后通過上位機208將參數(shù)表存儲到前饋單元203中供前饋控制單元使用。通過一系列的實驗證明，通過本前饋補償?shù)姆椒梢院芎玫囊种齐妷翰环€(wěn)造成的突變。圖5a和圖5b給出了在參考電壓不穩(wěn)時傳統(tǒng)的PID的加熱控制和本發(fā)明的加熱控制效果對比圖，傳統(tǒng)的PID加熱明顯有一個突變，而本發(fā)明方法就抑制了這一突變的發(fā)生，保證了密封腔溫度的動態(tài)穩(wěn)定性。 雖然本發(fā)明已經(jīng)詳細地示出并描述了相關(guān)的特定的實施例參考，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該能夠理解，在不背離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)可以在形式上和細節(jié)上作出各種改變。這些改變都將落入本發(fā)明的權(quán)利要求所要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種密閉腔PWM加熱控制方法，其特征在于針對密閉腔采用PID控制加熱，并采用前饋控制單元對其供電電壓變化量進行監(jiān)控獲得實時電壓變化累加值進而獲得如下PID補償量和PID輸出一起產(chǎn)生PWM波形輸入LC濾波電路加熱密閉腔PID補償量=實時電壓變化累加值X當(dāng)前PID的輸出結(jié)果/當(dāng)前參考電壓。
2.如權(quán)利要求I所述的一種密閉腔PWM加熱控制方法，其特征在于所述的PID補償量在不同溫度環(huán)境下按下式進行修正PID補償量=K(實時電壓變化累加值X當(dāng)前PID的輸出結(jié)果/當(dāng)前參考電壓)+B;其中K為密閉腔在不同溫度下的前饋調(diào)節(jié)比例因子，B為密閉腔在不同溫度下的前饋調(diào)節(jié)差量因子。
3.如權(quán)利要求2所述的一種密閉腔PWM加熱控制方法，其特征在于所述獲得K、B值的方法具體步驟如下步驟I、在穩(wěn)定的電壓下，將密閉腔加熱到目標溫度期望值；步驟2、改變參考電壓的大小，來回變化參考電壓，通過對比目標期望溫度和密閉腔實際溫度確認補償效果；步驟3、看是否有過調(diào)或者欠調(diào)的現(xiàn)象，過調(diào)則減少K值，反之著增大K值，直到最佳補償效果，以此來確認K值；步驟4、確定完K值后確定B值，方法同步驟3，直到達到最 佳補償效果；在不同環(huán)境溫度下重復(fù)步驟f 4可以得到不同溫度下的K、B參數(shù)。
4.如權(quán)利要求3所述的一種密閉腔PWM加熱控制方法，其特征在于所述步驟2中改變參考電壓大小的變化量大于0. 3V。
5.一種密閉腔HVM加熱控制系統(tǒng)，包括加熱控制單元(201)、LC濾波電路(104)、供電模塊(105)、密閉腔(106)，其特征在于加熱控制單元(201)包括PID控制單元(202)、前饋控制單元(203)、PWM模塊(103)三部分構(gòu)成，所述前饋控制單元(203)同PID控制單元(202 )相連接，所述PID控制單元(202 )和前饋控制單元(203 )通過加法器(210 )同PWM模塊(103)相連接，所述前饋控制單元(203)中的電壓監(jiān)控模塊(207)通過電壓探測單元(209)實時監(jiān)控與其相連的供電模塊(105)，計算實時電壓變化累加值且傳遞至與其相連的電壓前饋補償模塊(205)，所述電壓前饋補償模塊(205)根據(jù)其設(shè)置的PID補償量=實時電壓變化累加值X當(dāng)前PID的輸出結(jié)果/當(dāng)前參考電壓計算關(guān)系獲得產(chǎn)生的PID補償量傳遞至PWM 模塊(103)。
6.如權(quán)利要求5所述的一種密閉腔PWM加熱控制系統(tǒng)，其特征在于所述前饋控制單元(203)包括與其電壓前饋補償模塊(205)相連的溫度前饋模塊(204)，所述溫度前饋模塊(204)連接環(huán)境溫度監(jiān)控模塊(206)，所述溫度前饋模塊(204)產(chǎn)生環(huán)境溫度監(jiān)控模塊(206)監(jiān)控溫度對應(yīng)的比例因子K、差量因子B參數(shù)值并傳遞至電壓前饋補償模塊(205)。
7.如權(quán)利要求6所述的一種密閉腔PWM加熱控制系統(tǒng)，其特征在于所述溫度前饋模塊(204)存儲有不同環(huán)境溫度對應(yīng)的比例因子K、差量因子B參數(shù)表。
全文摘要
本發(fā)明涉公開了一種密閉腔的PWM加熱控制方法及其系統(tǒng)，其系統(tǒng)包括加熱控制單元、LC濾波電路、供電模塊、密閉腔，加熱控制單元包括PID控制單元、前饋控制單元、PWM模塊三部分構(gòu)成，前饋控制單元同PID控制單元相連接，PID控制單元和前饋控制單元通過加法器同PWM模塊相連接，前饋控制單元中的電壓監(jiān)控模塊通過電壓探測單元實時監(jiān)控與其相連的供電模塊,計算實時電壓變化累加值且傳遞至與其相連的電壓前饋補償模塊，電壓前饋補償模塊根據(jù)其設(shè)置的PID補償量=實時電壓變化累加值×當(dāng)前PID的輸出結(jié)果/當(dāng)前參考電壓計算關(guān)系獲得產(chǎn)生的PID補償量傳遞至PWM模塊；本發(fā)明可以很好的抑制由電壓抖動產(chǎn)生的目標腔體溫度突變，從而保證密閉腔體溫度的準確性和穩(wěn)定性。
文檔編號G05D23/19GK102749939SQ20121026521
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月27日
發(fā)明者喻杰奎, 張鵬, 江毅, 蔡飛, 陳建宇 申請人:武漢光迅科技股份有限公司