本發(fā)明涉及屬于工業(yè)自動控制領域，尤其涉及一種基于滑窗預估的恒溫箱溫控算法。

背景技術(shù)：

恒溫箱的設計目的主要是為了給原子鐘提供一個溫度變化較小的環(huán)境，以提高原子鐘的頻率準確度。原子鐘產(chǎn)生和保持標準時間頻率信號，決定著時間頻率系統(tǒng)的精度，是時頻系統(tǒng)的核心。原子鐘是量子物理學與電子學高度結(jié)合的產(chǎn)物，具有極高的精密性。但眾所周知，精密儀器對其所處物理環(huán)境的要求也極苛刻的。尤其是作為精度要求負12量級的原子鐘，對于外部的溫度，壓力，濕度等物理環(huán)境都有一定要求。尤其是溫度，溫度的快速變化會對原子鐘的頻率穩(wěn)定度產(chǎn)生較大影響。在溫差較大的環(huán)境中工作，銣原子鐘的守時精度會受到較大影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于滑窗預估的恒溫箱溫控算法，在傳統(tǒng)PID算法的基礎上，通過滑窗預估消除一定的滯后性，做到高精度控溫，保證了銣原子鐘的守時精度。

一種基于滑窗預估的恒溫箱溫控算法，依次包括以下步驟：

1)采用溫度傳感器測量恒溫箱內(nèi)的實際溫度，若測得的實際溫度與目標溫度差值小于預設值a，則進入步驟2)；若測得的實際溫度大于預設值a，恒溫箱內(nèi)的半導體全速工作至實際溫度與目標溫度差值小于預設值a，然后進入步驟2)；

2)粗調(diào)：利用PID算法控制產(chǎn)生的PWM波的占空比，從而控制恒溫箱內(nèi)的半導體對實際溫度進行調(diào)節(jié)，使實際溫度在目標溫度周圍正弦波動，檢測到實際溫度的上下浮動相對穩(wěn)定N個周期，或檢測到實際溫度上浮與下浮相對穩(wěn)定，則進入步驟3)；

3)根據(jù)滑窗法連續(xù)取得間隔為b的恒溫箱溫差，計算實際溫度曲線的切線斜率，得到恒溫箱實際溫度變化的trend值；得到目標溫差值、PID算法中的I值和D值，進入步驟4)；

4)精調(diào)：根據(jù)公式Δt/ΔT*ki/kd＝e^(-τt)進入精調(diào)階段；其中：Δt為trend值，ΔT為與目標溫差值，ki為PID算法中的I值，kd為PID算法中的D值；

基于I值不變，計算D值；帶入計算得出的D值與修正量，依據(jù)PID算法完成PID到PWM的占空比值的轉(zhuǎn)化，通過PWM波占空比控制溫度變化。

進一步，在步驟4)中，若ΔT>1，且Δt/ΔT>15；則放棄精調(diào)，進入粗調(diào)，粗調(diào)完畢后，再重復步驟4)，直到完成恒溫控制。便于提高調(diào)解效率。

進一步，時間間隔b為20S。

進一步，預設值a為2℃。

進一步，在步驟2)中，N為3～5。

與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的優(yōu)點是：

(1)本發(fā)明通過滑窗取得的trend值具有連續(xù)性，在后期計算PID時不會因為階躍性導致半導體制冷片工作方向改變，雖然加入了預估的修正參量，但是實際上沒有改變PID的基礎原理和走勢，即不會出現(xiàn)階躍，不會使PWM工作的方向突變，具有現(xiàn)實可靠性，是一種連續(xù)的細微的漸變的調(diào)節(jié)。

(2)本發(fā)明采用了粗調(diào)與精調(diào)兩種模式，使得系統(tǒng)上電到控溫完成的過程更加迅速。粗調(diào)階段只負責將箱內(nèi)溫度送到目標溫度附近波動即可。這個過程不加入滯后性的考慮，使得控制變得更加快捷。精調(diào)階段，則是負責把溫度控制到要求的高精度以內(nèi)，此時再加入預估變量，提高精度。兩種模式相輔相成，使得控溫過程變得快捷，高效。

(3)本系統(tǒng)基于滑窗預估的恒溫箱溫控算法和實現(xiàn)。粗調(diào)和精調(diào)兩個階段可以通過條件的變化，相互切換，不一而足。模式并非固定的由粗到精，而是更具調(diào)節(jié)可以相互轉(zhuǎn)化，直到最終通過精調(diào)節(jié)時溫度趨于穩(wěn)定。若ΔT>1，同時Δt/ΔT>15，則放棄精細調(diào)節(jié)，再次進入粗調(diào)節(jié)階段。這樣的算法設計可以在溫度發(fā)現(xiàn)突變時，有一定的伸縮能力，避免精調(diào)節(jié)下，出現(xiàn)溫度突變，導致需要很長時間去完成收斂。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實施例，因此不應看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它相關的附圖。

圖1為本發(fā)明的流程示意圖。

圖2為本發(fā)明中，粗調(diào)時溫度與時間的變化示意圖。

圖3為本發(fā)明中，粗精調(diào)時溫度與時間的變化示意圖。

具體實施方式

在本發(fā)明的描述中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接連接，也可以是通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通或兩個元件的相互作用關系。對于本領域普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

參閱圖1，在本實施例中：一種基于滑窗預估的恒溫箱溫控算法，環(huán)境溫度為14攝氏度，目標溫度為8攝氏度，箱內(nèi)起始溫度為35攝氏度。系統(tǒng)上電后，主要包括以下步驟：

步驟1)：通過溫度傳感器ADT7410連續(xù)獲取箱內(nèi)溫度，若測得的實際溫度與目標溫度差值小于2℃，則進入步驟2)；若測得的實際溫度大于2℃，恒溫箱內(nèi)的半導體全速工作至實際溫度與目標溫度差值小于2℃，然后進入步驟2)。

步驟2)：利用PID算法首先求取PID_VOL值，根據(jù)公式PWM_vol＝K*(Pid_vol/Max)*PWM_Max，將設備的狀態(tài)值計算得到的PID轉(zhuǎn)化為PWM波的方向系數(shù)和占空比系數(shù)，即不考慮滯后性，將箱內(nèi)溫度調(diào)到目標溫度附近，連續(xù)收斂3到5個周期，使得導熱介質(zhì)溫度與目標溫度之間溫差相對較小，即完成粗調(diào)階段。

粗調(diào)階段的PID算法公式如下所示：

Pid.err＝Pid.Actual_temp-Pid.Set_temp (1)

Pid.err_last＝pid.err (3)

Pid.voltage＝Pid.Kp*Pid.err+Pid.Ki*Pid.integral+Pid.Kd*(Pid.err-Pid.err_last) (4)

其中，Kp,Ki,Kd為比例系數(shù)，Pid.err是前后兩次采樣的溫差，Pid.integral為溫度與目標溫度溫差的近似積分，即多次溫差的累積量。

粗調(diào)階段如圖2所示，橫坐標為時間(S)，縱坐標為溫度(℃)。kp代表的是從系統(tǒng)上電到接近目標溫度這一段近似線性曲線的斜率，Kp越到，斜率越大，溫度降更快接近目標溫度，但同時也會造成過沖變大,使得后期收斂時間變長。Ki表示大于目標溫度或者小于目標溫度的部分的累積面積，Ki越大面積越大，兩部分面積也越接近，ki越小，面積比例誤差越大。Kd表示收斂階段的伸縮性，Kd越大，同面積下，圖像越被拉伸，溫度越接近目標溫度，誤差越小。PID粗調(diào)階段的三個參數(shù)相輔相成，共同完成溫度調(diào)節(jié)的曲線如圖2所示。

步驟3)：根據(jù)滑窗法連續(xù)取得間隔為20S的恒溫箱溫差，(恒溫箱溫差為當前溫度與目標溫度的差值)，計算實際溫度曲線的切線斜率，得到恒溫箱實際溫度變化的trend值；得到目標溫差值、PID算法中的I值和D值。

利用粗調(diào)節(jié)模式將溫度控制到目標溫度周圍正弦波動，并使波動持續(xù)3到5個周期，測定trend值。trend值的計算方式如下：

1)連續(xù)取定20S的溫度，做成一個集合。

2)然后利用滑窗法，每有一個溫度值進入集合，則剔除一個溫度值。

3)將集合內(nèi)的溫度值的最大與最小做差值，計算切線斜率，此斜率為引入溫度時的trend值，不斷取定trend值，得到一個trend的集合。

4)trend用于判定系統(tǒng)的調(diào)節(jié)狀態(tài)，或者用于后續(xù)調(diào)節(jié)的預估值。

進入精調(diào)節(jié)的標志是trend值小于0.8，同時Δt/ΔT<12,則系統(tǒng)可以進入精調(diào)節(jié)階段。進入精調(diào)節(jié)階段，引入預估值trend對PID算法的修正，將trend值引入PID系統(tǒng)中進行預估修正。

trend的判定分為2類：

1)trend值小于0.8，同時Δt/ΔT<12。為粗調(diào)節(jié)后，進入精調(diào)節(jié)的判定標志。

2)trend值大于1，同時Δt/ΔT>15。為精調(diào)節(jié)中出現(xiàn)較大溫度波動，無法繼續(xù)精調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)而進入粗調(diào)節(jié)的判定標志。

步驟4)：精調(diào)：根據(jù)公式Δt/ΔT*ki/kd＝e^(-τt)進入精調(diào)階段；其中：Δt為trend值，ΔT為與目標溫差值，ki為PID算法中的I值，kd為PID算法中的D值。

基于I值不變，計算D值；帶入計算得出的D值與修正量，依據(jù)PID算法完成PID到PWM的占空比值的轉(zhuǎn)化，通過PWM波占空比控制溫度變化。

進入精調(diào)階段，PID在算法上的滯后性，明顯不足以達到高精度的溫控。在精調(diào)階段，通過滑窗計算每20S的切線斜率trend，同時獲取溫度的變化值ΔT，利用(Δt)/ΔT*ki/kd＝e^(-τt)(其中Δt即為trend值)，獲取ki不變下的kd值，用于修正PID算法中的參數(shù)。通過trend的不斷變化，獲取的kd也在漸變，使得PID算法變成一種動態(tài)的預估算法，將PID三個參數(shù)中的兩個參數(shù)通過比值的關系聯(lián)系在一起，與溫度變化趨勢呈線性變化，實時動態(tài)，完成PID算法的精調(diào)階段。

PID精調(diào)如圖3所示。粗調(diào)之后引入滑窗預估，將PID參數(shù)進行修正，用預估的方式將Ki/Kd的比值與溫度變化趨勢聯(lián)系在一起。從而動態(tài)的修正恒溫控制系統(tǒng)的滯后性。圖3為粗調(diào)節(jié)之后的精調(diào)節(jié)過程，可以看到，在500S之后的很長一段時間內(nèi)，溫度基本保持的0.2℃左右的變化。在1800-2300區(qū)間內(nèi)，由于傳感器度值的最大誤差有0.5℃，使測量溫度發(fā)生跳變，從而使控溫系統(tǒng)的預估出現(xiàn)錯誤，溫度跳變后立刻產(chǎn)生一定程度的溫升，從另一方面也證實了本系統(tǒng)對溫度變化的預估反饋是及時有效的。若剔除溫差點，溫度能達到0.1-0.2℃的溫度精度內(nèi)。

得到PID算法的值，依據(jù)公式PWM_Vol＝K*(Pid_vol/Max)*PWM_MAX(該公式中K為溫度修正參數(shù)，是一個常數(shù)，針對結(jié)構(gòu)環(huán)境的保溫性設定，理論上零熱量交換的系統(tǒng)中，K＝1。PWM_Max為PWM分頻之后的一個周期參數(shù))，依據(jù)該公式，將計算得到的動態(tài)PID值轉(zhuǎn)化為修正后的PWM值，該值即為PWM工作的占空比大小。通過控制占空比大小，即可控制半導體制冷片工作時間，從而調(diào)節(jié)恒溫箱內(nèi)部溫度。

trend的修正：

通過PID算法的基本原理，我們可以得知PID是一種具有明顯滯后性的自動控制算法，且PID的計算結(jié)果和PWM波的占空比在理論上是線性關系。同理，引入trend的修正值，只為修正PID的I/D值參數(shù)，并未涉及到改變PID算法，而是通過trend的引入將PID值原本的靜態(tài)參數(shù)改變?yōu)榕c預估值有關動態(tài)參數(shù)，建立預估與調(diào)節(jié)之間的新關系，所以預估值trend與最終結(jié)果同理為理論上的線性關系。針對溫控系統(tǒng)的隔熱性能各有不同，用此參數(shù)修正實際情況與理論值之間的偏差。通過理論分析以及實驗研究，

PWM_Vol＝K*(Pid_vol/Max)*PWM_MAX (6)

K＝1時，為理論中0散熱量時，恒溫箱半導體制冷片的PWM波的占空比經(jīng)trend修正后的值。根據(jù)適用系統(tǒng)的不同，K值應該隨系統(tǒng)隔熱性的變化而變化，但始終應大于1。假設隔熱性系數(shù)為M，理論情況上的隔熱保溫系數(shù)為1，則有M*K＝1。在本系統(tǒng)中，測定的M為0.76。

本發(fā)明，應用于高精度的可維修微型恒溫箱制作。主要目的是為了提高時頻工業(yè)中原子鐘的精度要求，原子鐘的頻率準確度引外界環(huán)境會產(chǎn)生較大影響，尤其溫度影響尤甚。恒溫箱體的設計必須考慮的銣鐘的拆卸更換，勢必影響其保溫系數(shù)。故算法主要針對較低隔熱系統(tǒng)的高精度控溫。

以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例，但本發(fā)明的技術(shù)特征并不局限于此，任何本領域的技術(shù)人員在本發(fā)明的領域內(nèi)，所作的變化或修飾皆涵蓋在本發(fā)明的專利范圍之中。