本發(fā)明屬于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域，具體是一種應(yīng)用于超聲破碎儀的恒溫控制裝置及控制方法。

背景技術(shù)：

超聲波是指頻率高于20000赫茲的的聲波，它因其頻率下限大于人的聽覺上限而得名。當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于超聲波與介質(zhì)的相互作用，使介質(zhì)發(fā)生物理的和化學(xué)的變化，從而產(chǎn)生一系列力學(xué)的、熱學(xué)的、電磁學(xué)的和化學(xué)的超聲效應(yīng)，主要包括機(jī)械效應(yīng)、空化作用、熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)4種。

超聲波破碎儀是將電能通過換能器轉(zhuǎn)換為聲能，這種能量通過液體介質(zhì)而變成一個(gè)個(gè)密集的小氣泡，這些小氣泡迅速炸裂，產(chǎn)生出像小炸彈一樣的能量，從而起到破碎物質(zhì)的作用。目前，超聲波破碎儀在生物醫(yī)學(xué)及納米材料制備領(lǐng)域都已經(jīng)取得廣泛應(yīng)用。

在超聲波破碎儀的實(shí)驗(yàn)過程中，超聲破碎儀作用于反應(yīng)物時(shí)的環(huán)境溫度往往有著嚴(yán)格要求。以超聲波細(xì)胞破碎儀為例，試驗(yàn)樣品多是對(duì)溫度異常敏感的細(xì)胞組織，如果不能很好地控制反應(yīng)溫度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往以失敗告終。同時(shí)由于溫度調(diào)節(jié)存在滯后性，而超聲破碎儀對(duì)工作溫度的準(zhǔn)確性要求也更高，因此設(shè)計(jì)出一種能自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度以滿足實(shí)驗(yàn)需求的設(shè)備就顯得尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)當(dāng)前關(guān)于搭建破碎儀恒溫環(huán)境操作復(fù)雜，控制精度不高的技術(shù)難題，提出了一種應(yīng)用于超聲破碎儀的恒溫控制裝置及控制方法。

本方案包括帶前饋的模糊pid控制算法設(shè)計(jì)和溫控裝置硬件設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容。該裝置包括具有夾套的玻璃反應(yīng)裝置、第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、控制器、驅(qū)動(dòng)模塊、閥門電機(jī)和電動(dòng)閥門；

所述的具有夾套的玻璃反應(yīng)裝置的進(jìn)水口與進(jìn)水管連接，進(jìn)水管上設(shè)有電動(dòng)閥門，具有夾套的玻璃反應(yīng)裝置的出水口上設(shè)有第一溫度傳感器，具有夾套的玻璃反應(yīng)裝置的反應(yīng)槽內(nèi)設(shè)有第二溫度傳感器，第一溫度傳感器和第二溫度傳感器的信號(hào)輸出端與控制器的信號(hào)入端口連接，控制器的信號(hào)輸出端口接驅(qū)動(dòng)模塊的信號(hào)輸入端口，驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)閥門的閥門電機(jī)。

以意法半導(dǎo)體公司stm32f103芯片為核心的單片機(jī)最小控制系統(tǒng)(附加有晶振、復(fù)位電路、電源和調(diào)試接口)作為控制模塊，選用pt100作為溫度傳感器，采用大功率驅(qū)動(dòng)芯片bts7960組成的全h橋驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)控制閥門電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，進(jìn)而調(diào)節(jié)電動(dòng)閥門的開度大小來(lái)控制冷卻水流量，同時(shí)有按鍵電路和tft液晶顯示屏構(gòu)成的人機(jī)交互模塊。

所述的人機(jī)交互模塊、傳感器模塊與驅(qū)動(dòng)模塊分別于控制器的相應(yīng)引腳相連，控制器獲取由人機(jī)交互模塊設(shè)定的控制時(shí)間和溫度值，并存放在內(nèi)存當(dāng)中；傳感器將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)輸入到控制器中；將設(shè)定值與采集到的當(dāng)前值進(jìn)行模糊pid控制算法的處理后輸出控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)模塊；經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊放大處理后輸出至閥門電機(jī)，進(jìn)而調(diào)節(jié)電動(dòng)閥門的開度大小來(lái)控制冷卻水流量來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)。

一種應(yīng)用于超聲破碎儀的恒溫控制裝置的控制方法，該方法具體包括以下步驟：

步驟一：將反應(yīng)槽內(nèi)設(shè)有第二溫度傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送給控制器，得到當(dāng)前溫度y；

步驟二：第一溫度傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送給控制器，得到回水溫度z。

步驟三：控制器將當(dāng)前溫度y與設(shè)定溫度值x進(jìn)行比較，按照模糊pid控制算法進(jìn)行處理后輸出控制量u1。

步驟四：根據(jù)回水流量、回水溫度和反應(yīng)液當(dāng)前溫度y，整定前饋增益調(diào)節(jié)系數(shù)k。

步驟五：控制器輸出控制信號(hào)量u＝u1+k*z。

步驟六：驅(qū)動(dòng)模塊將接收到的控制信號(hào)量u進(jìn)行放大處理，控制閥門電機(jī)正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速的快慢。

步驟七：通過電機(jī)的動(dòng)作來(lái)控制與之連動(dòng)電動(dòng)閥門，從而實(shí)現(xiàn)閥門開度的大小調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制冷卻水水量的大小。

步驟八：每隔一段時(shí)間，返回步驟一，控制器會(huì)將采集到的當(dāng)前溫度值與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，并通過算法對(duì)控制信號(hào)量進(jìn)行修正，直至達(dá)到溫度的動(dòng)態(tài)平衡，從而實(shí)現(xiàn)恒溫自動(dòng)控制。

本發(fā)明的有益效果：采用帶夾套的反應(yīng)槽裝置，通過控制注入夾套內(nèi)的冷水流量來(lái)調(diào)節(jié)恒溫環(huán)境，操作簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。此外模糊pid的智能算法較之傳統(tǒng)工藝可以獲得更快的響應(yīng)速度，更小的超調(diào)量和更強(qiáng)的抗干擾能力。在外界環(huán)境溫度發(fā)生大范圍變化時(shí)，反應(yīng)槽溫度波動(dòng)低于0.5℃，裝置運(yùn)行平穩(wěn)，操作簡(jiǎn)便，具備廣闊應(yīng)用前景和商業(yè)價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1模糊pid控制系統(tǒng)框圖；

圖2恒溫裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以期望溫度為40℃為例，結(jié)合圖1說(shuō)明該恒溫裝置的模糊pid控制器的設(shè)計(jì)。

一、確定控制器的輸入量與輸出量。設(shè)反饋的實(shí)際溫度為y，設(shè)定溫度為x＝40℃，則我們規(guī)定誤差e＝x-y以及誤差變化率ec作為輸入語(yǔ)言變量，控制驅(qū)動(dòng)裝置的信號(hào)量u選作輸出語(yǔ)言變量。

二、確定輸出量和輸入量的量化等級(jí)、量化因子以及論域。

取三個(gè)語(yǔ)言變量的量化等級(jí)都為9級(jí)；本例中采用非線性量化，故量化因子為非常量；溫度偏差e的基本論域選為{100,100}，選其模糊化時(shí)的論域?yàn)閧3,3}，則量化因子為ge＝3/100＝0.03。偏差變化率ec的基本論域選為{10,10}，其模糊化時(shí)的論域?yàn)閧3,3}，則量化因gc＝3/10＝0.3。輸出比例系數(shù)修正量δkp的基本論域選{0.24,0.24}，其模糊論域選為{3,3}，則量化因子為gp＝0.24/3＝0.08。積分系數(shù)修正量δki的基本論域?yàn)閧0.06,0.06}，其模糊論域?yàn)閧3,3}，則量化因子為gi＝0.06/3＝0.02。微分系數(shù)修正量δkd的基本論域?yàn)閧0.03,0.03}，其模糊論域?yàn)閧3,3}，則量化因子gd＝0.03/3＝0.01。

三、在輸入和輸出語(yǔ)言變量的量化域內(nèi)定義模糊子集。

本設(shè)計(jì)選定的模糊論域全部為{3,3}，語(yǔ)言變量需選取7個(gè)語(yǔ)言值：

nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb。選取三角形隸屬度函數(shù)。

四、確定模糊控制規(guī)則并建立模糊控制規(guī)則表。

δkp的模糊規(guī)則表如下：

δki的模糊規(guī)則表如下：

δkd的模糊規(guī)則表如下：

五、求出模糊控制表。根據(jù)建好的模糊控制規(guī)則表和隸屬度函數(shù)值，查出模糊推理器輸出的pid三個(gè)修正參數(shù)kp、ki、kd的模糊輸出值。

下面結(jié)合圖2，以40℃作為恒溫控制裝置的要求，舉例說(shuō)明該系統(tǒng)的工作流程：

1.將反應(yīng)釜內(nèi)的溫度傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送給控制器，得到當(dāng)前溫度y。

2.將回水處的溫度傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送給控制器，得到回水溫度z。

3.控制器將當(dāng)前溫度y與設(shè)定溫度值x進(jìn)行比較，按照上述模糊pid控制算法進(jìn)行處理后輸出控制量u1。

4.根據(jù)回水流量、回水溫度和反應(yīng)液溫度，整定前饋增益調(diào)節(jié)系數(shù)k。

5.控制器輸出控制信號(hào)量u＝u1+k*z。

6.h橋驅(qū)動(dòng)模塊將接收到的控制信號(hào)量u進(jìn)行放大處理，控制閥門電機(jī)正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速的快慢。

7.通過電機(jī)的動(dòng)作來(lái)控制與之連動(dòng)電動(dòng)閥門，從而實(shí)現(xiàn)閥門開度的大小調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制冷卻水量的大小。

8.每隔相應(yīng)一段時(shí)間，程序會(huì)返回步驟2，控制器會(huì)將采集到的當(dāng)前溫度值與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，并通過算法對(duì)控制信號(hào)量進(jìn)行修正，直至達(dá)到溫度的動(dòng)態(tài)平衡，從而實(shí)現(xiàn)恒溫自動(dòng)控制。