基于TEC和PID的恒溫控制系統

劉麗飛，呂衛星，武 超，任 英

(中國原子能科學研究院，北京 102413)

0 引言

量熱法是放射性核素質量計量最有效的無損分析(NDA，non-destructive assay)方法之一[1-3]。基于穩態的量熱系統達到熱平衡后，環境溫度波動會破壞熱平衡，影響測量結果[4]，因而對環境恒溫要求較為嚴格。國內外量熱系統大多通過恒溫層減小溫度波動，溫度檢測和控制的準確性將直接影響測量的穩定性和準確性，測試環境溫度控制已成為量熱測量的必要關鍵技術之一。

目前為止，對于量熱系統測量環境的穩定措施主要體現在以下幾個方面：1)控制所處環境室溫；2)降低環境氣流波動；3)引入恒溫系統。系統所處室內環境的穩定性是系統溫度穩定性的前提與保障，但并非穩定量熱系統溫度的充分措施，因而多數基于穩態熱平衡的量熱系統引入了恒溫系統，作為測量過程穩定系統溫度的直接有效措施。恒溫系統有兩種基本的作用思路：1)被動式恒溫，通過在量熱計核心測量部件外圍設置恒溫體，恒溫體由高熱容、高導熱材料形成，且具備足夠質量，可有效吸收因溫度和氣流而來的環境波動，具備較強的緩沖作用，將測試系統與不穩定環境隔離。該方法主要依賴恒溫體的固有屬性進行被動式阻隔，恒溫效果主要取決于恒溫體規格選擇的合理性以及環境溫度的波動程度，設計成型后，精度控制余地較小。系統測試溫度主要取決于環境溫度，僅能做到穩定，但無法控制穩定的數值；2)主動式恒溫，在引入恒溫介質的同時，對恒溫介質的溫度進行管控。通過引入適當的恒溫措施，精準控制恒溫體溫度維持在需求溫度。主動式恒溫具備控溫能力，效率及精度都有所提高，而為量熱系統恒溫控制所廣泛采用。

本研究旨在設計具備控溫能力的主動式恒溫系統，研究恒溫策略，以為量熱測量提供恒溫測試環境，降低環境溫度的不穩定性對測量結果的影響。

1 系統結構及原理

量熱系統一般設置恒溫層，存在固態、液態、氣態多種形式的恒溫介質，因此本系統在與量熱系統恒溫層的硬件接口上采用分離式結構設計，即在量熱系統恒溫介質層與本系統控溫元件間適當施加過渡介質，過渡介質作為高導熱部件，即可增大制冷元件與恒溫系統間的傳熱面積，又能拓展恒溫控制系統對于不同恒溫介質的適應能力。

系統總體結構如圖1所示，在恒溫層不同代表性點位布置多個溫度探頭，通過高精度多通道溫度測量儀采集實時溫度；經程序比對與預設溫度差異，通過數字源表，調控施加在半導體制冷元件上的制冷/制熱功率，最終實現對目標對象的溫度調控。

圖1 恒溫系統總體結構設計

測控系統軟件所在PC端基于工業控制計算機，通過網絡通訊LAN接口將溫度測量儀表采集的溫度信號傳入PC端數據采集模塊，顯示存儲后，更新預設控溫點實時溫度數據，經自動調節控制算法計算被控外設的控制參數，通過傳輸指令經網絡通訊線路發送至高精度數字電源表。利用電源表的嵌入式腳本編輯功能，在源表內部存儲并執行預定義的功率輸出控制腳本程序。電源具備雙向電流輸出能力，通過調節電源的直流電流輸出以調節控制半導體制冷器的制冷/熱量，來實現對目標對象溫度的精確控制。

2 系統硬件設計

2.1 制冷元件

半導體制冷[5]主要利用帕爾貼效應實現能量遷移，即當直流電通過兩種不同導電材料的接界面時，結點處將產生吸熱或放熱現象，因而既能制冷，也能加熱。只需改變工作電流方向就能實現加熱和制冷工作狀態的轉換，使用一個半導體制冷器就可以代替分立的加熱系統和制冷系統。與傳統的壓縮機制冷技術相比，半導體制冷具有結構簡單、無制冷工質、無運動部件、無機械損耗、無噪聲、體積小、重量輕、控制靈活、可靠性高、熱慣性小、易于進行冷量調節等諸多優勢，尤其在小冷量、空間受限的應用場景有其獨到之處[6-8]。半導體制冷器單個制冷單元對的功率很小，一般需串聯同類單元以提高制冷功率。但因極限溫差限制，一般工作溫度不可過高。

設計系統所服務的對象—量熱系統工作于室溫，所針對的控溫對象—量熱系統恒溫層常規工作溫度接近室溫，因而溫度改變及能量遷移需求并不顯著，采用半導體制冷器作為控溫元件尤為適合。選用美國TE公司生產的VT-127型一體化半導體制冷器，最大功率80 W，最大溫差70 ℃。使用24只VT-127型制冷器，結合數字電源的電壓電流限值要求，系統輸出總功率可達1 200 W，足以保證位于恒溫層內部的測量室在進行大功率熱源樣品測量時也可以達到控溫精度。制冷器安裝散熱片及風扇以提高制冷/制熱效率。

2.2 測溫元件

常用的溫度傳感器主要有熱電偶及熱電阻。Pt100型鉑電阻溫度傳感器具有精度高、穩定性好、響應速度快的優點，是中低溫區常用的一種溫度檢測傳感器。根據系統測溫范圍及精度需求，選用Pt100型鉑電阻溫度傳感器作為溫度測量元件，AA級允差等級(允差值：±(0.1+0.001 7|t|，|t|-溫度絕對值，單位為℃)。

接線方式會對Pt100型鉑電阻溫度傳感器的測量結果產生較大影響[9]，影響主要來自連接導線的電阻：兩線制接線，引線電阻會計入測量結果；三線制測量常與電橋配套使用，可較好消除引線電阻影響，但要求三根引線電阻值完全相同；四線測量時兩根引線提供恒定電流，另外兩根引線用于測定電阻兩端電壓，可完全消除引線電阻影響。本系統采用四線制接線方法，以減少測量誤差。

2.3 電源

現階段的電源系統一般提供電壓或電流輸出控制，功率控制則需要人為在程序算法內改造。電源表的輸出精度及可靠性直接決定了控溫系統的控溫精度及可靠性，本研究選擇Keithley 2461高精度數字電源表作為半導體制冷器的供電電源。Keithley 2461高電流Source Meter融合了7A/100W DC電流和10 A/1 000 W脈沖電流功能，雙18位1 MS/s模數轉換器，支持快速采樣測量；具備0.012%DCV準確度，位分辨率；源和阱(4象限)操作；支持SCPI和測試腳本處理程序(TSP)編程模式。

2.4 溫度測量儀表

同電源一樣，溫度測量值作為PID控制策略的輸入參數，其精度及穩定性也將對控溫效果產生顯著影響，選擇Keithley 3706A數字多功能表進行溫度信號采集。Keithley3706A是一款快速、精確且高穩定性的多用表，四線制RTD溫度測量(-200～630 ℃)具備0.01 ℃分辨率；超過14 000讀數/秒的內存速度；支持嵌入式測試腳本處理器(TSP)；具備以太網、USB、和GPIB通訊接口。該系統包含一個六槽的開關系統，配合系統插卡，能夠以低成本建立一個可擴展的多通道解決方案。

Keithley所有基于測試腳本處理器(TSP)功能的系統均能夠存儲并執行大量預定義的器件測試腳本。本系統所采用Keithley系列儀表均具備嵌入式腳本編程功能[11-12]，儀器內置微處理器，支持各種復雜測試腳本的編程與獨立執行。

采用工業控制計算機，基于NI公司的LabWindows/CVI虛擬儀器開發平臺，集成開發量熱計恒溫控制系統。

3 系統軟件設計

利用智能儀表提供的網絡通信(LAN)接口，實現與PC端測控系統軟件的網絡通信。PC端作為客戶端，儀表端作為服務器。客戶端經驗證與服務器建立連接，服務器將實時溫度數據和功率信息以數據包形式發送給客戶端，供客戶端程序分析處理及計算調控；同時，客戶端通過向服務器發送命令控制和配置服務器，實現雙向網絡通信。測控系統軟件通信框架及流程如圖2所示。客戶端與服務器建立鏈接后，服務器端的智能儀表-數字電源及溫度測量儀表通過內置腳本程序完成儀表參數初始化，溫度測量儀表進行監測點的溫度數據采集，數字源表接收輸出功率命令信息，計算及控制輸出相應功率參數。

圖2 軟件通訊架構及流程圖

系統軟件開發基于交互式C語言開發平臺LabWindows/CVI，分為測量和控制兩部分。測量程序流程如圖3所示，主要負責實時采集系統變量，即溫度及電流電壓數據，進行數據解析，異常值判定及警告，并在軟件界面實時圖形化顯示并保存；同時將實時溫度數據傳遞給控制部分，供其計算取用。控制程序流程如圖4所示，主要根據測量部分所傳遞的控溫點實時溫度數據信息，利用PID控制方法計算所需輸出的控制量，經專屬通訊通道傳遞至數字源表。本系統設計控制部分所傳遞的控制量為功率值，經過數字源表內置腳本程序自動計算并輸出與功率值相匹配的電流值，以電流方向控制半導體制冷器的制冷/制熱作用，以電流大小調節其制冷/制熱量。

圖3 測量部分流程圖

圖4 控制部分流程圖

完成系統軟件界面如圖5所示，包括“恒溫參數”、“溫度監測”、“系統設置”三個功能面板，分別實現恒溫過程具體參數設置及反饋、關注點溫度即時監測、系統通訊參數設置功能。程序具備分段恒溫控制功能，各段恒溫值及恒溫時間可自由設置。

圖5 軟件系統界面

3.1 智能儀表嵌入式腳本編程

采用Test Script Builder編程工具，開發自定義測試腳本，并下載到儀表中，存儲于其非易失性存儲器內，在儀器上實時運行，有效提高系統執行速度。Keithley 2461數字源表腳本編程實現功率控制量輸出，同時進行電壓電流值測量；Keithley 3706A數字多功能表腳本編程主要實現多通道溫度變量順序讀取及轉換。

3.1.1 Keithley 2461數字源表內置腳本主程序行

1)儀表設置：

smu.measure.func = smu.FUNC_DC_VOLTAGE

//設置測量變量

smu.source.func = smu.FUNC_DC_CURRENT

//設置輸出變量

smu.source.range=4

//設定源變量閾值

smu.measure.nplc=5

//設置讀數頻率

smu.source.vlimit.level = 20

//設置電壓閾值

smu.measure.displaydigits = smu.DIGITS_6_5

//設置數據精度

smu.measure.sense = smu.SENSE_4WIRE

//設置功率元件接線方式

smu.source.output = smu.ON

//打開輸出開關

2)功率控制:

KE2461CTP=buffer.make(500)

//開辟緩存

u0m=smu.measure.read(KE2461CTP)

i0m=KE2461CTP.sourcevalues[KE2461CTP.n]

//讀取緩存數據

if(w0s>=0) then i0s=math.abs(w0s/u0m)

if(w0s<0) then i0s=-( math.abs(w0s/u0m) )

//制冷/制熱功能判斷，計算輸出電流

if ( i0s>4 )then i0s=4

if ( i0s<-4 ) then i0s=-4

//源變量閾值判斷，超閾值操作

smu.source.level = i0s

//輸出源變量值

print(u0m,i0m,i0s)

//傳遞測量變量值

3.1.2 Keithley3706A數字多功能表內置腳本主程序行

dmm.func="temperature"

//設置測量功能

dmm.transducer=dmm.TEMP_FOURRTD

//設置傳感器類型

dmm.rtdalpha=0.00385055

dmm.rtdbeta=0.10863

dmm.rtddelta=1.4999

dmm.rtdzero=100

//設置傳感器轉換參數

dmm.offsetcompensation=dmm.ON

//打開自動補償

dmm.configure.set('RTD_PT100')

//定義設置名稱

scan.create('2001:2007','RTD_PT100')

//設置巡查信息

reading_buffer=dmm.makebuffer(200)

//讀取緩存

scan.scancount=1

//設置巡查次數

scan.execute(reading_buffer)

//執行巡查

printbuffer(1,7,reading_buffer)

//傳遞巡查數據

3.2 儀表通訊

基于TCP協議的Socket通信具有穩定可靠的優點[12-14]，采用TCP Socket編程技術按儀表提供的通訊接口規范進行通信。為每臺智能儀表建立一個TCP socket連接(TCP Server)，通過PC端(TCP Client)進行參數設置及數據采集。客戶端向服務器發送登錄信息(IP地址)，服務器接收到數據后校驗，一致則通訊鏈路建立成功。通訊建立后，進行智能儀表關鍵參數的初始化設置以及數據獲取進程。為每臺智能儀表分配一個通訊時鐘，用以設定其與PC客戶端的通訊及數據傳輸頻率。進一步，將通訊鏈路通斷及儀表初始參數設置同步關聯至通訊時鐘，即打開通訊時鐘，儀表與PC客戶端通訊鏈路即時建立，儀表收發數據關鍵參數按需設置，數據傳輸即時啟動。通訊時鐘可按需設置，時鐘周期在整個數據獲取過程中可調，即時生效。若數據獲取過程出現錯誤，提示故障信息并終止數據獲取進程。

3.3 溫度采集

Keithley3706A數字多功能表具備多個插槽，可與多款多路復用器兼容。選擇Keithley3724型插卡，結合軟件設計，實現總計10路溫度測量功能。將所選擇Pt100型鉑電阻溫度傳感器以適當形式固定在恒溫介質層，與環境之間采取適當隔離措施，以降低環境一側對溫度測量的影響。在四線制RTD測量的基礎上，激活儀表電阻偏移補償能力，以在低溫段獲得較高的測量精度。

溫度數據采集及傳輸貫穿整個通訊進程，在一個通訊周期內完成所有監測點位溫度數據的巡查獲取。PC客戶端以通訊時鐘為周期定時向溫度測量儀表發送數據巡查命令，儀表通過內置腳本程序執行巡查任務，取得數據后及時傳輸回PC客戶端，客戶端依據預設格式進行數據解析及數值有效性判斷，舍棄無用數據后即時進行作圖顯示及數據存儲。

3.4 功率輸出

PC客戶端的寫定功率值來自PID控制方法的計算輸出參數。通訊時鐘啟用后，服務器接收入口功率變量值后首先進行閾值判定，在預設閾值范圍內的功率值直接送入執行段，閾值范圍以外的功率值將被改寫成臨近閾值后送入執行段。高精度數字源表執行內置帶參數的TSP腳本，自動計算出口電流值并執行輸出，同時進行周期內回路實際電壓、電流以及設定電流的數據采集，取得數據后及時傳回PC客戶端，客戶端依據預設格式進行數據解析及數值有效性判斷，舍棄無用數據后即時進行作圖顯示及數據存儲。

3.5 PID控制方法

PID方法是一種具有幾十年應用經驗的控制算法，具有原理簡單、穩定性好、適應性強、無需了解被控對象的精確數學模型等優點[15-17]，在工業控制系統中已經得到了廣泛的應用[18-19]。

PID系統原理如圖6所示，系統主要由PID控制器和被控對象組成。比較被控對象的設定目標值r(t)與實際輸出值y(t)將產生控制偏差e(t)，作為一種線性控制器，PID控制器將偏差e(t)按比例(P)、積分(I)、微分(D)線性組合形成控制量u(t)。當被控系統變量的實際輸出值與目標設定值存在偏差，即e(t)≠0時，PID控制器依據設定好的控制參數計算輸出控制量u(t)，使被控對象的實際輸出值逐漸趨于設定值以達到穩定輸出的目的。

圖6 PID控制原理框圖

控制器的輸入輸出關系可描述為：

(1)

式中,e(t)=r(t)-y(t)，KP為比例增益，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數。

本系統利用LabWindows/CVI的PID工具包，采用單輸入單輸出控制結構，假設被控對象實際溫度為Tr，設定溫度為Ts，選擇實際溫度與設定溫度的偏差e(t)=Tr-Ts作為輸入量，以施加于半導體制冷器上的換熱功率P作為控制量。所采用PID控制流程如圖7所示，PID控制器獲取實時溫度測量值，與設定溫度值比較得到控制信號偏差值e(t)，調用PID控制算法，計算得到輸出控制量數值P。

圖7 PID控制過程流程圖

所研究受控對象恒溫層溫度滯后慣性較大，PID主要控制參數Kp、Ti、Td的選取是控制器設計的關鍵[20]。選擇試湊法進行PID參數整定：首先整定比例增益Kp，保證控制器對偏差信號的感應靈敏度；其次整定積分時間常數Ti，提高動態響應的平穩性；最后整定微分時間常數Td，預見偏差變化趨勢，超前控制，降低系統超調量，同時改善動態調節速度。

4 實驗結果與分析

4.1 實驗步驟及方法

采用標準曲線對系統進行刻度是量熱測量的基礎。量熱計常規運行條件為室溫大氣環境，為保證標準曲線的有效性，原則上制作標準曲線的刻度過程和樣品測試過程的環境溫度要保持一致。

為驗證所設計控溫系統的恒溫效果，選擇量熱計常規恒溫媒介之一—固態鋁錠作為控溫對象，在大氣室溫環境下進行控溫效果測試。鋁錠尺寸800 mm×400 mm×500 mm，內部中空，中空部分由2個圓柱體組成，圓形端面貼近鋁錠上部水平面，尺寸φ270 mm×420 mm，鋁錠總質量約300 kg。將6個Pt100型鉑電阻溫度傳感器分別布置于鋁錠外部結構的6個面，埋于相同深度(約3 mm)處，以指示鋁錠不同方位的溫度狀態。以其中一個點位的溫度作為控制變量，相應的溫度數值實時傳遞給PID控制器。同時，在量熱系統所處的環境中布置一同型溫度傳感器，以監測測試過程中的環境溫度變化。24只半導體制冷器(片)采用陣列式結構均勻分布于恒溫體各控溫表面。因所對應的量熱系統工作于室溫，單位測量時間約24 h，因此設定控溫溫度20 ℃，測試時長48 h，數據采集、更新及存儲周期均為2 s，以充分滿足量熱測試需求。

PID控制參數Kp、Ti、Td的選取是控制器設計的關鍵，對于某一確定的實物系統而言，PID控制器需根據被控過程的特性進行參數整定。實驗選擇試湊法通過如下步驟進行整定確定PID控制參數。

1) 連接好硬件線路后，首先只加入比例控制環節。逐步增大比例增益Kp，觀察系統的響應速度，直至得到足夠的感應靈敏度。此時系統可能產生一定范圍的超調，穩定性降低，出現震蕩甚至發散。如果響應速度及系統靜差都在可接受范圍內，則只采用純比例調節器即可。

2) 如果比例控制系統的靜差達不到設計要求，則加入積分作用。逐漸減小Ti，積分作用逐漸增強，系統靜差逐漸減小，直至消除。增加積分作用后，系統超調量可能會有所增加，此時可以兼顧系統穩定性及靜差消除速度，即適當增大Ti減弱積分作用，以及適當減小比例增益Kp，綜合作用，減少超調。

3) 采用比例積分控制，反復調整Kp、Ti，效果仍不理想時，可適當引入微分作用。逐漸增加Td，在偏差發生較大變化前超前輸出校正信號，觀察超調量和穩定性，不斷試湊，得到符合要求的控制參數。

進行PID參數整定時，不固定實驗時長，各組測試用時以能夠反饋系統調節效果為準。

4.2 結果分析

通過前述PID參數整定過程，經反復試驗，選取本系統適用的PID控制參數表1所示。

表1 PID控制參數表

動態時長試驗確定系統適用PID參數后，進行了長時間控溫效果檢測試驗。實驗時長48 h，結果如圖8所示。實驗設定控溫溫度20 ℃，從初始約22 ℃開始降溫。實驗開始PID控制器即開啟制冷器全速工作模式，將恒溫體熱量向環境轉移，給整個量熱系統制冷降溫。因鋁錠總體量較大，系統需要近500 min完成鋁錠初始熱量的轉運，進入到控溫精度內的穩定動態平衡狀態，且可以連續長時間運行且保持穩定。圖8顯示了實驗過程中位于控溫主體對象—量熱計恒溫體各個代表性點位的溫度數據變化，可以發現，部分監測點溫度傳感器示值與預設控制溫度存在持續性同向偏差，即部分監測點溫度在實驗過程中可以維持在一個穩定溫度值附近，該溫度值接近但同設定控溫溫度值存在恒定微小差異。究其原因，對于固態形式的恒溫介質，無法流動，熱交換能力差，導致熱量在恒溫體內無法十分均衡地傳遞及分布，使部分路徑存在持續性溫度梯度。無論在初始的快速熱量轉移階段，還是達到控溫精度內的動態平衡微調過程中，PID控制器對于系統各個部分采取完全同步及同策略的熱量調控措施，因而恒溫體各部分的持續性溫度梯度以及所顯現出來的溫度差異可以穩定保持。實際上，對于量熱系統而言，測量過程需要的是穩定的溫度環境，而非量值絕對一致及準確的溫度環境。因此，只要測量過程中所處環境溫度的穩定性可以保障，恒溫體各部分的持續性固定性的微小溫度差異是可以為量熱測量所接受的。

圖8 控溫過程溫度變化曲線

圖9顯示了實驗過程中，恒溫系統所處的環境溫度變化曲線，結合表2中恒溫過程中位于環境溫度中及布置于鋁錠各個方位的監測位點溫度數據，其中TMax代表測試過程中該點溫度的最高值，TMin代表測試過程中該點溫度的最低值，TSet即設定恒溫目標值20.0 ℃，可以看出，在所處環境溫度存在明顯波動(±2.5 ℃)的情況下，恒溫系統可以取得±0.2 ℃的控溫精度，滿足設計及使用要求。

圖9 測試過程環境溫度變化曲線

℃

上述精度結果總結于作用在固態恒溫介質的實驗結果之上，前已述及，因換熱介質的非流動性，對于固態恒溫對象的直接式控溫過程，換熱均勻性難以保障，經過恒溫系統調控的恒溫體各部分可能并非完全同步穩定在設定控溫溫度上，因而影響控溫精度測量結果。實際上，大部分恒溫系統的直接作用對象是具備流動能力的恒溫介質，對于固態介質的恒溫需求，也可通過引入流動性中間介質間接實現，在這些較為理想的應用場景下，本控溫系統應可實現更佳的控溫效果。

5 結束語

基于LabWindows/CVI虛擬儀器開發平臺，采用PID控制算法，開發了數字式恒溫控制系統軟件，具備溫度測量及功率輸出控制功能，可實現多段自動化精確控溫。以量熱測量典型恒溫介質鋁錠為對象進行了恒溫效果測試，結果顯示，該恒溫系統可獲得±0.2 ℃的控溫精度，符合預期設計目標。結合半導體制冷器作為熱量轉移元件，可方便拓展應用于多種控溫需求場景。