用于建立零溫差溫度場的位式調節算法和實時速率調節算法的溫度控制軟件的開發

郭美榮 張輝 張會元

摘要：為實現實驗中所需要的絕熱環境，在MCGS環境下開發了位式調節算法和實時速率調節算法的溫度控制軟件，設計了基于外側人工環境的零溫差溫度場，完成了多種不同溫度下的保溫實驗，得到了不同實驗環境下兩種控制算法的優缺點。

關鍵詞：零溫差溫度場；溫度控制；軟件開發

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）07-0150-02

一、實驗裝置及程序開發環境

本實驗的實驗原理主要是通過MCGS下開發的溫度控制程序來控制實驗裝置的外側的溫度，使其對裝置內部的溫度進行跟蹤，通過多次反復實驗得出在一定實驗環境下的最優控制方法。

采用MCGS開發環境，在MCGS中，可以采用各種圖形元素與動畫來形象地對控制過程進行描述，實現了對控制過程的精確掌握。本溫度控制軟件主要由以下三部分組成：（1）溫度控制軟件的控制界面的開發。（2）溫度控制軟件與硬件的通訊過程。通用串口父設備是MCGS中從USB接口轉RS485串口的過程。采用ModBus繼電器設備，此設備采用ModBusRTU通訊協議，是上位機用于對內外加熱開關進行控制的設備，它既可以實時返回繼電器的通斷狀態，也可以實時控制繼電器的通斷狀態。（3）溫度控制軟件的控制算法的開發。在完成了溫度控制軟件界面的開發以及軟件與硬件的通訊過程后，接下來便是最核心的算法的開發與算法在程序中的實現過程。在本次實驗中，共采用了2種控制算法，分別為：位式調節算法和實時速率調節算法。

二、位式調節算法

（一）位式調節算法原理

位式調節是溫度控制中最基礎且最簡單的控制方法，它的原理是首先比較標準值與測定值的差，然后通過對差值的判斷來控制加熱開關，具體操作為：若它們的差為正值（即標準值—測定值>0），則打開加熱開關，若它們的差為負值（即標準值—測定值<0），則關閉加熱開關，從而實現對溫度的基本控制過程。

（二）實驗數據處理與結果分析

采用位式調節分別對20℃、30℃、40℃、50℃情況下進行保溫實驗，以及不同溫度下的升溫實驗，實驗結果如下。

1.采用位式調節在不同溫度情況下進行保溫實驗。總體來說，在30℃、40℃、50℃情況下采用位式調節與室溫下采用位式調節的控制效果總體上的走勢是一樣的，且實驗穩定度逐步提高，不同的是從50℃開始，外部溫度高于內部溫度所占的比例已經小于了外部溫度低于內部溫度所占的比例，也就是說，從50℃開始，溫度控制的上下偏差已經從偏上轉為偏下，表明了在實驗裝置環境等不變的情況下，最佳控制溫度是在40℃—50℃之間，即在40℃—50℃的范圍內，必存在一個最佳溫度，使得外部溫度高于內部溫度所占的比例等于外部溫度低于內部溫度所占的比例，此時的保溫效果是最穩定的。若要得出這個最佳溫度，可在40℃—50℃溫度范圍內重復進行上述的保溫實驗，通過不斷逼近的方法來得出此最佳溫度。

2.采用位式調節不同加熱過程的實驗結果。從室溫（23.8℃）加熱到30℃過程，最大誤差為0.6℃，為實時溫度的2.52%；從30℃加熱到40℃過程最大誤差為0.4℃，為實時溫度的1.3%；從40℃加熱到50℃過程，最大誤差為0.5℃，為實時溫度的1.01%。在以上加熱的實驗過程中，采用位式調節，控制效果不夠理想，波動情況無法消除，需進一步改進。

三、實時速率調節算法

（一）實時速率調節算法原理

實時速率調節算法是一種通過對實時采集數據進行運算，從而得出實時的標準值與測定值之間的溫差以及標準值與測定值各自相對于上一時刻的升溫速率，然后通過當前時刻的溫差與升溫速率預測下一時刻的標準值的溫度，再計算出欲使下一時刻的測定值達到標準值所需的加熱時間，最后通過控制加熱時間來使下一時刻的測定值達到標準值，從而實現溫度的跟蹤控制。

（二）實驗數據處理與結果分析

采用實時速率調節分別對20℃、30℃、40℃、50℃情況下進行保溫實驗，以及不同溫度下的升溫實驗，實驗結果如下。

1.采用實時速率調節在不同溫度下進行保溫實驗。溫度變化速率在4.5℃/30分鐘以內、誤差要求在1.5%及以上的場合下可以采用實時速率調節的控制方法。

2.采用實時速率調節不同加熱過程的實驗結果。從室溫到30℃最大誤差為0.5℃，為實時溫度的2.08%；從30℃到40℃最大誤差為1.3℃，為實時溫度的3.72%；40℃加熱到50℃最大誤差為0.6℃，為實時溫度的1.21%。對于整個加熱過程來說，控制精度不夠，控制效果的波動情況無法消除，仍需要進一步改進。

四、結論

位式調節的主要缺點是響應遲鈍、精度不高、波動較大，且采用位式調節的情況下，若要達到最佳控制效果，需要經過多次實驗尋找最佳控制溫度范圍與最佳加熱功率相匹配。

實時速率調節的缺點有：由于實時速率調節只能通過上一次的溫度的變化速率來預測下一次的溫度，所以也具有滯后性，但內部溫度波動較大，對下次溫度的預測也會產生很大波動。因此，對于溫度波動較大情況不適用。

相比于位式調節，實時速率調節對下次溫度有一定的預測作用，而且可以通過實時改變加熱速率來減小控制過程中的波動。

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