用于建立零温差温度场的位式调节算法和实时速率调节算法的温度控制软件的开发

郭美荣 张辉 张会元

摘要：为实现实验中所需要的绝热环境，在MCGS环境下开发了位式调节算法和实时速率调节算法的温度控制软件，设计了基于外侧人工环境的零温差温度场，完成了多种不同温度下的保温实验，得到了不同实验环境下两种控制算法的优缺点。

关键词：零温差温度场；温度控制；软件开发

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）07-0150-02

一、实验装置及程序开发环境

本实验的实验原理主要是通过MCGS下开发的温度控制程序来控制实验装置的外侧的温度，使其对装置内部的温度进行跟踪，通过多次反复实验得出在一定实验环境下的最优控制方法。

采用MCGS开发环境，在MCGS中，可以采用各种图形元素与动画来形象地对控制过程进行描述，实现了对控制过程的精确掌握。本温度控制软件主要由以下三部分组成：（1）温度控制软件的控制界面的开发。（2）温度控制软件与硬件的通讯过程。通用串口父设备是MCGS中从USB接口转RS485串口的过程。采用ModBus继电器设备，此设备采用ModBusRTU通讯协议，是上位机用于对内外加热开关进行控制的设备，它既可以实时返回继电器的通断状态，也可以实时控制继电器的通断状态。（3）温度控制软件的控制算法的开发。在完成了温度控制软件界面的开发以及软件与硬件的通讯过程后，接下来便是最核心的算法的开发与算法在程序中的实现过程。在本次实验中，共采用了2种控制算法，分别为：位式调节算法和实时速率调节算法。

二、位式调节算法

（一）位式调节算法原理

位式调节是温度控制中最基础且最简单的控制方法，它的原理是首先比较标准值与测定值的差，然后通过对差值的判断来控制加热开关，具体操作为：若它们的差为正值（即标准值—测定值>0），则打开加热开关，若它们的差为负值（即标准值—测定值<0），则关闭加热开关，从而实现对温度的基本控制过程。

（二）实验数据处理与结果分析

采用位式调节分别对20℃、30℃、40℃、50℃情况下进行保温实验，以及不同温度下的升温实验，实验结果如下。

1.采用位式调节在不同温度情况下进行保温实验。总体来说，在30℃、40℃、50℃情况下采用位式调节与室温下采用位式调节的控制效果总体上的走势是一样的，且实验稳定度逐步提高，不同的是从50℃开始，外部温度高于内部温度所占的比例已经小于了外部温度低于内部温度所占的比例，也就是说，从50℃开始，温度控制的上下偏差已经从偏上转为偏下，表明了在实验装置环境等不变的情况下，最佳控制温度是在40℃—50℃之间，即在40℃—50℃的范围内，必存在一个最佳温度，使得外部温度高于内部温度所占的比例等于外部温度低于内部温度所占的比例，此时的保温效果是最稳定的。若要得出这个最佳温度，可在40℃—50℃温度范围内重复进行上述的保温实验，通过不断逼近的方法来得出此最佳温度。

2.采用位式调节不同加热过程的实验结果。从室温（23.8℃）加热到30℃过程，最大误差为0.6℃，为实时温度的2.52%；从30℃加热到40℃过程最大误差为0.4℃，为实时温度的1.3%；从40℃加热到50℃过程，最大误差为0.5℃，为实时温度的1.01%。在以上加热的实验过程中，采用位式调节，控制效果不够理想，波动情况无法消除，需进一步改进。

三、实时速率调节算法

（一）实时速率调节算法原理

实时速率调节算法是一种通过对实时采集数据进行运算，从而得出实时的标准值与测定值之间的温差以及标准值与测定值各自相对于上一时刻的升温速率，然后通过当前时刻的温差与升温速率预测下一时刻的标准值的温度，再计算出欲使下一时刻的测定值达到标准值所需的加热时间，最后通过控制加热时间来使下一时刻的测定值达到标准值，从而实现温度的跟踪控制。

（二）实验数据处理与结果分析

采用实时速率调节分别对20℃、30℃、40℃、50℃情况下进行保温实验，以及不同温度下的升温实验，实验结果如下。

1.采用实时速率调节在不同温度下进行保温实验。温度变化速率在4.5℃/30分钟以内、误差要求在1.5%及以上的场合下可以采用实时速率调节的控制方法。

2.采用实时速率调节不同加热过程的实验结果。从室温到30℃最大误差为0.5℃，为实时温度的2.08%；从30℃到40℃最大误差为1.3℃，为实时温度的3.72%；40℃加热到50℃最大误差为0.6℃，为实时温度的1.21%。对于整个加热过程来说，控制精度不够，控制效果的波动情况无法消除，仍需要进一步改进。

四、结论

位式调节的主要缺点是响应迟钝、精度不高、波动较大，且采用位式调节的情况下，若要达到最佳控制效果，需要经过多次实验寻找最佳控制温度范圍与最佳加热功率相匹配。

实时速率调节的缺点有：由于实时速率调节只能通过上一次的温度的变化速率来预测下一次的温度，所以也具有滞后性，但内部温度波动较大，对下次温度的预测也会产生很大波动。因此，对于温度波动较大情况不适用。

相比于位式调节，实时速率调节对下次温度有一定的预测作用，而且可以通过实时改变加热速率来减小控制过程中的波动。

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