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      一種應(yīng)用于超聲破碎儀的恒溫控制裝置及控制方法與流程

      文檔序號(hào):11581573閱讀:830來源:國知局
      一種應(yīng)用于超聲破碎儀的恒溫控制裝置及控制方法與流程

      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)閥門的開度大小來控制冷卻水流量來實(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作為輸入語言變量,控制驅(qū)動(dòng)裝置的信號(hào)量u選作輸出語言變量。

      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},語言變量需選取7個(gè)語言值:

      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。

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