本實用新型屬于電加熱技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于PID控制的黑體熱源系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)工藝技術(shù)的發(fā)展，對設(shè)備工藝參數(shù)的精確度要求越來越嚴(yán)格，尤其是對溫度的控制，溫度的控制不僅直接影響著產(chǎn)品的工藝質(zhì)量，而且關(guān)系到設(shè)備能否安全有效的運行和人員的生命財產(chǎn)安全。目前鐵路列檢作業(yè)的軸溫檢查自動化是通過紅外線軸溫探測系統(tǒng)來實現(xiàn)的，紅外線軸溫探測系統(tǒng)是確保鐵路車輛安全運行的重要設(shè)備，該系統(tǒng)的測驗是由專用紅外線檢測車定期(月，季、半年等)巡檢檢定，而在平常對紅外線軸溫探測設(shè)備進行日、周檢中，系統(tǒng)工作是否保證準(zhǔn)確，關(guān)鍵的問題是標(biāo)準(zhǔn)溫度源，要做好對設(shè)備進行校驗，就需要一種攜帶方便、不受環(huán)境影響的標(biāo)準(zhǔn)溫度標(biāo)定源，使之可經(jīng)常性地對紅外軸溫探測系統(tǒng)進行測校，使系統(tǒng)保持準(zhǔn)確運行，并與紅外線檢測車的標(biāo)準(zhǔn)溫度源相匹配。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本實用新型的目的是：為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的以上問題，本實用新型提出了一種基于PID控制的黑體熱源系統(tǒng)。
本實用新型的技術(shù)方案是：一種基于PID控制的黑體熱源系統(tǒng)，包括：
發(fā)熱子系統(tǒng)，用于將電能轉(zhuǎn)換為熱能，產(chǎn)生設(shè)置的目標(biāo)溫度；所述發(fā)熱子系統(tǒng)包括底座、發(fā)熱體及發(fā)熱膜；所述發(fā)熱體及發(fā)熱膜用于將電能轉(zhuǎn)換為熱能，構(gòu)成發(fā)熱結(jié)構(gòu)；所述底座用于固定發(fā)熱結(jié)構(gòu)；
控制子系統(tǒng)，用于采用PID控制方法對發(fā)熱子系統(tǒng)的溫度進行控制；所述控制子系統(tǒng)包括微處理單元、溫度檢測單元、溫度控制單元及人機交互單元，所述微處理單元分別與溫度檢測單元、溫度控制單元及人機交互單元連接；所述微處理單元用于接收溫度檢測單元和人機交互單元發(fā)送的數(shù)據(jù)并采用PID控制方法進行處理，再根據(jù)處理結(jié)果發(fā)送控制信號至溫度控制單元；所述溫度檢測單元用于實時采集發(fā)熱體的溫度數(shù)據(jù)，并將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至微處理單元；所述溫度控制單元用于根據(jù)微處理單元發(fā)送的控制信號對發(fā)熱體的溫度進行控制；所述人機交互單元輸入外部指令對加熱目標(biāo)溫度進行設(shè)置。
進一步地，所述發(fā)熱子系統(tǒng)還包括隔熱棉及蓋板；所述隔熱棉用于將發(fā)熱膜進行隔離；所述蓋板用于與底座形成封閉結(jié)構(gòu)；所述發(fā)熱體、發(fā)熱膜和隔熱棉由下及上依次設(shè)置于底座內(nèi)腔中。
進一步地，所述發(fā)熱子系統(tǒng)通過隔板與控制子系統(tǒng)連接。
進一步地，所述控制子系統(tǒng)還包括與微處理單元連接的顯示單元；所述顯示單元用于實時顯示人機交互單元設(shè)置的加熱溫度，以及溫度檢測單元實時采集的發(fā)熱體的溫度數(shù)據(jù)。
進一步地，所述控制子系統(tǒng)還包括電源單元和電池單元；所述電源單元用于分別向微處理單元、溫度檢測單元、溫度控制單元、人機交互單元及顯示單元供電；所述電池單元用于存儲電能。
進一步地，所述控制子系統(tǒng)還包括與微處理單元連接的電源管理單元；所述電源管理單元用于控制控制子系統(tǒng)的通斷電。
進一步地，所述控制子系統(tǒng)還包括與微處理單元連接的電池電量檢測單元；所述電池電量檢測單元用于實時檢測電池單元的存儲電量數(shù)據(jù)，并發(fā)送至微處理單元。
進一步地，所述控制子系統(tǒng)還包括與微處理單元連接的電池充電管理單元；所述電池充電管理單元用于對電池單元進行充電。
進一步地，所述控制子系統(tǒng)還包括與微處理單元連接的電池溫度檢測單元；所述電池溫度檢測單元用于實時采集電池單元的溫度數(shù)據(jù)，并發(fā)送至微處理單元。
進一步地，所述PID控制方法的控制模型具體為：
u(k)＝Kpe(k)+KIe(i)+KD[e(k)-e(k-1)]
其中，Kp為比例調(diào)節(jié)系數(shù)，KI為積分時間常數(shù)，KD設(shè)置為0。
本實用新型的有益效果是：本實用新型的基于PID控制的黑體熱源系統(tǒng)利用人機交互單元設(shè)置發(fā)熱體的目標(biāo)溫度，再通過溫度檢測單元實時檢測發(fā)熱體的溫度，并利用微處理單元根據(jù)發(fā)熱體的溫度采用PID控制方法進行處理，最后利用溫度控制單元對發(fā)熱體的溫度進行控制，從而提供標(biāo)準(zhǔn)的溫度標(biāo)定，結(jié)構(gòu)簡單、攜帶方便，無需添加額外的散熱裝置對溫度進行控制，加熱效率及精度得到了極大的高，并且不受環(huán)境影響。
附圖說明
圖1是本實用新型的基于PID控制的黑體熱源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。
如圖1所示，為本實用新型的基于PID控制的黑體熱源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。一種基于PID控制的黑體熱源系統(tǒng)，包括：
發(fā)熱子系統(tǒng)，用于將電能轉(zhuǎn)換為熱能，產(chǎn)生設(shè)置的目標(biāo)溫度；所述發(fā)熱子系統(tǒng)包括底座、發(fā)熱體及發(fā)熱膜；所述發(fā)熱體及發(fā)熱膜用于將電能轉(zhuǎn)換為熱能，構(gòu)成發(fā)熱結(jié)構(gòu)；所述底座用于固定發(fā)熱結(jié)構(gòu)；
控制子系統(tǒng)，用于采用PID控制方法對發(fā)熱子系統(tǒng)的溫度進行控制；所述控制子系統(tǒng)包括微處理單元、溫度檢測單元、溫度控制單元及人機交互單元，所述微處理單元分別與溫度檢測單元、溫度控制單元及人機交互單元連接；所述微處理單元用于接收溫度檢測單元和人機交互單元發(fā)送的數(shù)據(jù)并采用PID控制方法進行處理，再根據(jù)處理結(jié)果發(fā)送控制信號至溫度控制單元；所述溫度檢測單元用于實時采集發(fā)熱體的溫度數(shù)據(jù)，并將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至微處理單元；所述溫度控制單元用于根據(jù)微處理單元發(fā)送的控制信號對發(fā)熱體的溫度進行控制；所述人機交互單元輸入外部指令對加熱目標(biāo)溫度進行設(shè)置。
本實用新型的發(fā)熱子系統(tǒng)采用發(fā)熱體和發(fā)熱膜共同構(gòu)成發(fā)熱結(jié)構(gòu)；底座包括底板和四周側(cè)壁，形成凹槽結(jié)構(gòu)，底板中部設(shè)有通孔；本實用新型的發(fā)熱體和發(fā)熱膜構(gòu)成的發(fā)熱結(jié)構(gòu)固定安裝在底座的凹槽內(nèi)；為了避免發(fā)熱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的熱量對本實用新型的器件造成損壞，本實用新型的發(fā)熱子系統(tǒng)還包括隔熱棉；所述隔熱棉設(shè)置在發(fā)熱膜表面，用于將發(fā)熱膜進行隔離；進一步地，為了將發(fā)熱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的熱量進行隔離，本實用新型還包括蓋板；所述蓋板與底板的四周側(cè)壁進行扣合，用于與底座形成封閉結(jié)構(gòu)；所述發(fā)熱體、發(fā)熱膜和隔熱棉由下及上依次設(shè)置于底座內(nèi)腔中。
本實用新型的控制子系統(tǒng)用于采用PID控制方法對發(fā)熱子系統(tǒng)的溫度進行控制，該功能采用設(shè)置在電路板上的控制電路實現(xiàn)。本實用新型的控制子系統(tǒng)與發(fā)熱子系統(tǒng)通過隔板固定連接。本實用新型的控制子系統(tǒng)包括微處理單元、溫度檢測單元、溫度控制單元及人機交互單元。
本實用新型的微處理單元用于接收溫度檢測單元和人機交互單元發(fā)送的數(shù)據(jù)并采用PID控制方法進行處理，再根據(jù)處理結(jié)果發(fā)送控制信號至溫度控制單元，該功能的實現(xiàn)可以采用32位STM32F103RCT6單片機，或其他如DSP單元等數(shù)據(jù)處理芯片。微處理單元分別設(shè)置有MCU時鐘信號接口、微處理復(fù)位信號接口、加熱電壓采集信號接口、電池電壓采集信號接口、電池溫度采集信號接口、環(huán)境溫度采集信號接口、開關(guān)機檢測終端輸入信號接口、電池正在充電標(biāo)記信號接口、電池完成充電標(biāo)記信號接口、工作模式設(shè)置信號接口、加熱PWM信號接口、顯示控制信號接口、電池充電選擇信號接口、電池高溫停止充電信號接口、軟件關(guān)機信號接口、程序狀態(tài)指示燈信號接口、232串口信號接口、按鍵輸入信號接口、黑體溫度采集信號接口。
本實用新型中的PID控制方法的控制模型具體為：
u(k)＝Kpe(k)+KIe(i)+KD[e(k)-e(k-1)]
其中，Kp為比例調(diào)節(jié)系數(shù)，KI為積分時間常數(shù)，KD設(shè)置為0。
比例調(diào)節(jié)系數(shù)Kp的設(shè)置方法具體為：首先去掉PID控制模型的積分項和微分項，即令KI＝0、KD＝0，使PID控制方法為純比例調(diào)節(jié)；輸入比例調(diào)節(jié)系數(shù)設(shè)定為系統(tǒng)允許的最大值的60％～70％，由0逐漸加大比例調(diào)節(jié)系數(shù)Kp，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過來，從此時的比例調(diào)節(jié)系數(shù)Kp逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時的比例調(diào)節(jié)系數(shù)Kp，設(shè)定PID控制方法的比例調(diào)節(jié)系數(shù)Kp為記錄的當(dāng)前值的60％～70％，從而完成比例調(diào)節(jié)系數(shù)Kp調(diào)試。由于本實用新型采用自然散熱方式，因此采用的比例調(diào)節(jié)系數(shù)Kp選擇較小的參數(shù)，設(shè)置比例調(diào)節(jié)系數(shù)Kp的值為5。
積分時間常數(shù)KI的設(shè)置方法具體為：確定比例調(diào)節(jié)系數(shù)Kp后，設(shè)定一個較大的積分時間常數(shù)KI的初值，然后逐漸減小積分時間常數(shù)KI，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；之后在反過來，逐漸加大積分時間常數(shù)KI，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時的積分時間常數(shù)KI，設(shè)定PID控制方法的積分時間常數(shù)KI為當(dāng)前值的150％～180％，完成積分時間常數(shù)KI調(diào)試。設(shè)置積分時間常數(shù)KI為0.00596753457。
本實用新型的溫度檢測單元用于實時采集發(fā)熱體的溫度數(shù)據(jù)，該功能的實現(xiàn)可以采用溫度傳感器和溫度采集電路實現(xiàn)；溫度傳感器設(shè)置在發(fā)熱體內(nèi)部，其通過導(dǎo)線與溫度采集電路連接。溫度采集電路與微處理單元的環(huán)境溫度采集信號接口連接。
本實用新型的溫度控制單元用于根據(jù)微處理單元發(fā)送的控制信號對發(fā)熱體的溫度進行控制，該功能的實現(xiàn)可以采用IRF9310PBF-1芯片及溫度控制電路實現(xiàn)。溫度控制電路與微處理單元的加熱PWM信號接口連接。
本實用新型的人機交互單元輸用于入外部指令對加熱溫度進行設(shè)置，該功能的實現(xiàn)可以采用按鍵和按鍵電路。按鍵包括增加鍵、減少鍵和移位鍵。按鍵電路與微處理單元的按鍵輸入信號接口連接。
本實用新型的控制子系統(tǒng)還包括與微處理單元連接的顯示單元；所述顯示單元用于實時顯示人機交互單元設(shè)置的加熱溫度，以及溫度檢測單元實時采集的發(fā)熱體的溫度數(shù)據(jù)。顯示單元與微處理單元的顯示控制信號接口連接。
本實用新型的控制子系統(tǒng)還包括電源單元和電池單元；所述電源單元用于分別向微處理單元、溫度檢測單元、溫度控制單元、人機交互單元及顯示單元供電；所述電池單元用于存儲電能，該功能的實現(xiàn)可以采用鋰電池實現(xiàn)。
本實用新型的控制子系統(tǒng)還包括與微處理單元連接的電源管理單元；所述電源管理單元用于控制控制子系統(tǒng)的通斷電，該功能的實現(xiàn)可以采用LTC2954ITS8-2芯片和按鍵開關(guān)機電路。電源管理單元通過UPB接口與微處理單元連接，具體為通過UPB接口與微處理單元的軟件關(guān)機信號接口、加熱PWM信號接口、電池高溫停止充電信號接口、開關(guān)機檢測終端輸入信號接口、電池正在充電標(biāo)記信號接口、電池電壓采集信號接口、電池充電選擇信號接口、電池完成充電標(biāo)記信號接口、按鍵輸入信號接口、加熱電壓采集信號接口、電池溫度采集信號接口連接。
本實用新型的控制子系統(tǒng)還包括與微處理單元連接的電池電量檢測單元；所述電池電量檢測單元用于實時檢測電池單元的存儲電量數(shù)據(jù)，并發(fā)送至微處理單元。
本實用新型的控制子系統(tǒng)還包括與微處理單元連接的電池充電管理單元；所述電池充電管理單元用于對電池單元進行充電，該功能的實現(xiàn)可以采用CN3702芯片和充電電路。CN3702芯片分別與微處理單元的電池正在充電標(biāo)記信號接口、電池完成充電標(biāo)記信號接口、電池高溫停止充電信號接口、電池溫度采集信號接口、電池充電選擇信號接口連接。
本實用新型的控制子系統(tǒng)還包括與微處理單元連接的電池溫度檢測單元；所述電池溫度檢測單元用于實時采集電池單元的溫度數(shù)據(jù)，并發(fā)送至微處理單元，該功能的實現(xiàn)可以采用溫度傳感器和采集電路實現(xiàn)。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本實用新型的原理，應(yīng)被理解為本實用新型的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本實用新型公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本實用新型實質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本實用新型的保護范圍內(nèi)。