半导体制冷温度控制算法的实验研究

2010年第1期　　　　　　　　　　　　　　　工业仪表与自动化装置

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半导体制冷温度控制算法的实验研究

刘　昆,符影杰,洪俊明

(东南大学自动化学院,南京210096)

摘要:在以ARM7为核心的半导体制冷控制器的基础上,研究了半导体制冷温度控制的方法,

采用PID算法和模型偏差补偿算法完成了半导体制冷温度控制实验,通过比较实验结果,分析两种算法的实际控制效果,实现了半导体制冷的较高精度温度控制。

关键词:半导体制冷;模型偏差补偿;PID;温度控制中图分类号:TP13　　文献标志码:A　　文章编号:-0055-03

Experimentresearchoftemgsembeddedintellitccooling

FJunming

ofASoutheastUniversity,Nanjing210096,China)

Abstract:oncontrollerforthermoelectriccoolingwiththecentralpartconsis2tingofanARM7micro-controllerLPC2220,thepaperappliesPIDandmodeldeviationcompen2sationalgorithms.Theactualresultsarecomparedandanalyzedthroughtheexperimentsinthispaper,inwhichsolvestheproblemofthecontroleffectisnotsatisfying,whichresultsfromthevariationofplantmodelduringtheprocedureofsemiconductorrefrigeration.

Keywords:thermoelectriccooling;modeldeviationcompensation;PID;temperaturecontrol

0　引言

与压缩式制冷机相比,半导体制冷器具有以下[1]

优点:

(1)结构简单,整个制冷器由热电堆和导线组成,没有运动部件,无噪音,无磨损,寿命长,可靠性高;

(2)制冷速度快,控制灵活;

(3)体积小,重量轻,维修方便,可以任何姿势工作;

(4)操作有可逆性,把工作电流反向后即成为加热器,加热效率大于1;

(5)不使用制冷剂,故无泄漏,对环境无污染。半导体制冷因其具有独特的优点而得到了较广泛的应用。在发达国家,它已用于汽车(或手提式)冰箱、白内障冷冻摘除器、核潜艇空调器、红外制导

空对空导弹的红外探测器探头冷却器、照相显影液恒温冷却器、宇航员及坦克乘员的空调服等方面。

该文针对建筑材料保温性能测试的应用需求,研制开发了温度智能控制器,用于控制半导体制冷过程工作端温度,并在此基础上采用PID算法和模型偏差补偿算法完成了冷侧温度控制实验,通过比较实验结果,分析两种算法的实际控制效果。

1　测试装置与测试方法

测试装置由加热源、一个热流传感器、一块试件和冷却单元组成,如图1所示

。

热流传感器紧贴

着冷却单元的下侧,冷却单元要与试件紧贴,可以降低环境温度对控制精度的影响。散热片采用风

图1　测试装置布置图

收稿日期:2009-05-18

作者简介:刘　昆(1984),男,江苏泰兴人,硕士,研究方向为检测技术与自动化装置。

扇,用于对制冷片热端进行散热。半导体制冷片规格:型号为TEC1-12706T125;最大温差电流为6.0A;最大温差(产冷功率为0W)为65℃;最大工作

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电压为15.4V;最大产冷功率(冷热端温差为0℃)为51.4W;尺寸为40mm×40mm×4.1mm。

在实际的制冷过程中,制冷片工作电流最大为5A,以保证制冷效率。而电路中的达林顿管TIP122恰能提供最大5A的集电极电流,满足了制冷片的工作需求。

测试方法:热流传感器采用T型热电偶,并采用DS18B20进行冷端补偿。

2　硬件结构

半导体制冷智能控制仪的硬件电路主要由核心系统电路、前向通道电路、后向通道电路、键盘显示电路及其他功能接口电路组成,其硬件结构如图2所示

。

图3　PWM控制电路

3　控制算法的实现

,PID算法和模型偏差4

图4　控制系统方框图

图2　智能控制仪表硬件结构框图

控制器的CPU使用32位ARM处理器

LPC2220,CPLD选用XILINX公司的XC95144;为了提高系统的精度,采样的速率不能太低,选用AD公司的16位A/D转换器AD7705;人机接口部分主要是LCD和键盘接口,根据智能仪表显示图形的需求,选用了分辨率为320×240的液晶模块,它以EPSON公司生产的SED1330作为液晶控制器,为了节省I/O口,键盘输入采用74HC165并入串出移位寄存器。

限于篇幅,下面仅对PWM控制电路进行详细介绍(见图3)。

半导体制冷片冷端的工作温度的控制采用

[2]

LPC2220芯片自带的PWM功能,通过光耦控制达林顿管TIP122的通断,以达到对制冷片输入电压的控制,进而控制了其冷端的工作温度。其中OUT_1+与OUT_1-分别接在半导体制冷片的输入端线上。4700μF的电容对制冷片的输入电压进行平

[3]

滑,使得纹波系数小于10%,以保证制冷工况。

控制器将测量得到的半导体制冷片冷端温度与设定值比较,得到偏差值,然后利用控制算法计算出PWM单元的占空比,进而转换为制冷片输入电压。3.1　PID算法的实现

[4]

采用数字增量式PID算法,其算式如下:

Δu=u(k)-u(k-1)

=Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+

(3)Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

其中:e(k)为测量值和给定值之差;Kp为比例系数;Ki为积分系数;Kd为微分系数。3.2　模型偏差补偿算法的实现　　系统需要一种能忽略被控对象模型一定范围内变化的控制算法,而这可以通过变结构控制来实现。变结构控制有两种基本形式:其一是变结构控制,通过改变系统的结构以适应不同的情况,改变后的结构通常能保持一段时间;其二是滑模控制,通常是先指定一条具有期望动态性能的滑动线,然后根据滑动误差S和系统的状态信息改变控制量值,迫使系统沿滑动线运动,从而使控制系统不依赖于被控对象的模型,表现出较强的鲁棒性。由于被控对象的模型是随着控制量的变化而变化,这就使得采用滑模控制策略比变结构控制更适合于这类对象。

[5]

模型偏差补偿控制规律为:

(4)u(k)=ueq(k)+us(k)+um(k)

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其中,ueq(k)是等价控制,us(k)是状态误差修正项,um(k)是模型偏差补偿项。

(n)(n-1)

u(k)=x(k)+ce+…+ce -^f(5)

eq

d

1n-1

其中,e=xd-x,xd(k)为期望轨迹,ci可按期望的动态性能选取,^f为f的预估函数。

us(k)=kps(k)=s(k)/T

(6)

入调节过程。从实验结果看,PID控制与模型偏差

补偿控制都有很强的抑制扰动的能力,都能在有限时间内将输出量控制到设定值。从另一个角度看,无论是PID控制还是模型偏差补偿控制,它们都是基于偏差的补偿,在基本的控制思想上是一致的,并

[5]

且它们之间是有联系的。

其中,kp是状态误差修正项的增益,s(k)是滑动误差,T是采样周期。

^(k)δum(k)=um(k-1)+Δ=um(k-1)+s(k)/T

(7)

a　PI　模型偏差补偿控制曲线

其中,δ=^f-f表示由参数不确定、结构不确定以及

干扰等产生的未建模动态的等效量,δ^为δ的估计。

抗扰动实验曲线

4　测试结果分析及比较

4.1　实际结果

,相同目标温度下,整定,使得上升时间基本一致,进而比较其他性能指标。实际控制曲线如图5所示(从仪表液晶屏上拍摄的图片)

。

制冷片由开关电源提供电流,通过改变开关电源的输出电压,可以改变被控对象的模型,即改变被控对象的开环增益。实验分别在两种算法控制下系统进入稳态后进行,将开关电源输出电压改变一定量(从12.01V变化到14.15V),然后观察温度曲线的变化,进而比较两种算法的鲁棒性。实验曲线如图7所示

。

　　a　PID控制曲线b　模型偏差补偿控制曲线

图5　实际控制曲线

　a　PID控制曲线b　模型偏差补偿控制曲线

图中横坐标为时间值(1大格约为30s),后面出现的实际曲线图中标度的意义与此处相同。从控制曲线图可知,PID控制的实际曲线并没有像仿真实验时那么理想,存在较大的超调量,调整时间较长。而模型偏差补偿控制的实际曲线几乎没有超调量,且调整时间较短,稳态性能也较为理想。4.2　抗干扰能力　　制冷片冷端温度易受热端热传递、空间热辐射及冷板热传递等诸多因素的影响。因此有必要验证控制算法的抗干扰能力。实验在区域温度进入稳态后进行,通过在制冷片冷端用热源加热一段时间后撤除,观察温度曲线的变化,进而比较两种控制算法的抗干扰能力。实验曲线如图6所示。　　图中箭头所指为施加扰动的时刻,可以看到扰动使得区域温度有所抬升,扰动撤除后区域温度进

图7　鲁棒性实验曲线

图中箭头所指为开关电源输出电压变化的时

刻,左图为液晶刷新显示后区域温度进入稳态的实验曲线。需要说明的是,PID控制的调节时间较长,而液晶屏的宽度有限,不能一屏显示整个动态过程,两图均是在液晶刷新显示后的稳态曲线。从实验结果看,当被控对象模型发生改变时,PID控制需要经过较长时间的调整,才能重新达到稳态,且调整过程中输出量受被控对象模型变化的影响较大。而被控对象模型的改变对模型偏差补偿控制的输出量几乎没有影响,控制器呈现出较强的鲁棒性。

5　结束语

该文介绍了基于ARM7和μC/OS-II实时操

(下转第80页)

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从表中可以看出改变压力的输入对流量没有多大影响。同样改变流量输入对压力影响也不大,从而得知解耦效果较好。但是由于只用P调节且比例系数KP=1,故系统静差较大,响应过程较慢。

较满意的效果。

3　设计实现

系统可以用控制领域里组态软件进行编程实现

,如图7所示。

2　校正装置设计

为了减小系统的静态误差,改善系统质量指标,达到较满意的效果,这里用PI校正,经过多次调试,取比例系数Kp=8,积分系数KI=9效果较好,其Simulink仿真如图5所示

。

图5　PI校正后压力、　　

图7　计算机解耦控制实验装置框图

4　结束语

随着计算机的应用发展,解耦控制理论受到了

越来越广泛的重视和应用,通过解耦控制算法的仿真实验可以看出,解耦控制法适应性强,稳定性好,对多个输入-输出系统有较好的解耦控制作用。

将解耦控制算法用于化工配料系统中压力、流量解耦控制得到了良好的效果,但是解耦算法还存在一定的局限性,为了能够自调整和寻优控制,要进一步采用模糊控制算法,控制效果会更好。

参考文献:

[1]　尹绍清.过程计算机控制系统[M].西安:西北工业大

b　流量仿真图

a　压力仿真图

学出版社,1989.

[2]　郭锁凤.计算机控制系统———设计与实现[M].北京:

图6　仿真响应曲线图

航空工业出版社,1996.

[3]　刘晨辉.多变量过程控制系统解耦理论[M].北京:水

校正后的最终仿真曲线读出压力:ts=2s,δ%

=0,ess=0;流量:ts=2.5s,δ%=0,ess=0,达到了比(上接第57页)

利电力出版社,1984.

械工业出版社,2003.

[2]　Philips公司.LPC2210/2220UserManual[Z].Philips

作系统的半导体控制器,并采用PID算法和模型偏差补偿算法完成了冷侧温度控制实验,通过比较实验结果,分析两种算法的实际控制效果,得出模型偏差补偿控制更适合于半导体制冷温度控制。这对于模型偏差补偿算法应用领域扩展有着积极的意义。

参考文献:

[1]　陈国邦.最新低温制冷技术[M].(第2版).北京:机

公司,2005

[3]　陶瓷平板型半导体致冷器件参数[Z].香河华北致冷

设备有限公司.

[4]　方康玲,王新民,刘彦春.过程控制系统[M].武汉:武

汉理工大学出版社,2002.

[5]　叶　桦,冯纯伯.一类时变非线性系统的模型偏差补

偿控制[J].信息与控制,1991,(5):33-37.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ba51.html