一种基于低温恒温槽的智能化恒温控制方法

本发明涉及恒温控制与电子自动化控制的，特别涉及一种基于低温恒温槽的智能化恒温控制方法。

背景技术：

1、随着科学的发展，计量领域、生化研究以及材料科学的研究对恒温环境的精度要求越来越高。现有的恒温控制方法主要使用传统的pid控制方法，存在超调量大，控温时间过长等问题，同时难以建立精确数学模型的工业生产过程，控制精度常常不能满足高精度时变系统的控制精度和稳定性要求。大大影响了科学实验的开展。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种基于低温恒温槽的智能化恒温控制方法，解决了水体恒温的智能控制问题，提高了温度控制速度，提升温度控制精度，满足了高精度快速恒温控制的要求。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种基于低温恒温槽的智能化恒温控制方法，包括：

2、s1、通过供电电路提供电源；

3、s2、将四个pt1000铂电阻放入待控制液体的四个角，通过模数转换器测量不同的测温点，通过微控制器对模数转换器采集到的四个高精度电压数据进行数学转换，获取待控制液体的四个点实时温度；

4、s3、通过温度控制装置与基于遗传算法的pid算法进行温度控制，并采集大量恒温控制中随时间变化的数据集；

5、s4、基于深度学习，通过数据集构建基于卷积神经网络和门控循环单元的温度控制预测模型，加入到pid控制环节；

6、s5、通过微控制器进行数据显示和上传。

7、优选的，步骤s2中每个pt1000铂电阻以三线制接入平衡电桥，平衡电桥信号连接有差分运算放大器，差分运算放大器信号连接有模数转换器，模数转换器信号连接有微控制器。

8、优选的，步骤s2具体包括以下步骤：

9、s21、将四个pt1000铂电阻放入待控制液体的四个角，并将每个pt1000铂电阻以三线制接入电桥；

10、s22、采集平衡电桥变化的差分电压，并通过运放差分放大，最后输出到高精度的模数转换器；

11、s23、微控制器再对模数转换器采集到的四个高精度电压数据进行数学转换，从而得到四个点的高精度实时温度。

12、优选的，步骤s3中在微控制器中得到的为模数转换器的转换值outputcode，该转换值与温度存在着一个等式关系，用x表示outputcode，可得公式(1)：

13、

14、使用此公式得到一个测温点的温度数据，其中a、b、c、d都为常数，t为测温点的温度；

15、通过四个测温点构建数学模型并根据该数学模型：

16、

17、计算得到最终温度，tall为最终温度；zn为第n个测温点的权重，通过实际温场的情况，调整并校准四个zn的值。an、bn、cn、dn分别代表第n个测温点温度公式中的常数参数；c是常数参数。

18、优选的，步骤s3中温度控制装置包括加热棒、盘绕在介质容器边缘的的铜盘管、压缩机及多个半导体制冷片，压缩机提供恒定功率的制冷功能，加热棒作为主要执行器，半导体作为辅助执行器进行更精确调控，由pid算法控制其功率，从而将温度恒定在所设定的值，微处理器通过pwm调节占空比调节加热棒和半导体制冷片的加热功率，微处理器通过pwm调节占空比调节加热棒和半导体制冷片的加热功率。

19、优选的，得到大量温度控制数据集，数据有五个维度，分别为设定温度、介质当前温度、环境温度、介质体积、介质种类，其中介质种类有水和油两种，每个数据点都有这五个维度，通过大量采集数据集，得到不同设定温度、不同环境温度、不同介质体积以及不同介质种类下的历史温度数据点，将大量的数据分为数据集和验证集进行训练，构建基于卷积神经网络和门控循环单元的温度控制预测模型，并最终加入到pid控制环节提高温度控制的速度和精确度。

20、优选的，平衡电桥包括三个定值电阻和一个热敏铂电阻，其中三个定值电阻都是1k欧姆；差分运算放大器放大倍数为20倍，且差分运算放大器包括两个20k欧姆阻、两个1k欧姆电阻与一个运放。

21、优选的，公式(2)中温度tall从-40℃到100℃划分为十四档，每一档中的αn、bn、cn、dn都针对该温度档位重新拟合，常数参数存储在微控制器的数组中，微控制器获得数模转换器的结果后，通过数学模型计算得到温度值。

22、本发明与现有技术相比，其有益效果是：通过大量采集数据集，得到不同环境温度、不同介质体积以及不同介质种类下的历史温度数据点。之后将大量的数据分为数据集和验证集进行训练，构建基于卷积神经网络(cnn)和门控循环单元(gru)的温度控制预测模型，并最终加入到pid控制环节提高温度控制的速度和精确度。采集大量温度相对均匀的数据(当前温度在设定温度周围小幅度浮动)，将这些数据作为输入数据(五维数据)构建预测模型。将该模型加入到pid控制环节中，当小幅温度震荡的时间大于一段时间后，启用该模型。该模型会通过当前时间前一段时间的温度数据，预测后一时刻的温度数据。将其加入到pid控制环节后，使得执行机构能够更快响应变化，从而使得控制更精准，震荡更小。

技术特征：

1.一种基于低温恒温槽的智能化恒温控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种基于低温恒温槽的智能化恒温控制方法，其特征在于，步骤s2中每个pt1000铂电阻以三线制接入平衡电桥，平衡电桥信号连接有差分运算放大器，差分运算放大器信号连接有模数转换器，模数转换器信号连接有微控制器。

3.如权利要求2所述的一种基于低温恒温槽的智能化恒温控制方法，其特征在于，步骤s2具体包括以下步骤：

4.如权利要求3所述的一种基于低温恒温槽的智能化恒温控制方法，其特征在于，步骤s3中在微控制器中得到的为模数转换器的转换值outputcode，该转换值与温度存在着一个等式关系，用x表示outputcode，可得公式(1)：

5.如权利要求4所述的一种基于低温恒温槽的智能化恒温控制方法，其特征在于，步骤s3中温度控制装置包括加热棒、盘绕在介质容器边缘的的铜盘管、压缩机及多个半导体制冷片，压缩机提供恒定功率的制冷功能，加热棒作为主要执行器，半导体作为辅助执行器进行更精确调控，由pid算法控制其功率，从而将温度恒定在所设定的值，微处理器通过pwm调节占空比调节加热棒和半导体制冷片的加热功率。

6.如权利要求5所述的一种基于低温恒温槽的智能化恒温控制方法，其特征在于，得到大量温度控制数据集，数据有五个维度，分别为设定温度、介质当前温度、环境温度、介质体积、介质种类，其中介质种类有水和油两种，每个数据点都有这五个维度，通过大量采集数据集，得到不同设定温度、不同环境温度、不同介质体积以及不同介质种类下的历史温度数据点，将大量的数据分为数据集和验证集进行训练，构建基于卷积神经网络和门控循环单元的温度控制预测模型，并最终加入到pid控制环节提高温度控制的速度和精确度。

7.如权利要求1所述的一种基于低温恒温槽的智能化恒温控制方法，其特征在于，平衡电桥包括三个定值电阻和一个热敏铂电阻，其中三个定值电阻都是1k欧姆；差分运算放大器放大倍数为20倍，且差分运算放大器包括两个20k欧姆阻、两个1k欧姆电阻与一个运放。

8.如权利要求4所述的一种基于低温恒温槽的智能化恒温控制方法，其特征在于，公式(2)中温度tall从-40℃到100℃划分为十四档，每一档中的an、bn、cn、dn都针对该温度档位重新拟合，常数参数存储在微控制器的数组中，微控制器获得数模转换器的结果后，通过数学模型计算得到温度值。

技术总结
本发明公开了一种基于低温恒温槽的智能化恒温控制方法，包括：S1、通过供电电路提供电源；S2、将四个PT1000铂电阻放入待控制液体的四个角，通过模数转换器测量不同的测温点，通过微控制器对模数转换器采集到的四个高精度电压数据进行数学转换，获取待控制液体的四个点实时温度；S3、通过温度控制装置与基于遗传算法的PID算法进行温度控制，并采集大量恒温控制中随时间变化的数据集；S4、基于深度学习，通过数据集构建基于卷积神经网络和门控循环单元的温度控制预测模型，加入到PID控制环节；S5、通过微控制器进行数据显示和上传。根据本发明，解决了水体恒温的智能控制问题，提高了温度控制速度，提升温度控制精度，满足了高精度快速恒温控制的要求。

技术研发人员：万国春,刘绍卉
受?；さ募际跏褂谜撸?/b>同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24