一种基于PID算法的温度控制方法、装置、设备及介质

摘要

本发明公开了一种基于PI D算法的温度控制方法、装置、设备及介质，方法包括：获取时间标志，当所述时间标志满足第一预设条件时，执行下一步骤；获取温控标志，当所述温控标志满足第二预设条件时，执行下一步骤；执行改良后的位置式PI D算法运算，得到PI D控制值；其中，所述改良后的位置式PI D算法包括预设的常量值；将所述PI D控制值作为新的输入温度，并返回执行获取时间标志和温控标志的步骤，实现温度控制。本发明能够提高温度控制的精度和稳定性，可广泛应用于温度控制技术领域。

说明书

技术领域

本发明涉及温度控制技术领域，尤其是一种基于PID算法的温度控制方法、装置、设备及介质。

背景技术

恒定温度的控制一直是医疗检验仪器设备的关键，但温度具有滞后性强、惯性大的特点，温度控制常常出现温度过冲高、温度波动频繁和温度误差大的现象。现在市场上针对温度的特点和温度控制的现象，所采用的控制算法多为增量式PID算法。

虽然现有技术中针对温度的特点和温度控制的现象，都有采用增量式PID算法进行温度控制，但还是存在一些不足或缺点：

1、现有技术方案的恒定温度控制的精度都是±0.5℃，在一些较严格要求的恒温仪器中，这个精度要求还不能满足需求。

2、现有技术方案都是使用增量式PID算法，增量式PID算法的缺点是恒温速度较慢、运算过程较复杂、温度稳定性较弱。

3、增量式PID算法本身的问题，增量式PID算法因没有积分作用，就没有了稳态控制，温度到达设置温度时会不受算法的控制，温度会易发生变化，因为温度的滞后性，导致温度频繁振荡。较于位置式PID算法，增量式PID算法的运算复杂度是位置式PID算法的一倍。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种基于PID算法的温度控制方法、装置、设备及介质，以提高温度控制的精度和稳定性。

本发明的一方面提供了一种基于PID算法的温度控制方法，包括：

获取时间标志，当所述时间标志满足第一预设条件时，执行下一步骤；

获取温控标志，当所述温控标志满足第二预设条件时，执行下一步骤；

执行改良后的位置式PID算法运算，得到PID控制值；其中，所述改良后的位置式PID算法包括预设的常量值；

将所述PID控制值作为新的输入温度，并返回执行获取时间标志和温控标志的步骤，实现温度控制。

可选地，获取时间标志，当所述时间标志满足第一预设条件时，执行下一步骤，包括：

判断所述时间标志是否满足温度采集的计算周期，若是，则执行获取温控标志，当所述温控标志满足第二预设条件时，获取输入温度值的步骤；反之，则返回执行获取时间标志的步骤。

可选地，所述获取温控标志，当所述温控标志满足第二预设条件时，执行下一步骤，包括：

获取温度内存的地址值；

根据所述温度内容的地址值，获取温控标志；

判断所述温控标志对应的温度值是否在设备正常工作的温度范围内，若是，则执行下一步骤；反之，则结束温度控制过程。

可选地，所述执行改良后的位置式PID算法运算，得到PID控制值，包括：

检测温度偏差信号；

根据所述温度偏差信号计算得到PID控制值；所述PID控制值用于控制被控单元；

所述PID控制值的计算公式为：

其中，K

可选地，所述方法还包括硬件控制步骤，该步骤包括：

通过温度传感器采集热传导模块的温度值；

通过位置式PID算法输出控制值到继电器；

通过所述继电器控制加热棒或帕尔贴工作；

根据所述加热棒或所述帕尔贴的工作，控制热传导模块的温度；

其中，当所述控制值为正值时，所述继电器的输出端连接所述帕尔贴的正向电流输入端；当所述控制值为负值时，所述继电器的输出端连接所述帕尔贴的反向电流输入端。

可选地，所述执行改良后的位置式PID算法运算，得到PID控制值，包括：

用预设温度减去当前采集的温度得到温差值；

将得到的各个所述温差值累加得到温度偏差和；

通过比例系数乘以所述温差值得到比例输出值；

将计算周期与积分常数的比值确定为第一数值，将所述比例系数乘以所述第一数值的值确定为第二数值，将所述第二数值乘以所述温度偏差和得到积分输出值；

将微分常数与计算周期的比值确定为第三数值，将所述比例系数乘以所述第三数值的值确定为第四数值，将最近两次温差值的差作为第五数值，将所述第四数值乘以所述第五数值，得到微分输出值；

将所述比例输出值、所述积分输出值、所述微分输出值和预设的常量值相加，得到PID输出值；

其中，所述PID输出值的最大值持续时间不超过加热元器件的工作时间。

本发明实施例的另一方面提供了一种基于PID算法的温度控制装置，包括：

第一获取模块，用于获取时间标志，当所述时间标志满足第一预设条件时，执行第二获取模块；

第二获取模块，用于获取温控标志，当所述温控标志满足第二预设条件时，执行计算模块；

计算模块，用于执行改良后的位置式PID算法运算，得到PID控制值；其中，所述改良后的位置式PID算法包括预设的常量值；

循环控制模块，用于将所述PID控制值作为新的输入温度，并返回执行获取时间标志和温控标志的步骤，实现温度控制。

本发明实施例的另一方面提供了一种电子设备，包括处理器以及存储器；

所述存储器用于存储程序；

所述处理器执行所述程序实现如前面所述的方法。

本发明实施例的另一方面提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现如前面所述的方法。

本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行前面的方法。

本发明的实施例首先获取时间标志，当所述时间标志满足第一预设条件时，执行下一步骤；获取温控标志，当所述温控标志满足第二预设条件时，执行下一步骤；执行改良后的位置式PID算法运算，得到PID控制值；其中，所述改良后的位置式PID算法包括预设的常量值；将所述PID控制值作为新的输入温度，并返回执行获取时间标志和温控标志的步骤，实现温度控制。本发明实施例能够提高温度控制的精度和稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的温度控制方法的整体步骤流程图；

图2为本发明实施例提供的PID计算过程的步骤流程图；

图3为本发明实施例提供的硬件结构框图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供了一种基于PID算法的温度控制方法，包括：

获取时间标志，当所述时间标志满足第一预设条件时，执行下一步骤；

获取温控标志，当所述温控标志满足第二预设条件时，执行下一步骤；

执行改良后的位置式PID算法运算，得到PID控制值；其中，所述改良后的位置式PID算法包括预设的常量值；

将所述PID控制值作为新的输入温度，并返回执行获取时间标志和温控标志的步骤，实现温度控制。

可选地，获取时间标志，当所述时间标志满足第一预设条件时，执行下一步骤，包括：

判断所述时间标志是否满足温度采集的计算周期，若是，则执行获取温控标志，当所述温控标志满足第二预设条件时，获取输入温度值的步骤；反之，则返回执行获取时间标志的步骤。

需要说明的是，时间标志具体指的是一个温控的周期时间，同时也是温控算法获取一次温度的周期时间，用来判断是否满足一个温控周期，即1000ms进行一次温度获取和温控算法公式计算；温控标志具体指的是温度控制的开关值，用来判断是否进行温控，即0为开启温控，不为0则关闭温控。

另外，时间标志的获取步骤为：

1.设置一个变量NumFlag等于0，变量NumFlag每到1ms的时间就自加1；

2.设置一个变量TempTimeFlag等于1000，判断变量NumFlag是否大于等于变量TempTimeFlag；

3.变量NumFlag大于等于变量TempTimeFlag时，说明一个温控周期时间到了，使变量NumFlag等于0，继续每到1ms的时间就自加1；变量NumFlag小于变量TempTimeFlag时，不进行温度算法计算；

温控标志的获取步骤为：

1.默认开机打开温控，就设置一个变量TempOpenClose等于0；

2.判断变量TempOpenClose是否等于0，等于0就进行温控算法计算并进行温度控制，不等于0就不进行温控算法计算和温度控制；

3.可通过按键或通讯改变变量TempOpenClose的值。

可选地，所述获取温控标志，当所述温控标志满足第二预设条件时，执行下一步骤，包括：

获取温度内存的地址值；

根据所述温度内容的地址值，获取温控标志；

判断所述温控标志对应的温度值是否在设备正常工作的温度范围内，若是，则执行下一步骤；反之，则结束温度控制过程。

可选地，所述执行改良后的位置式PID算法运算，得到PID控制值，包括：

检测温度偏差信号；

根据所述温度偏差信号计算得到PID控制值；所述PID控制值用于控制被控单元；

所述PID控制值的计算公式为：

其中，K

可选地，所述方法还包括硬件控制步骤，该步骤包括：

通过温度传感器采集热传导模块的温度值；

通过位置式PID算法输出控制值到继电器；

通过所述继电器控制加热棒或帕尔贴工作；

根据所述加热棒或所述帕尔贴的工作，控制热传导模块的温度；

其中，当所述控制值为正值时，所述继电器的输出端连接所述帕尔贴的正向电流输入端；当所述控制值为负值时，所述继电器的输出端连接所述帕尔贴的反向电流输入端。

可选地，所述执行改良后的位置式PID算法运算，得到PID控制值，包括：

用预设温度减去当前采集的温度得到温差值；

将得到的各个所述温差值累加得到温度偏差和；

通过比例系数乘以所述温差值得到比例输出值；

将计算周期与积分常数的比值确定为第一数值，将所述比例系数乘以所述第一数值的值确定为第二数值，将所述第二数值乘以所述温度偏差和得到积分输出值；

将微分常数与计算周期的比值确定为第三数值，将所述比例系数乘以所述第三数值的值确定为第四数值，将最近两次温差值的差作为第五数值，将所述第四数值乘以所述第五数值，得到微分输出值；

将所述比例输出值、所述积分输出值、所述微分输出值和预设的常量值相加，得到PID输出值；

其中，所述PID输出值的最大值持续时间不超过加热元器件的工作时间。

本发明实施例的另一方面提供了一种基于PID算法的温度控制装置，包括：

第一获取模块，用于获取时间标志，当所述时间标志满足第一预设条件时，执行第二获取模块；

第二获取模块，用于获取温控标志，当所述温控标志满足第二预设条件时，执行计算模块；

计算模块，用于执行改良后的位置式PID算法运算，得到PID控制值；其中，所述改良后的位置式PID算法包括预设的常量值；

循环控制模块，用于将所述PID控制值作为新的输入温度，并返回执行获取时间标志和温控标志的步骤，实现温度控制。

本发明实施例的另一方面提供了一种电子设备，包括处理器以及存储器；

所述存储器用于存储程序；

所述处理器执行所述程序实现如前面所述的方法。

本发明实施例的另一方面提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现如前面所述的方法。

本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行前面的方法。

下面结合说明书附图，对本发明的温度控制方法的实现过程进行详细描述：

针对温度的特点和温度控制的现象，防止温度过冲过高、温度波动频繁和恒温误差大等问题，并能快速稳定的控制温度，以及减少算法的复杂度，本发明设计了改良的位置式PID算法恒温控制方法；该方法以STM32芯片模块为核心，采集热传导模块的温度并通过改良的位置式PID算法输出控制值，控制加热棒或帕尔贴的工作时间，来让热传导模块达到快速保持恒定的温度的效果，具有简单、快速、适用范围广的特点。

本发明使用的是改良的位置式PID算法，算法运算过程会保存积分输出，热传导模块温度达到设置温度后，温度还会一直受到PID算法的作用，保持温度的稳定。同时，积分输出和比例输出会共同作用，温度能快速到达恒定温度，且仪器工作时间越长温度控制越稳定。

需要说明的是，PID算法的执行流程是利用反馈来检测偏差信号，通过偏差信号来计算出控制量，进而控制被控单元；PID算法是结合了比例、积分和微分三个作用于一体的控制算法，在控制方面是应用最广泛的控制算法。

其中，PID算法的数学理想模型是这样的：

简化模型为PID(输出)＝P(比例输出)+I(积分输出)+D(微分输出)；模型展开为：

公式中的u(t)为PID输出，K

PID算法的数学理想模型是控制单元在有误差的情况下才会有输出值，无误差时输出值为0，这时控制单元是不受控制的，所以改良的PID算法是给它加上特定的常量值C，改良模型为PID(输出)＝P(比例输出)+I(积分输出)+D(微分输出)+C(常量)；改良后的PID算法在控制单元无误差的情况下，还是有不为零的输出值，这样控制单元就一直会受到算法的输出控制。

基于STM32的位置式PID算法由数字模型离散化，离散化公式模型是这样的：

T是温度采集周期(或计算周期)，Ti是积分常数，Td是微分常数，Ek是采集温度和设置温度的差值，Ek-1是上一次采集温度和设置温度的差值。

另外，算法的实施需要硬件的支持，图3分别本发明实施例提供的硬件框图，STM32芯片模块接温度传感器采集热传导模块的的温度值，然后通过位置式PID算法输出控制值到继电器，继电器控制加热棒或帕尔贴工作，继而控制热传导模块的温度。PID的输出值有正负值之分，实验设置PID输出正值时控制继电器接帕尔贴的正向电流(加热)，负值时控制继电器接帕尔贴的反向电流(制冷)；加热棒是没有制冷功能的，只有加热功能，正反接都可以。

位置式PID算法输出控制说明，图1是位置式PID控制流程图，首先进行PID计算需判断时间是否满足计算周期，满足时间周期就判断温控标志，用以控制是否要计算PID算法，然后获取STM32采集的温度传感器温度值，判断温度值是否在设备正常工作的温度范围内，如满足工作温度，就进行位置式PID计算过程，然后输出PID控制值控制继电器，进而继电器控制加热棒或帕尔贴的工作时间，达到控制热传导模块温度的效果。位置式PID算法对温度的稳态控制主要起作用的是积分输出值，所以当控制流程循环得越多温度保持恒定状态也越稳定。控制过程中的资源优化点是，此控制过程中有温度采集周期时间标志判断，即无需占用STM32的定时器资源，有效节省芯片定时器的开销，减少中断的调度；此控制过程中有温度判断标志，即程序可通过外部通信或按键控制是否使用温控算法；此控制过程中温度获取的是内存地址值，而非温度传感器的数据信号，这样有效的减少了数据传参的时间，减少了温控算法的时耗。

改良的位置式PID算法计算过程说明，图2是改良的位置PID算法计算过程图，计算开始前，需要定义好Kp、Ti、Td、T、C等常量和设定好恒定温度值；开始计算时，先计算恒定温度与当前STM32采集的温度的差值，再把计算的差值进行累加，累加的和SK需保存用以计算积分输出值，然后计算比例输出值，计算积分输出值和计算微分输出值；再然后把比例、积分、微分和常量C进行加运算得出PID的输出值，最后进行PID的输出值范围限制，PID的输出值的绝对值超出T值时等于T值。限制PID的输出值，是为了模拟STM32定时器的脉冲宽度调制模式，用PID的输出值控制继电器时，继电器可以调节加热棒或帕尔贴的工作时间，进而调节温度，控制温度恒定。改良的位置式PID算法较于传统的位置式PID算法的创新是加入了常量C值，能让位置式PID算法一直保持有效控制值输出。实验时，设备在到达恒温目标值且稳定时，温度误差±0.2℃内，且随着位置式PID算法运算周期的次数增加，误差值还会减小直至温度传感器的精度值。

综上所述，相较于现有技术，本发明具有以下有点：

1、本发明使用的是改良的位置式PID算法，算法运算过程会保存积分输出，且在算法输出为0时，加上常数C，能让位置式PID算法一直保持有效控制值输出，使被控单元一直受到算法的有效控制。

2、使用位置式PID算法，在热传导模块温度达到恒定温度后，会积累足够的误差信号，使积分输出值有效控制温度的稳定状态，使温度稳定的保持在恒定温度值处。

3、误差信号的累积会使积分输出值增大，积分输出值与比例输出值共同作用，使位置式PID的输出值快速增大，从而使继电器闭合时间久控制加热棒或帕尔贴工作，加快了工作效率，减小了温度到达恒定温度时间。

4、位置式PID算法的控制过程中有时间标志判断，就无需占用STM32的定时器资源，有效节省芯片定时器的开销，减少中断的调度，隐形的减少了开发难度。

5、位置式PID算法的控制过程中有温度判断标志，可以使程序可通过外部通信或按键来控制是否使用温控算法，增加了程序的灵活性。

6、位置式PID算法的控制过程中温度获取的是内存地址值，而非温度传感器的数据信号，这样有效的减少了数据传参的时间，减少了温控算法的时耗。

7、改良的位置式PID算法使温控精度更小。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。