一种空气污染监测用温度控制系统技术方案

本发明专利技术提供了一种空气污染监测用温度控制系统，属于交通信息智能化集成技术领域。本温度控制系统嵌入在交通污染监测仪器中，包括温度传感器、控制单元、加热/散热执行机构和数据存储模块。控制单元接收温度传感器测量的温度，并从数据存储模块中读取历史温度，根据马尔可夫‑PID温度控制程序作出决策，控制加热/散热执行机构工作。本发明专利技术对温度预测与温度控制进行了智能化集成，减小了受控体的温度响应延迟，使得仪器对温度的变化提前响应，提升了温度控制效果。

Temperature control system for air pollution monitoring

The invention provides a temperature control system for air pollution monitoring, belonging to the technical field of intelligent integration of traffic information. The temperature control system is embedded in the traffic pollution monitoring instruments, including temperature sensors, control units, heating / heat executing agencies and data storage module. The control unit receives the temperature sensor to measure temperature, and read the historical temperature from the data storage module, according to the Markov PID temperature control program to make decisions, control the heating / cooling actuator. The invention intelligently integrates temperature prediction and temperature control, reduces the temperature response delay of the controlled body, makes the instrument respond to the change of temperature in advance, and improves the temperature control effect.

【技术实现步骤摘要】
一种空气污染监测用温度控制系统
本专利技术属于交通信息智能化集成
，具体涉及一种智能化的温度控制系统，用于实现室外路侧交通环境下空气污染监测仪的温度控制。
技术介绍
中国、印度等发展中国家的空气污染问题越来越受到重视；即使在欧美发达国家，由于区域污染不均带来的社会公平问题也时时引发关注。正因为空气污染与人的健康、社会公平等问题不可分割，同时有关交通污染对行人及居民的影响研究更是面临着数据获取困难，难以细粒度量化等诸多问题。因此需要研究开发一种室外监测仪器--交通污染监测仪，以下简称仪器，以更有效地监测交通污染水平。室外条件下，设备易受环境温度影响是一个普遍性问题。特别对于室外监测设备而言，用作信息采集的核心部件往往对温度变化敏感。仪器内的CO、SO2、NO2、O3等传感器的辨识度受温度影响就十分明显。如果不能及时控制仪器内温度，将对交通污染的动态监测造成比较大的影响。传统的温度控制方法多以PID(比例-积分-微分)控制为主，该方法具有响应快速、工程通用性强等优点；然而仪器对温度的响应是一个渐变的过程，当纯粹PID控制根据当前温度与目标温度的偏差做出响应并决定系统需要加热或者散热时，由于物理因素导致的加热/散热延迟效应使得传统控制难以达到理想效果，特别是对于对温差范围有严格限定的传感器，如果偏差选取过小会使得系统鲁棒性变差，而如果偏差选取过大则会受到设备本身加热/散热能力的限制，达不到理想效果。
技术实现思路
本专利技术针对目前存在的交通污染监测过程中由于物理加热/散热延迟效应带来的温度控制响应迟缓问题，提供了一种空气污染监测用温度控制系统。本专利技术从交通信息智能化集成的思路出发，将仪器由数据层控制上升为信息层控制，使得仪器对温度的变化提前响应，以提升温度控制效果。本专利技术提供的空气污染监测用温度控制系统，嵌入在交通污染监测仪器中，该系统包括温度传感器、控制单元、加热/散热执行机构和数据存储模块。所述的控制单元接收温度传感器测量的温度，并从数据存储模块中读取历史温度，根据马尔可夫-PID温度控制程序作出决策，控制加热/散热执行机构工作。所述的马尔可夫-PID温度控制程序，实现过程是：(1)利用当前测量的第k个控制时刻的温度和历史温度组成序列{x0(1),x0(2),…x0(k)}，通过马尔可夫模型对第k+1个控制时刻的温度进行预测，设预测值为(2)进行PID温度控制，首先根据第k个控制时刻的实测温度x0(k)和预测温度计算预调节参数λ，然后确定期望热量φ；φ＝(λ+1)*(KP*(x0(k)-x0(k-1))+KI*x0(k)+KD*(x0(k)-2x0(k-1)+x0(k-2)))其中，KP,KI,KD分别为比例、积分、微分调节参数。本专利技术的优点与积极效果在于：(1)本专利技术的空气污染监测用温度控制系统，对温度预测与温度控制进行了智能化集成，与传统的温度控制系统相比，减小了受控体的温度响应延迟，弥补了传统温度PID控制方法在应用于滞缓响应系统时由于物理因素导致的响应时间滞后、响应速度缓慢的不足。(2)本专利技术的空气污染监测用温度控制系统将PID控制与灰色马尔可夫预测方法进行结合并用于温度控制，属于预判式温度控制，是一种新的温度控制方法。(3)本专利技术的空气污染监测用温度控制系统及把原本的温度控制所考虑的偏差选择及控制参数整定问题，转化为考虑温度历史周期样本数据的有效性和数据量的问题；并实现了仪器在温度控制环节的信息层控制，并在具体实施过程中对传统马尔可夫链的多区间状态划分方法进行了改进，较传统的数据层控制更为智能。附图说明图1是本专利技术的温度控制系统的结构示意图；图2是本专利技术的电源模块所采用的芯片示意图；(a)为芯片LM2596，(b)为芯片LM1117；图3是本专利技术的温度控制系统的工作流程示意图。具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术在传统温度控制方法的基础上，设计了一种智能化的温度控制系统，如图1所示，主要结构包括温度传感器、控制单元、加热/散热执行机构以及数据存储模块、电源模块等。温度传感器的主要作用是感知外界环境温度，并将数据发出给控制单元。温度数据由控制单元集中处理，做出决策并控制加热或散热执行机构工作，同时温度数据也会保存于数据存储模块，以实时更新控制单元中对温度信息处理方法的依赖样本。本专利技术实施例中，控制单元选用STM32F107VCT6集成电路，充分考虑了其计算能力和逻辑运算能力；在系统搭建过程中设计了SD卡存储模块用以支持历史数据存取，并针对系统各部分的特点设计了电源模块，如图2所示。如图2所示，采用芯片LM2596的开关电压调节器和芯片LM1117的低压差电压调节器组成电源模块。本专利技术实施例中，环境温度的获取选用DHT22，一种高灵敏度数字式温度传感器，通过DHT22可以将外界环境中的温度值模拟量转化为数字量。本专利技术实施例中，散热执行机构，即散热器，使用12V/0.6A控温PWM调速风扇。加热执行机构，即加热器，选用最高功率为20W的可控温加热垫，并在表层覆盖了硅胶导热片以保证热量散发均匀。本专利技术的控制单元实现马尔可夫-PID温度控制算法程序，计算原理是：首先，构建GM(1,1)模型；从已知温度数据得到时间序列，如下：X0＝{x0(1),x0(2),x0(3)…x0(k)}(1)x0(k)表示在当前时刻采集的温度，k表示第k个控制时刻，X0表示k个已知温度的序列。构造一次累加序列(AGO)，得到序列X1：X1＝{x1(1),x1(2),x1(3)…x1(k)}(2)其中，x1(k)＝x0(1)+x0(2)+x0(3)…x0(k)。按照GM(1,1)规则，得到：x1(k+1)＝(x0(1)-b/a)·exp(-ak)+(b/a)(3)参数a,b通过历史数据回归得到，x1(k+1)的灰导数，即x0(k+1)为GM(1,1)模型在下一控制时刻，即第k+1个控制时刻的初步预测结果然后，构建马尔可夫过程。根据当前温度值与当前温度预测值得到残差相对值：x0(k)为当前实测的温度值。为根据k-1个历史温度得到的当前时刻的预测值。根据残差相对值ε进行状态划分，设划分为n个状态{(ε'0,ε'1),(ε'1,ε'2),…(ε'n-1,ε'n)}。由不同状态之间的转移频率得到当前时刻的状态转移矩阵aij(k)表示在当前时刻由状态i变为状态j的频次，由于同一状态不存在转移，因此设置矩阵中aii(k)均为0。根据矩阵F(k)，可获得状态i转移到状态j的概率pij(k)＝Fij(k)/Fi(k)，其中Fij(k)＝aij(k)，Fi(k)＝ai1(k)+ai2(k)+…+ain(k)。进而可得到在当前第k个控制时刻的状态转移概率矩阵P(k)，如下：得到下一个控制时刻的残差预测值为公式(6)中，ε1,ε2,…εn均为各残差状态区间的中值，例如ε1＝(ε'0+ε'1)/2。然后得到第k+1个控制时刻的预测值控制单元进行PID控制的原理如下：首先，结合热传导理论，得到：其中，φ为期望热量；α为温度转换系数；A为热传导面积；δ为导热材料厚度；Δt为当前第k个控制时刻的温度差，Δt＝x0(k)-T，T为设定温度。其次，根据公式(6)结合PID建模，得到：φ＝(λ+1)*(KP*(x0(k)-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空气污染监测用温度控制系统，嵌入在交通污染监测仪器中，其特征在于，该系统包括温度传感器、控制单元、加热/散热执行机构和数据存储模块；所述的控制单元接收温度传感器测量的温度，并从数据存储模块中读取历史温度，根据马尔可夫‑PID温度控制程序作出决策，控制加热/散热执行机构工作；所述的马尔可夫‑PID温度控制程序实现包括：(1)利用当前测量的第k个控制时刻的温度和历史温度组成序列{x

【技术特征摘要】
1.一种空气污染监测用温度控制系统，嵌入在交通污染监测仪器中，其特征在于，该系统包括温度传感器、控制单元、加热/散热执行机构和数据存储模块；所述的控制单元接收温度传感器测量的温度，并从数据存储模块中读取历史温度，根据马尔可夫-PID温度控制程序作出决策，控制加热/散热执行机构工作；所述的马尔可夫-PID温度控制程序实现包括：(1)利用当前测量的第k个控制时刻的温度和历史温度组成序列{x0(1),x0(2),…x0(k)}，通过马尔可夫模型对第k+1个控制时刻的温度进行预测，设预测值为(2)进行PID温度控制，首先根据第k个控制时刻的实测温度x0(k)和预测温度计算预调节参数λ，然后确定期望热量φ；φ＝(λ+1)*(KP*(x0(k)-x0(k-1))+KI*x0(k)+KD*(x0(k)-2x0(k-1)+x0(k-2)))其中，KP,KI,KD分别为比例、积分、微分调节参数。2.根据权利要求1所述的空气污染监测用温度控制系统，其特征在于，所述的控制单元，在计算预测值时，实现过程包括：(1)对序列{x0(1),x0(2),…x0(k)}构造一次累加序列，得到{x1(1),x1(2),x1(3)…x1(k)}；(2)按照GM(1,1)规则，得到一次累加序列中第k+1个控制时刻对应的值x1(k+1)＝(x0(1)-b/a)·exp(-ak...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴新开，何涛，王光军，余贵珍，王云鹏，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11