1. 目标与范围

本说明面向实验室设备工程师与嵌入式开发人员，阐述适用于赛默飞 3131 系列培养箱的温控程序总体设计、控制算法、运行时状态机、参数整定、校准与容错策略。内容以通用工程思路为主，兼顾该系列典型结构（内胆加热、循环风道、门封与门磁、可选湿度/CO₂模块），可直接用于编写控制固件或上位机逻辑的蓝本。

2. 控制对象与约束建模

1. 热学模型：将腔体视为一阶惯性+纯滞后对象。

• 热容 $C$ 由内胆、不锈钢层板、样品载荷共同决定；

• 热阻 $R$ 由箱体保温、门封泄漏、风道导热构成；

• 近似离散模型：T[k+1]=T[k]+ΔtRC(Ts[k]−T[k])+αu[k]T[k+1]=T[k]+\frac{\Delta t}{RC}(T_s[k]-T[k]) + \alpha u[k]T[k+1]=T[k]+RCΔt(Ts[k]−T[k])+αu[k]，其中 $u$ 为加热功率百分比，$\alpha$ 为等效增益。

1. 扰动源：开门、环境温度、样品放入、湿度蒸发；

2. 执行器约束：加热器额定功率 PratedP_{rated}Prated，SSR/继电器开关频率上限，风扇最低转速/起停延时；

3. 安全边界：硬件独立超温切断（如 70–80℃ 机械保护）、软件上限（设定值±ΔT 上限）、门开保护与干烧防护。

3. 系统组成与信号路径

• 采集：主温度传感器（PT1000/NTC）+ 辅助探头（上/下/回风位置选一），12–16bit ADC；门磁、风扇转速反馈、加热器电流检测（选配）；

• 执行：可控硅/SSR 加热、循环风扇 PWM、排湿/加湿（若有）；

• 时序：1 kHz 基准时钟，10–100 ms 任务节拍；

• 软件层次：硬件抽象层（HAL）→ 驱动层（ADC/PWM/IO）→ 服务层（滤波、校准、PID）→ 应用层（状态机、配方、报警、数据记录）。

4. 关键算法与滤波

1. 测温线性化与校准：

• NTC 采用 Beta/Steinhart–Hart，RTD 采用四线或三线补偿；

• 工厂两点或三点校准，存储校准系数 $k,b$，运行时做 Tcorr=k⋅Traw+bT_{corr}=k\cdot T_{raw}+bTcorr=k⋅Traw+b。

1. 去噪与抗毛刺：

• 二阶 IIR 低通（截止 0.1–0.2 Hz）+ 中值滤波窗口 5；

• 门开事件期间暂缓积分、缩短滤波窗口以提升响应。

1. 软启动与限斜率：

• 设定值变化限幅 $dT/dt\le 1.0℃/min$，降低超调；

• 升温初期启用“功率天花板” umaxramp∈[40%,70%]u_{max}^{ramp}\in[40\%,70\%]umaxramp∈[40%,70%]。

5. 控制策略（分层闭环）

5.1 前馈 + PID（主回路）

• 前馈：根据设定值与环境温差 ΔT=Tset−Tamb\Delta T = T_{set}-T_{amb}ΔT=Tset−Tamb 估算维持功率 uff=Kff⋅ΔTu_{ff}=K_{ff}\cdot \Delta Tuff=Kff⋅ΔT；

• 闭环：位置式 PID 或增量式 PID；推荐带抗饱和积分与死区的小阶跃跟踪。

• 控制律：

u=clip(uff+Kpe+I+Kde˙, 0, umax)u = \text{clip}\big(u_{ff}+K_p e + I + K_d \dot{e},\,0,\,u_{max}\big)u=clip(uff+Kpe+I+Kde˙,0,umax)I←I+Kie⋅Δt若 0<u<umax；否则冻结积分I \leftarrow I + K_i e\cdot \Delta t\quad \text{若 }0<u<u_{max}\text{；否则冻结积分}I←I+Kie⋅Δt若 0<u<umax；否则冻结积分

其中 e=Tset−Tmease=T_{set}-T_{meas}e=Tset−Tmeas。

5.2 门开扰动补偿

• 门磁触发→ 立即降低积分权重，锁定 $I$；

• 关门后进入“恢复窗”（30–90 s），开启限斜率与可调 uboostu_{boost}uboost（不超过 20–30%），防止震荡。

5.3 自适应微调（可选）

• 依据负载估计（稳定期平均功率 uˉ\bar uuˉ 越大→热容越大）动态下调 KpK_pKp、上调 KiK_iKi；

• 采用 IMC（Internal Model Control）法给出初始整定，再在现场以阶跃响应法细调。

6. 运行状态机

• INIT：自检、校准系数校验、传感器断线检测、看门狗启动；

• PREHEAT：斜坡升温，启用功率上限与风扇低速；

• SOAK（恒温稳定）：进入 PID 正常模式，记录稳定判据（$|e|<0.2–0.3℃$ 且 T˙≈0\dot{T}\approx 0T˙≈0 持续 10–20 min）；

• PROGRAM：执行配方型曲线（多段升/降+保温+循环）；

• DOOR_OPEN：门磁开→冻结积分、限功率；

• RECOVER：关门→逐步恢复 PID 增益与功率上限；

• STANDBY：低功耗待机，保持安全监控与日志；

• FAULT：进入安全降功率或切断，保留快照与错误码。

示例事件转换：

• INIT→PREHEAT：自检通过；

• PREHEAT→SOAK：∣T−Tset∣<1℃|T-T_{set}|<1℃∣T−Tset∣<1℃ 且斜率<0.1℃/min；

• DOOR_OPEN→RECOVER：门关闭确认并延时 2–5 s；

• 任意→FAULT：传感器越界、继电器粘连检测、电流异常等。

7. 配方温控（程序段）

• 支持 32 段以内：{目标温度, 斜率, 保温时长, 终止条件, 循环次数}；

• 运行中断点续跑：掉电/复位后从最后已完成段继续；

• 斜率优先：若设定了升/降温速率，PID 参考输入采用动态斜坡轨迹；

• 保温达成条件：温度误差进入±0.3℃ 并持续 t_stable，方计时。

8. 参数整定方法

1. 开环阶跃法：小功率阶跃看响应曲线，估计时间常数 $\tau$ 与滞后 $L$，按 IMC 或 Z–N 柔化公式给出 Kp,Ki,KdK_p,K_i,K_dKp,Ki,Kd 初值；

2. 闭环小步试调：负载为空载/半载/满载各整一次，取折中方案；

3. 抗超调设置：适当降低 KpK_pKp、增大 KdK_dKd，并启用限斜率与前馈功率上限；

4. 门开工况试验：模拟 10–30 s 开门，验证 RECOVER 窗口内最大超调与恢复时间。

9. 传感器与执行器诊断

• 断线/短路：ADC 值越界或斜率突变，进入 FAULT；

• 漂移监测：主/辅探头差值 $|\Delta T|$ 长期超限提示校准；

• 继电器粘连：加热指令=0 而电流检测>阈值或温升异常→报警并切断主电源；

• 风扇故障：TACH 失效或温度均匀性恶化→降额运行并提示维修。

10. 安全与合规

• 双通道保护：软件上限 + 独立硬件温控器；

• 看门狗：主循环喂狗失败自动复位；

• 掉电恢复：断电保存关键状态，重启进入最近安全状态（STANDBY/RECOVER）并提示；

• 权限管理：工程参数（PID/前馈/校准）需管理员密码。

11. 校准与均匀性验证流程

1. 点位：腔体上中下/前中后 5–9 点布点；

2. 程序：在 3 个代表设定值（如 25/37/60℃）下记录稳定温度，修正 $k,b$；

3. 判据：稳定性 ±0.3–0.5℃，均一性 ±0.5–1.0℃；

4. 记录：保存原始曲线、修正系数、报告摘要。

12. 数据记录与追溯

• 1 s 采样、10 s 存档，支持 CSV/二进制循环缓冲；

• 记录项：时间戳、设定、实测、输出功率、门状态、错误码；

• 支持阈值越限事件触发“高频快照”（100 ms）用于故障复盘。

13. 典型参数建议（参考起点）

• 采样周期：100 ms；控制计算：200–500 ms；

• KpK_pKp：0.8–1.8（归一化对象）；KiK_iKi：0.02–0.06 s⁻¹；KdK_dKd：1–8 s；

• 前馈系数 KffK_{ff}Kff：0.8–1.2 %/℃；

• 功率上限：稳态 35–55%，升温阶段 60–80%；

• 限斜率：0.5–1.0℃/min；

• 门开恢复窗：30–90 s；稳定判据：±0.3℃/10–20 min。

15. 可靠性与可维护性设计

• 模块化：测温、执行、控制、诊断、通信各自独立接口，便于单元测试与替换；

• 参数可视化：曲线实时显示、历史对比、参数导入导出（JSON/CSV）；

• 远程维护：固件 OTA、配置快照、异常自动打包；

• 冗余与降级：辅探头可切换为控制源；风扇故障时降低设定并提示继续保温或安全停机。

16. 测试方案与指标

1. 空载/满载：三种典型负载下测试升温时间、超调、稳态波动；

2. 开门恢复：10 s/30 s/60 s 三组，统计回稳时间与峰值偏差；

3. 长期漂移：48–72 h 连续恒温，评估零漂与功率占空比稳定性；

4. 边界工况：低环境温度/高环境温度、频繁开门、供电波动；

5. 回归测试：固件升级后自动跑用例，保证参数与历史曲线一致性。

17. 常见问题与优化建议

• 超调偏大：降低 KpK_pKp、增大 KdK_dKd、收紧功率上限与斜率、提高前馈比例；

• 回稳慢：适当提高 KiK_iKi，缩短滤波延迟，优化门后恢复策略；

• 温度不均匀：提升风扇转速映射，检查风道清洁与层板遮挡；

• 无故报警：确认传感器接插件与屏蔽接地，检查 ADC 参考与电源纹波；

• 记录不连贯：存储写入分区对齐与掉电保护，日志双缓冲策略。

18. 部署与变更控制

• 先在仿真平台载入被测对象模型（R、C、L），完成虚拟整定；

• 原型机进行三轮场景测试并冻结参数；

• 建立“工程参数白名单”，变更需评审与回归报告；

• 现场启用只读模式，用户侧仅开放设定温度与配方管理。