一种适用于实验的恒温恒湿实验箱自动调控系统 |
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申请号 | CN202410370633.5 | 申请日 | 2024-03-29 | 公开(公告)号 | CN117970978A | 公开(公告)日 | 2024-05-03 |
申请人 | 中发建筑技术集团有限公司; | 发明人 | 白锡岳; 李培; 窦宇恒; 辛宇; 李永文; | ||||
摘要 | 本 发明 公开了一种适用于实验的恒温恒湿实验箱自动调控系统,涉及 软件 工程技术领域,包括: 接口 模 块 负责获取实验箱的调控单元并配置I/O控制接口,历史 数据采集 模块则收集实验箱的 温度 和湿度数据,并将其组织为 温度控制 数据数组与湿度控制数据数组,温度特征模块和湿度特征模块分别从温度控制数据数组与湿度控制数据数组中提取与温度和湿度变化相关的特征,计算出各自的温度变化率和湿度变化率;利用温湿参数生成模块利用这些特征建立温湿自动控 制模 型,并据此修正实验箱的温度和湿度,生成调控参数,调控模块则将这些参数输入到实验箱的I/O控制接口完成控制。本方案的优点在于:实现对实验箱的精确控制,确保实验条件的一致性和 稳定性 。 | ||||||
权利要求 | 1.一种适用于实验的恒温恒湿实验箱自动调控系统,其特征在于,包括: |
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说明书全文 | 一种适用于实验的恒温恒湿实验箱自动调控系统技术领域背景技术[0002] 恒温恒湿实验箱是一种用于控制和维持特定温度和湿度范围的实验室设备。它通常用于生物技术、化学、食品科学、材料科学等领域,以保证实验过程中样品的稳定性,防止实验结果因环境变化而受到影响。恒温恒湿实验箱通过精确的温度和湿度控制,为用户提供了一个可重复和可靠的实验环境。 [0003] 现有的恒温恒湿实验箱存在因快速响应的加热器、缓慢的制冷器、不稳定的控制系统和传感器精度不足导致温度与湿度过冲;其次,受传感器漂移、环境干扰和设备老化问题,也会导致检测结果不精准,这些问题都影响实验结果的准确性和可靠性。 发明内容[0004] 为解决上述技术问题,提供一种适用于实验的恒温恒湿实验箱自动调控系统,本技术方案解决了上述的现有的恒温恒湿实验箱存在因快速响应的加热器、缓慢的制冷器、不稳定的控制系统和传感器精度不足导致温度与湿度过冲;其次,受传感器漂移、环境干扰和设备老化问题,也会导致检测结果不精准,这些问题都影响实验结果的准确性和可靠性的问题。 [0005] 为达到以上目的,本发明采用的技术方案为:一种适用于实验的恒温恒湿实验箱自动调控系统,包括: 接口模块,接口模块用于获取恒温恒湿实验箱的调控单元,配置相应恒温恒湿实验箱的I/O控制接口; 历史数据采集模块,历史数据采集模块用于收集历史恒温恒湿实验箱的温度控制数据与湿度控制数据,打包为温度控制数据数组与湿度控制数据数组; 温度特征模块,温度特征模块与历史数据采集模块电性连接,温度特征模块用于基于温度控制数据数组,筛选出数组中与温度变化关联特征,确定温度变化率; 湿度特征模块,湿度特征模块与历史数据采集模块电性连接,湿度特征模块用于基于湿度控制数据数组,筛选出数组中与湿度变化关联特征,确定湿度变化率; 温湿参数生成模块,温湿调控模块与温度特征模块和湿度特征模块电性连接,温湿调控模块用于基于恒温恒湿实验箱的温度变化率与湿度变化率,建立温湿自动控制模型,对恒温恒湿实验箱的温度与湿度进行修正,生成温湿调控参数; 调控模块,调控模块与温湿参数生成模块电性连接,调控模块用于根据温湿调控参数,将温湿调控参数输入温恒湿实验箱的I/O控制接口完成控制。 [0006] 优选的,历史数据采集模块内部包括:采集单元,采集单元用于基于恒温恒湿实验箱中的传感器,收集历史实验箱温度数据与湿度数据; 数据打包单元,数据打包单元与采集单元电性连接,数据打包单元用于根据恒温恒湿实验箱的开始时间至结束时间,按照每小时作为时间窗口,将指定时间窗口内的温度数据与湿度数据打包成温度控制数据数组与湿度控制数据数组; 数据预处理单元,数据预处理单元与数据打包单元电性连接,数据打包单元用于基于温度控制数据数组与湿度控制数据数组,识别其中温度与湿度超出水平值的异常数据,并对异常数据进行预处理。 [0007] 优选的,温度特征模块内部包括:温度矩阵单元,温度矩阵单元用于基于温度控制数据数组,将温度控制数据数组中的时间窗口下的分钟节点对应的温度值进行标记,获得温度变化特征矩阵A; ,其中, 为第i个时间窗口下的第j个分钟节点对应的温度值,n为 时间窗口的总数,m为分钟节点的总数; 温度确认节点单元,温度确认节点单元与温度矩阵单元电性连接,温度确认节点单元用于基于温度变化特征矩阵,将温度变化特征矩阵的时间窗口初始位置作为当前时间节点温度值,通过滑动窗口获取上一个时间节点温度值; 温度变化速率计算单元,温度变化速率计算单元与温度确认节点单元电性连接,温度变化速率计算单元用于基于当前时间节点温度值、上一个时间节点温度值和两个时间节点之间的时间差,通过温度速率公式,计算温度变化速率; 其中,温度速率公式为: 式中,D为温度变化速率, 为第j个分钟节点对应的温度值, 为第 的上一个时间节点温度值, 为两个时间节点之间的时间差。 [0008] 优选的,湿度特征模块内部包括:湿度矩阵单元,湿度矩阵单元用于基于湿度控制数据数组,将湿度控制数据数组中的时间窗口下的分钟节点对应的湿度值进行标记,获得湿度变化特征矩阵B; ,其中, 为第i个时间窗口下的第j个分钟节点对应的湿度值,n 为时间窗口的总数,m为分钟节点的总数; 湿度确认节点单元,湿度确认节点单元与湿度矩阵单元电性连接,湿度确认节点单元用于基于湿度变化特征矩阵,将湿度变化特征矩阵的时间窗口初始位置作为当前时间节点湿度值,通过滑动窗口获取上一个时间节点湿度值; 湿度变化速率计算单元,湿度变化速率计算单元与湿度确认节点单元电性连接,湿度变化速率计算单元用于基于当前时间节点湿度值、上一个时间节点湿度值和两个时间节点之间的时间差,通过湿度速率公式,计算湿度变化速率; 其中,湿度速率公式为: 式中,H为湿度变化速率,为第j个分钟节点对应的湿度值, 为第 的上一个时间节点湿度值, 为两个时间节点之间的时间差。 [0009] 优选的,温湿参数生成模块内部包括:温度数组单元,温度数组单元用于基于温度变化特征矩阵中的时间窗口对应的温度变化速率,生成温度变化速率数组; 湿度数组单元,湿度数组单元用于基于湿度变化特征矩阵中的时间窗口对应的湿度变化速率,生成湿度变化速率数组; 温湿变化特征矩阵单元,温湿变化特征矩阵单元与温度数组单元和湿度数组单元电性连接,温湿变化特征矩阵单元用于将温度变化速率数组与湿度变化速率数组,组合为温湿变化特征矩阵C; ,其中 为第i个时间窗口下的温湿度变 化速率; 模型单元,模型单元与温湿变化特征矩阵单元电性连接,模型单元用于建立温湿自动控制模型,对恒温恒湿实验箱的温度与湿度进行修正,生成温湿调控参数; 所述模型单元内部包括: 温度修正子单元,温度修正子单元用于基于温湿变化特征矩阵时间窗口下的温度变化速率,对恒温恒湿实验箱内部的温度参数进行温度参数修正,获得温度修正参数; 湿度修正子单元,湿度修正子单元用于基于温湿变化特征矩阵时间窗口下的湿度变化速率,对恒温恒湿实验箱内部的湿度参数进行湿度参数修正,获得湿度修正参数; 温湿影响子单元,温湿影响子单元与温度修正子单元和湿度修正子单元电性连接,温湿影响子单元用于基于温度修正参数与湿度修正参数,确定温湿度之间的影响系数; 模型预测子单元,模型预测子单元与温度修正子单元、湿度修正子单元和温湿影响子单元电性连接,模型预测子单元用于基于温湿自动控制模型,所述温湿自动控制模型内部包括:温度自动控制模型与湿度自动控制模型,所述温度自动控制模型将温湿度之间的影响系数作为影响条件,温度自动控制模型以温度修正参数输入,以预测下一个时间的节点的温度参数作为输出,所述湿度自动控制模型将温湿度之间的影响系数作为影响条件,湿度自动控制模型以湿度修正参数输入,以预测下一个时间的节点的湿度参数作为输出,对当前恒温恒湿实验箱的温度与湿度进行修正,生成温湿调控参数; 其中,基于温度修正参数与湿度修正参数,确定温湿度之间的影响系数具体为: 式中,α为温湿度之间的影响系数, 为温度修正参数的标准 差, 为湿度修正参数的标准差, 为温度修正参数与湿度修正参数之间的协方差; 其中,温湿自动控制模型具体为: 式中, 预测的下一个时间节点的温度调控参数, 为下一个时 间节点的湿度调控参数。 [0010] 与现有技术相比,本发明的有益效果在于:本发明提出一种适用于实验的恒温恒湿实验箱自动调控方案,通过集成历史数据采集、特征提取、模型建立、参数生成和调控执行等模块,实现了对恒温恒湿实验箱温湿度的精确预测和自动控制,减少实验中的温度与湿度过冲,提高恒温恒湿实验箱的精准度和稳定性,实现更加可靠的实验环境控制,提升实验数据的准确性。 附图说明 具体实施方式[0012] 以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例,本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。 [0013] 参照图1所示,一种适用于实验的恒温恒湿实验箱自动调控系统,包括:接口模块,接口模块用于获取恒温恒湿实验箱的调控单元,配置相应恒温恒湿实验箱的I/O控制接口; 历史数据采集模块,历史数据采集模块用于收集历史恒温恒湿实验箱的温度控制数据与湿度控制数据,打包为温度控制数据数组与湿度控制数据数组; 温度特征模块,温度特征模块与历史数据采集模块电性连接,温度特征模块用于基于温度控制数据数组,筛选出数组中与温度变化关联特征,确定温度变化率; 湿度特征模块,湿度特征模块与历史数据采集模块电性连接,湿度特征模块用于基于湿度控制数据数组,筛选出数组中与湿度变化关联特征,确定湿度变化率; 温湿参数生成模块,温湿调控模块与温度特征模块和湿度特征模块电性连接,温湿调控模块用于基于恒温恒湿实验箱的温度变化率与湿度变化率,建立温湿自动控制模型,对恒温恒湿实验箱的温度与湿度进行修正,生成温湿调控参数; 调控模块,调控模块与温湿参数生成模块电性连接,调控模块用于根据温湿调控参数,将温湿调控参数输入温恒湿实验箱的I/O控制接口完成控制。 [0014] 本方案通过数据采集、特征筛选、学习模型构建和参数调节的方式,实现了对恒温恒湿实验箱的智能化控制。该系统能够分析历史数据和当前环境状态,根据学习模型生成相应的调控参数,从而实现对实验箱温湿度的准确控制和调节,提高实验的可靠性和稳定性。 [0015] 其中,历史数据采集模块内部包括:采集单元,采集单元用于基于恒温恒湿实验箱中的传感器,收集历史实验箱温度数据与湿度数据; 数据打包单元,数据打包单元与采集单元电性连接,数据打包单元用于根据恒温恒湿实验箱的开始时间至结束时间,按照每小时作为时间窗口,将指定时间窗口内的温度数据与湿度数据打包成温度控制数据数组与湿度控制数据数组; 数据预处理单元,数据预处理单元与数据打包单元电性连接,数据打包单元用于基于温度控制数据数组与湿度控制数据数组,识别其中温度与湿度超出水平值的异常数据,并对异常数据进行预处理。 [0016] 其中,温度特征模块内部包括:温度矩阵单元,温度矩阵单元用于基于温度控制数据数组,将温度控制数据数组中的时间窗口下的分钟节点对应的温度值进行标记,获得温度变化特征矩阵A; ,其中, 为第i个时间窗口下的第j个分钟节点对应的温度值,n为 时间窗口的总数,m为分钟节点的总数; 温度确认节点单元,温度确认节点单元与温度矩阵单元电性连接,温度确认节点单元用于基于温度变化特征矩阵,将温度变化特征矩阵的时间窗口初始位置作为当前时间节点温度值,通过滑动窗口获取上一个时间节点温度值; 温度变化速率计算单元,温度变化速率计算单元与温度确认节点单元电性连接,温度变化速率计算单元用于基于当前时间节点温度值、上一个时间节点温度值和两个时间节点之间的时间差,通过温度速率公式,计算温度变化速率; 其中,温度速率公式为: 式中,D为温度变化速率, 为第j个分钟节点对应的温度值, 为第 的上一个时间节点温度值, 为两个时间节点之间的时间差。 [0017] 本方案通过对恒温恒湿实验箱的温度控制数据进行有效处理和分析,提供了对温度变化速率的准确计算,从而为实验控制和环境监测提供了重要依据。通过滑动窗口技术,可以实时跟踪温度变化趋势,进而对实验条件进行更精确的调整,确保实验结果的准确性和可靠性。 [0018] 其中,湿度特征模块内部包括:湿度矩阵单元,湿度矩阵单元用于基于湿度控制数据数组,将湿度控制数据数组中的时间窗口下的分钟节点对应的湿度值进行标记,获得湿度变化特征矩阵B; ,其中, 为第i个时间窗口下的第j个分钟节点对应的湿度值,n 为时间窗口的总数,m为分钟节点的总数; 湿度确认节点单元,湿度确认节点单元与湿度矩阵单元电性连接,湿度确认节点单元用于基于湿度变化特征矩阵,将湿度变化特征矩阵的时间窗口初始位置作为当前时间节点湿度值,通过滑动窗口获取上一个时间节点湿度值; 湿度变化速率计算单元,湿度变化速率计算单元与湿度确认节点单元电性连接,湿度变化速率计算单元用于基于当前时间节点湿度值、上一个时间节点湿度值和两个时间节点之间的时间差,通过湿度速率公式,计算湿度变化速率; 其中,湿度速率公式为: 式中,H为湿度变化速率,为第j个分钟节点对应的湿度值, 为第 的上一个时间节点湿度值, 为两个时间节点之间的时间差。 [0019] 本方案通过对恒温恒湿实验箱的湿度控制数据进行有效处理和分析,提供了对湿度变化速率的准确计算,从而为实验控制和环境监测提供了重要依据。通过滑动窗口技术,可以实时跟踪湿度变化趋势,进而对实验条件进行更精确的调整,确保实验结果的准确性和可靠性。 [0020] 其中,温湿参数生成模块内部包括:温度数组单元,温度数组单元用于基于温度变化特征矩阵中的时间窗口对应的温度变化速率,生成温度变化速率数组; 湿度数组单元,湿度数组单元用于基于湿度变化特征矩阵中的时间窗口对应的湿度变化速率,生成湿度变化速率数组; 温湿变化特征矩阵单元,温湿变化特征矩阵单元与温度数组单元和湿度数组单元电性连接,温湿变化特征矩阵单元用于将温度变化速率数组与湿度变化速率数组,组合为温湿变化特征矩阵C; ,其中 为第i个时间窗口下的温湿度变 化速率; 模型单元,模型单元与温湿变化特征矩阵单元电性连接,模型单元用于建立温湿自动控制模型,对恒温恒湿实验箱的温度与湿度进行修正,生成温湿调控参数; 其中,模型单元内部包括: 温度修正子单元,温度修正子单元用于基于温湿变化特征矩阵时间窗口下的温度变化速率,对恒温恒湿实验箱内部的温度参数进行温度参数修正,获得温度修正参数; 湿度修正子单元,湿度修正子单元用于基于温湿变化特征矩阵时间窗口下的湿度变化速率,对恒温恒湿实验箱内部的湿度参数进行湿度参数修正,获得湿度修正参数; 温湿影响子单元,温湿影响子单元与温度修正子单元和湿度修正子单元电性连接,温湿影响子单元用于基于温度修正参数与湿度修正参数,确定温湿度之间的影响系数; 模型预测子单元,模型预测子单元与温度修正子单元、湿度修正子单元和温湿影响子单元电性连接,模型预测子单元用于基于温湿自动控制模型,所述温湿自动控制模型内部包括:温度自动控制模型与湿度自动控制模型,所述温度自动控制模型将温湿度之间的影响系数作为影响条件,温度自动控制模型以温度修正参数输入,以预测下一个时间的节点的温度参数作为输出,所述湿度自动控制模型将温湿度之间的影响系数作为影响条件,湿度自动控制模型以湿度修正参数输入,以预测下一个时间的节点的湿度参数作为输出,对当前恒温恒湿实验箱的温度与湿度进行修正,生成温湿调控参数; 其中,基于温度修正参数与湿度修正参数,确定温湿度之间的影响系数具体为: 式中,α为温湿度之间的影响系数, 为温度修正参数的标准 差, 为湿度修正参数的标准差, 为温度修正参数与湿度修正参数之间的协方差; 其中,温湿自动控制模型具体为: 式中, 预测的下一个时间节点的温度调控参数, 为下一个时 间节点的湿度调控参数。 [0021] 需要说明的是,温湿自动控制模型的原理是基于对恒温恒湿实验箱内部温度和湿度之间相互作用,通过分别建立温度自动控制模型和湿度自动控制模型来实现精确的环境控制。这些模型将温湿度之间的影响系数作为关键条件,结合实时的温度修正参数和湿度修正参数作为输入,利用温湿自动控制模型算法来预测下一个时间节点的温度和湿度参数,所述的温湿自动控制模型为多元线性回归模型。 [0022] 需要说明的是,上述中的温湿变化特征矩阵是指在同一时间下的温度变化速率与湿度变化速率,为了后续模型能够方便训练识别温度与湿度在变化速率线性影响下的趋势,组合为温湿度变化速率数组。 [0023] 需要说明的是,温度修正参数和湿度修正参数通常是相互关联的,因为温度和湿度是热力学过程中的两个基本变量。其中,温度修正参数是指在特定湿度条件下,为了补偿温度测量误差或确保实验箱内温度控制精度而引入的一个调整值。由于湿度的变化可能会影响温度传感器的读数或实验箱内部的热传递特性,因此需要对温度参数进行修正,而湿度修正参数是指在特定温度条件下,为了补偿湿度测量误差或确保实验箱内湿度控制精度而引入的一个调整值,湿度的控制往往与温度密切相关,因为温度的变化会影响空气中水蒸气的饱和压力,进而影响湿度的感知和控制。 [0024] 需要说明的是,上述中的温湿自动控制模型在实施方案中为温度自动控制模型与湿度自动控制模型,且温度控制模型与湿度控制模型均以温湿度之间的影响系数作为模型的限制条件,根据限制条件下预测下一个时间的温度与湿度调控参数。 [0025] 一种适用于实验的恒温恒湿实验箱自动调控系统的使用过程为:步骤1:获取恒温恒湿实验箱的调控单元,配置相应恒温恒湿实验箱的I/O控制接口; 步骤2:基于恒温恒湿实验箱中的传感器,收集历史实验箱温度数据与湿度数据; 步骤3:根据恒温恒湿实验箱的开始时间至结束时间,按照每小时作为时间窗口,将指定时间窗口内的温度数据与湿度数据打包成温度控制数据数组与湿度控制数据数组; 步骤4:基于温度控制数据数组与湿度控制数据数组,识别其中温度与湿度超出水平值的异常数据,并对异常数据进行预处理; 步骤5:基于温度控制数据数组,将温度控制数据数组中的时间窗口下的分钟节点对应的温度值进行标记,获得温度变化特征矩阵A; 步骤6:基于温度变化特征矩阵,将温度变化特征矩阵的时间窗口初始位置作为当前时间节点温度值,通过滑动窗口获取上一个时间节点温度值; 步骤7:基于当前时间节点温度值、上一个时间节点温度值和两个时间节点之间的时间差,通过温度速率公式,计算温度变化速率; 步骤8:基于湿度控制数据数组,将湿度控制数据数组中的时间窗口下的分钟节点对应的湿度值进行标记,获得湿度变化特征矩阵B; 步骤9:基于湿度变化特征矩阵,将湿度变化特征矩阵的时间窗口初始位置作为当前时间节点湿度值,通过滑动窗口获取上一个时间节点湿度值; 步骤10:基于当前时间节点湿度值、上一个时间节点湿度值和两个时间节点之间的时间差,通过湿度速率公式,计算湿度变化速率; 步骤11:基于温度变化特征矩阵中的时间窗口对应的温度变化速率,生成温度变化速率数组; 步骤12:基于湿度变化特征矩阵中的时间窗口对应的湿度变化速率,生成湿度变化速率数组; 步骤13:温湿变化特征矩阵单元用于将温度变化速率数组与湿度变化速率数组,组合为温湿变化特征矩阵C; 步骤14:建立温湿自动控制模型,对恒温恒湿实验箱的温度与湿度进行修正,生成温湿调控参数; 步骤15:基于温湿变化特征矩阵时间窗口下的温度变化速率,对恒温恒湿实验箱内部的温度参数进行温度参数修正,获得温度修正参数; 步骤16:基于温湿变化特征矩阵时间窗口下的湿度变化速率,对恒温恒湿实验箱内部的湿度参数进行湿度参数修正,获得湿度修正参数; 步骤17:基于温度修正参数与湿度修正参数,确定温湿度之间的影响系数; 步骤18:基于温湿自动控制模型,所述温湿自动控制模型内部包括:温度自动控制模型与湿度自动控制模型,所述温度自动控制模型将温湿度之间的影响系数作为影响条件,温度自动控制模型以温度修正参数输入,以预测下一个时间的节点的温度参数作为输出,所述湿度自动控制模型将温湿度之间的影响系数作为影响条件,湿度自动控制模型以湿度修正参数输入,以预测下一个时间的节点的湿度参数作为输出,对当前恒温恒湿实验箱的温度与湿度进行修正,生成温湿调控参数; 步骤19:根据温湿调控参数,将温湿调控参数输入温恒湿实验箱的I/O控制接口完成控制。 [0026] 综上所述,本发明的优点在于:通过集成历史数据采集、特征提取、模型建立、参数生成和调控执行等模块,实现了对恒温恒湿实验箱温湿度的精确预测和自动控制,提高恒温恒湿实验箱的精准度和稳定性,实现更加可靠的实验环境控制,提升实验数据的准确性。 |