《Measurement and Control》：High-precision temperature control of DC energy metering device PCB based on an asymmetric fuzzy PID-Smith predictor
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直流电能计量装置中计量敏感元件的温漂会降低计量精度，因此PCB温度稳定性成为重要的设计要求。本研究开发了一种带有Smith预估的非对称模糊增益调度PID控制器，用于基于TEC的PCB温度调节。硬件平台采用STM32F103C8T6控制器、SHT30温度传感器和
直流电能计量装置中计量敏感元件的温漂会降低计量精度，因此PCB温度稳定性成为重要的设计要求。本研究开发了一种带有Smith预估的非对称模糊增益调度PID控制器，用于基于TEC的PCB温度调节。硬件平台采用STM32F103C8T6控制器、SHT30温度传感器和基于BTS7960B的H桥TEC驱动器。归一化的MATLAB模型仅用于控制器结构比较；Fluent-UDF为热场调控提供了三维数值参考；硬件实验确定了实际闭环响应和稳态精度。从初步Fluent瞬态模拟中估计出有效延迟为1.5 s。为了检验降阶对象表示，研究人员对具有相同初始条件和边界条件的成对Fluent开环案例进行差分，以隔离增量TEC响应。FOPDT拟合得到的增益幅度KF = 247.35 °C每归一化占空比单位，等效时间常数TF = 176.06 s，均方根误差RMSE = 0.0833 °C，R2 = 0.9933。在具有公共基础增益(Kp, Ki, Kd) = (8,1,4)的参数匹配消融研究中，扰动峰值从对称模糊PID的1.349 °C降至非对称调节后的1.261 °C，并进一步降至完整非对称模糊PID-Smith结构的1.183 °C。在公共再整定条件下，所提出的结构在所有评估控制器中产生了最小的扰动峰值和最低的综合目标函数值。在25、30、35、40和45 °C下的硬件测试均满足±0.2 °C的稳态温度控制要求。
1. 研究背景与问题
直流电能计量装置的精度依赖于采样电阻、精密运算放大器和参考电压源等元件的协调工作，而这些元件对温度敏感。温度漂移会导致电阻值变化、参考电压稳定性扰动并引入放大器偏移，从而增大计量误差。随着国际单位制重新定义以及功率计量硬件的小型化和集成化发展，元件功率密度增加而可用散热面积减小，由此产生的非均匀温度场和局部热应力会降低计量稳定性和长期可靠性。热电冷却器（TEC）提供固态冷却，无机械运动部件，可通过反转电流方向在冷却和加热模式间切换，其紧凑尺寸、可控性和集成灵活性使其广泛应用于电子热管理。然而，TEC-PCB系统仍是非线性的且依赖于运行工况，存在由TEC、传感器和热量通过电路板传播引起的热惯性和可测量的滞后。因此，准确的温度场分析对于评估闭环调节性能至关重要。现有研究虽涉及TEC温度调节和PCB热建模，但模型失配、工作点依赖性和扰动抑制等问题仍需明确解决。为此，本研究旨在开发一种面向应用的TEC-PCB调节方案，重点解决非对称调节、非对称积分释放、可测量滞后预测以及数值冷却功率与硬件PWM之间的代码对齐映射问题。
2. 研究方法
研究人员采用了以下关键技术方法：
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硬件平台搭建：以STM32F103C8T6微控制器为核心控制单元，SHT30传感器进行温度采集，基于BTS7960B的H桥驱动TEC。
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软件控制算法设计：结合非对称模糊增益调度与Smith预估补偿。通过模糊规则表在线调整比例-积分-微分（PID）增益，并针对过热和过冷区域设计不同的增益映射及非对称积分释放机制。
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系统辨识与建模：利用成对的Fluent开环仿真，通过差分法隔离增量TEC响应，采用非线性最小二乘法拟合得到一阶加纯滞后（FOPDT）模型参数。
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多阶段验证：首先在MATLAB中进行归一化模型下的控制器结构对比和参数匹配消融研究；其次通过Fluent-UDF实现三维热场闭环调控仿真；最后进行硬件实验验证实际动态响应和稳态精度。
3. 研究结果
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FOPDT模型辨识结果：通过成对开环Fluent仿真，将基线工况（D=0.125）与阶跃工况（D=0.125→0.145）的响应相减以隔离TEC增量效应。非线性最小二乘拟合得到增益幅度KF=247.35 °C/归一化占空比单位，等效时间常数TF=176.06 s，拟合优度R2=0.9933，均方根误差RMSE=0.0833 °C。无量纲比值L/TF=0.00852表明该三维TEC-PCB热响应并非延迟主导型。
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MATLAB归一化仿真与参数匹配消融：在基准基础增益(Kp, Ki, Kd)=(8,1,4)的消融实验中，对称模糊PID的扰动峰值为1.349 °C，引入非对称调节后降至1.261 °C，加入Smith预估后完整非对称模糊PID-Smith结构进一步降至1.183 °C，相比对称模糊PID降低了约12.3%。消融实验还显示，Smith预估单独应用并不总能改善所有模糊PID结构，其优势需与非对称增益调节和积分释放机制协同才能体现。
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公平再整定分析：在相同模型、约束和复合目标函数下对所有控制器进行优化后，所提出的非对称模糊PID-Smith控制器获得了最小的扰动峰值（1.186 °C）和最低的复合目标函数值（1394.53），但其收敛时间并非最短，其优势在于更好的扰动抑制能力和整体权衡性能。
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硬件实验结果：在25、30、35、40和45 °C的目标温度下进行的硬件测试均成功满足了±0.2 °C的稳态温度控制要求。
4. 结论与讨论
研究人员开发了一种结合非对称模糊增益调度PID与Smith预估器的控制方案，用于直流电能计量装置PCB的高精度温度调节。该方案通过非对称增益映射和非对称积分释放机制，解决了TEC-PCB系统在过热和过冷区域的不同热响应特性问题，并通过Smith预估补偿了系统中的可测量滞后。MATLAB仿真、Fluent-UDF三维热场仿真和硬件实验共同验证了该方案的有效性。在参数匹配消融和公平再整定两种对比条件下，所提出的完整结构均展现出最优的扰动抑制能力，并在硬件测试中达到了±0.2 °C的稳态精度要求。该研究的贡献在于提供了一个面向应用的控制与验证方法论，而非全新的通用控制理论架构。其局限性可能包括对特定硬件平台的依赖性以及控制器参数在不同工况下的鲁棒性需进一步探讨，未来工作可围绕模型自适应、更复杂工况下的性能验证以及与其他先进控制策略的比较展开。
