某溫度、濕度、振動(dòng)綜合試驗(yàn)箱智能控制及試驗(yàn)精度

沈朝暉

（中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所，綿陽(yáng) 621900）

某溫度、濕度、振動(dòng)綜合試驗(yàn)箱智能控制及試驗(yàn)精度

沈朝暉

（中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所，綿陽(yáng) 621900）

介紹了某溫度、濕度、振動(dòng)綜合試驗(yàn)箱（簡(jiǎn)稱為“CERT”設(shè)備）系統(tǒng)核心智能控制系統(tǒng)，包括線性控制器PID、微處理器自整定控制器、自適應(yīng)控制器、程序設(shè)定技術(shù)在環(huán)境試驗(yàn)中的應(yīng)用、可控的循環(huán)氣流風(fēng)速確保試驗(yàn)精度。

智能控制系統(tǒng)；PID；自整定；自適應(yīng)；風(fēng)速；精度

引言

用于環(huán)境試驗(yàn)中的某溫度、濕度、振動(dòng)綜合試驗(yàn)箱，既能做恒溫恒濕試驗(yàn)，又能進(jìn)行程序控溫的快溫變?cè)囼?yàn)，連接上振動(dòng)臺(tái)還能進(jìn)行溫度、濕度、振動(dòng)綜合試驗(yàn)。設(shè)備溫度控制能力為低溫下限-75℃，高溫上限+180℃，溫度循環(huán)的溫度范圍為-75℃~180℃，最大升、降溫速率10℃/min。設(shè)備濕度控制能力為濕度下限20%RH，濕度上限95%RH[1]。該設(shè)備主要用于各類(lèi)裝備、整機(jī)及重要部件測(cè)試“MTBF”值的可靠性試驗(yàn)（CERT 中使用的加載應(yīng)力是一次性規(guī)定的“實(shí)際任務(wù)環(huán)境應(yīng)力”），能夠滿足可靠性試驗(yàn)的需求。

1 控制系統(tǒng)核心

這套系統(tǒng)的核心部份是智能控制系統(tǒng)。包括線性控制器PID、微處理器自整定控制器、自適應(yīng)控制器、程序設(shè)定控制。

1.1 線性控制器PID

自動(dòng)控制器把對(duì)象輸出的實(shí)際值與給定值(目標(biāo)值)進(jìn)行比較，確定誤差，產(chǎn)生一個(gè)使誤差減小至零或微小值的控制信號(hào)，進(jìn)行控制。

某溫、濕度、振動(dòng)綜合試驗(yàn)箱的控制機(jī)理是基于經(jīng)典的“比例－微分－積分” PID控制模式[2]。

控制系統(tǒng)如圖1。

系統(tǒng)中的“比較環(huán)節(jié)”將給定量(目標(biāo)值)V(t)與實(shí)際輸出值B(t)相比較得到偏差值G(t)。

比例、微分、積分三個(gè)校正環(huán)節(jié)構(gòu)成“同向并聯(lián)”線性控制系統(tǒng)，它將偏差值的比例結(jié)果(P)、積分結(jié)果

圖1 PID控制器原理

E nvironmental Test Equipment

環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備(I)、微分結(jié)果(D)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。這里的“被控對(duì)象”即設(shè)備中加熱降溫單元和濕度調(diào)控單元。

其控制規(guī)律(系統(tǒng)方程)為：

式中KP—比例系數(shù)

TI—積分時(shí)間常數(shù)

TD—微分時(shí)間常數(shù)

常規(guī)PID控制器是在獲取對(duì)象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)某一整定原則來(lái)確定PID參數(shù)，而實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中常常是具有非線性、時(shí)間變化不確定性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。因此，常規(guī)PID控制在實(shí)際工作中，往往是整定不良，性能欠佳，運(yùn)行適應(yīng)性很差。同時(shí)PID參數(shù)的設(shè)定、整定過(guò)程是非常復(fù)雜繁瑣的。自整定、自適應(yīng)PID控制很好的解決了這個(gè)問(wèn)題。

1.2 微處理器自整定控制器

控制器中的自整定算法是一個(gè)單一沖擊調(diào)諧器。為了對(duì)某個(gè)新過(guò)程狀態(tài)進(jìn)行重新設(shè)置，調(diào)諧器可隨時(shí)手動(dòng)啟動(dòng)。當(dāng)調(diào)整啟動(dòng)響應(yīng)，并給出過(guò)程延遲時(shí)間的估算。然后激勵(lì)接通/斷開(kāi)時(shí)間，確定過(guò)程的自然響應(yīng)，這樣新的控制參數(shù)就計(jì)算出來(lái)了，并且自動(dòng)地進(jìn)行設(shè)置。

1.3 自適應(yīng)控制器

本系統(tǒng)所用的控制器的響應(yīng)速度非?？欤€(wěn)態(tài)精度較高。它的具體實(shí)現(xiàn)是：當(dāng)設(shè)定好的溫度值改變，或出現(xiàn)外界干擾，造成調(diào)節(jié)偏差超出范圍，那么自適應(yīng)PID立即運(yùn)行，找到最佳補(bǔ)償方式，抑制系統(tǒng)的超調(diào)和欠調(diào)；當(dāng)運(yùn)行溫度達(dá)到設(shè)定值后，系統(tǒng)即進(jìn)入常規(guī)的PID調(diào)節(jié)，以保證溫度為所設(shè)定的值。自適應(yīng)控制器功能原理圖[3]如圖2。

圖2 自適應(yīng)控制器功能原理

2 程序控制和PID調(diào)節(jié)解決的問(wèn)題

一般產(chǎn)品在快溫變高、低溫循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中表面會(huì)產(chǎn)生控溫不準(zhǔn)和產(chǎn)生凝露。例如：有一個(gè)快溫變循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生溫度過(guò)沖和產(chǎn)品表面凝露現(xiàn)象。

以前是采用密封塑料袋對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行密封保護(hù)以隔離凝露對(duì)產(chǎn)品工作態(tài)溫度試驗(yàn)的影響，和減小溫度過(guò)沖對(duì)產(chǎn)品的影響，但此方法延遲了試驗(yàn)箱溫度傳遞到產(chǎn)品表面的時(shí)間。

現(xiàn)在采用程序控制和PID調(diào)節(jié)技術(shù)控制風(fēng)速、干風(fēng)吹掃風(fēng)量、制冷量、加熱量，使控溫精度提高，解決不用塑料袋包裝產(chǎn)品，產(chǎn)品表面不會(huì)產(chǎn)生凝露，避免使產(chǎn)品溫度響應(yīng)延遲，并且提高控溫精度。

采用干風(fēng)吹掃除霜技術(shù)能有效去除產(chǎn)品表面的凝露現(xiàn)象。因此，產(chǎn)品溫度循環(huán)試驗(yàn)的正確做法應(yīng)去除密封塑料薄膜包裝。

產(chǎn)品相互間隔在150mm以上時(shí)對(duì)箱內(nèi)空氣的熱交換的影響較小。因此，要合理安放產(chǎn)品數(shù)量。多臺(tái)產(chǎn)品同時(shí)作溫度循環(huán)試驗(yàn)相互間間隔要大于150mm。

表1 程序設(shè)定控制器用中文設(shè)定試驗(yàn)程序

采用可控的循環(huán)氣流風(fēng)速，在可靠性試驗(yàn)中，為了達(dá)到較高的溫度變化速率，必須有較高的循環(huán)氣流風(fēng)速。環(huán)境應(yīng)力篩選實(shí)施指南中明確要求提高箱內(nèi)循環(huán)氣流的速度，使被試產(chǎn)品的溫度能更快和更接近于試驗(yàn)箱內(nèi)的空氣溫度。該CERT試驗(yàn)箱內(nèi)的風(fēng)速可調(diào)整在2m/s～3m/s范圍，試驗(yàn)箱的變溫速率越高，試驗(yàn)箱內(nèi)循環(huán)氣流的額定風(fēng)速也要求越高。

該CERT試驗(yàn)箱還能用于一些高低溫、濕熱等環(huán)境試驗(yàn)，試驗(yàn)箱中配置有調(diào)整風(fēng)速的裝置，利用變頻風(fēng)機(jī)調(diào)速裝置，滿足不同試驗(yàn)規(guī)范對(duì)風(fēng)速的不同要求。試驗(yàn)時(shí)在被試件周?chē)娘L(fēng)速可調(diào)整在0.5m/s～2m/s 范圍。

通過(guò)程序控制和合理的調(diào)節(jié)PID值進(jìn)行如下試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證：

本程序設(shè)定控制器用中文設(shè)定試驗(yàn)程序，能進(jìn)行999次循環(huán)試驗(yàn)。例如：有一個(gè)快溫變循環(huán)試驗(yàn)條件，要求從20℃開(kāi)始，每分鐘下降10℃，下降到-50℃保持2小時(shí)；然后每分鐘上升10℃，上升到50℃保持2小時(shí)；再每分鐘下降10℃，下降到20℃第一個(gè)溫度循環(huán)結(jié)束；這個(gè)過(guò)程循環(huán)十次。那么就可以編寫(xiě)表1程序設(shè)定來(lái)實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)程序控制和PID調(diào)節(jié)技術(shù)、可控的循環(huán)氣流風(fēng)速、并采用干風(fēng)吹掃技術(shù)，解決控制精度和凝露問(wèn)題。

3 結(jié)束語(yǔ)

該智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作使用方便，且性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。系統(tǒng)運(yùn)行多年來(lái)，從未發(fā)生故障。該系統(tǒng)控制溫、濕度的精度高，在-75℃～+180℃溫度范圍，控制溫度精度為±0.5℃。在20%RH～ 95%RH濕度范圍，控制濕度精度為+2%RH～-3%RH。滿足JJF 1101-2003校準(zhǔn)規(guī)范要求。在工作過(guò)程中，該控制系統(tǒng)操作方便，可靠性高，完全能夠滿足可靠性試驗(yàn)的需求。

[1] 生產(chǎn)廠家某型溫、濕度綜合試驗(yàn)箱控制說(shuō)明書(shū)[Z].

[2] 滿紅,梁迎春等. 自動(dòng)控制原理[M].北京:清華大學(xué)出版社,2011.

[3] 孔凡才.自動(dòng)控制原理與系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

沈朝暉，男，1969年1月出生，從事產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)與技術(shù)應(yīng)用。

標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用與解讀

(續(xù)上期)

Intelligent Control and Test Precision of A Temperature, Humidity and Vibration Combined Test Chamber

SHEN Zhao-hui
（The Institute of Electronic Engineering of CAEP, Mianyang 621900）

This paper introduces the system core intelligent control system in a temperature, humidity and vibration combined test chamber (CERT device for short), including the linearity controller PID, the MPU self-tuning controller, the self-adaptive controller, the application of programmed technology in the environment test, and the controllable circulation flow wind speed that ensures the test accuracy.

intelligent control system; PID; self-tuning; self-adaptive; wind speed; precision

O327

A

1004-7204(2014)05-0086-03