高精度恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

彭夢(mèng)迪，鄭 晟

（太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引 言

水泥在水化時(shí)產(chǎn)生的熱量叫作水泥的水化熱[1]。水化熱高的水泥不得用在大體積混凝土工程中，否則會(huì)使混凝土的內(nèi)部溫度大大超過外部，從而引起較大的溫度應(yīng)力，使混凝土表面產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重影響混凝土的強(qiáng)度及其他性能[2-4]。因此，必須對(duì)水泥的水化熱進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，從而選擇合適水化熱的水泥用于混凝土。

相對(duì)于其他常見物質(zhì)的發(fā)熱量，例如1 g 煤炭的發(fā)熱量大約為29 kJ，水泥水化熱的量級(jí)是非常小的，大約為250 J/g，因此，熱流傳感器測(cè)得的熱量信號(hào)是非常微弱的。而測(cè)量該熱量的熱流傳感器靈敏度又非常低（約為0.1 mV/（W/m2）），所以量熱裝置周圍環(huán)境溫度的波動(dòng)對(duì)測(cè)得水化熱結(jié)果的影響非常顯著[5-6]。

針對(duì)量熱裝置對(duì)其周圍環(huán)境溫度的高敏感性，為了保證水化熱測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，需將量熱裝置固定在恒溫箱內(nèi)且保證箱內(nèi)溫度穩(wěn)定度[7]為±0.02 ℃。首先，需設(shè)計(jì)恒溫箱的機(jī)械結(jié)構(gòu)，盡量減弱外界環(huán)境溫度變化對(duì)箱內(nèi)溫度的影響，且保證溫度控制的快速性和全面性[8-10]。其次，由于傳統(tǒng)PID 的控制參數(shù)是固定不變的，響應(yīng)速度慢、抗干擾能力弱、誤差大等難以滿足本系統(tǒng)高精度高穩(wěn)定度的要求，而模糊控制不依賴精確的系統(tǒng)模型，仿照人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制，對(duì)于非線性、時(shí)變系統(tǒng)控制效果很好，具有較強(qiáng)的魯棒性和適應(yīng)性[11-14]。綜合考慮，本文提出一種模糊PID 的控制方式，并且通過所設(shè)計(jì)的精密恒溫箱來驗(yàn)證該控制方式的有效性。

1 恒溫箱機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)

根據(jù)測(cè)量水泥水化熱裝置的大小，確定恒溫箱的大小為50 cm×40 cm×40 cm，恒溫箱采用空氣循環(huán)系統(tǒng)，利用循環(huán)空氣和溫控系統(tǒng)使其溫度保持高度穩(wěn)定（在±0.02 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)）?？諝庋h(huán)流通一方面加快了加熱冷卻元件的迅速擴(kuò)散作用，另一方面也解決了單一溫度測(cè)點(diǎn)不能全面反映空間內(nèi)各點(diǎn)溫度的問題。

但恒溫箱溫度控制系統(tǒng)不僅要求箱內(nèi)的溫度保持一定的穩(wěn)定度，同時(shí)還不允許出現(xiàn)溫度死角和明顯的空氣流動(dòng)，使箱內(nèi)空間保持一定的溫度均勻性，所以要對(duì)恒溫箱的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行精密設(shè)計(jì)[15-16]。為此，本文采用多層箱式溫度控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 恒溫箱結(jié)構(gòu)

1.1 恒溫箱結(jié)構(gòu)說明

整個(gè)恒溫箱體外殼用不銹鋼制成，箱內(nèi)壁是真空絕熱板，簡(jiǎn)稱VIP 板，內(nèi)外壁中間用聚氨酯發(fā)泡劑填滿，形成一層3 cm 厚的隔熱層；箱蓋厚度為6.5 cm，且在與箱體接觸的部分安裝密封條。以上旨在減少箱內(nèi)與外界環(huán)境的熱量交換，減弱外界環(huán)境對(duì)箱體內(nèi)部溫度的影響。

恒溫箱內(nèi)部主要分為制冷腔和恒溫腔。

1）制冷腔部分的主體即為等溫散熱裝置，半導(dǎo)體制冷元件嵌于其上表面，制冷端朝上，熱端朝下。冷量由交流風(fēng)扇1 吹入恒溫腔；熱量經(jīng)散熱裝置散失，交流風(fēng)扇2 用來加速熱量的散失，有助于溫度的快速穩(wěn)定。

2）恒溫腔箱體由鐵皮制成，箱蓋留有16 個(gè)孔用來放置測(cè)量水泥水化熱的攪拌器，箱底則要留有放置交流風(fēng)扇2 的孔洞。

1.2 恒溫箱內(nèi)部工作說明

空氣經(jīng)過恒溫腔與箱體之間的縫隙從恒溫腔流入半導(dǎo)體制冷端，經(jīng)過冷卻后，在制冷腔中經(jīng)過一次混合使空氣的溫度比較均勻。這些空氣再由風(fēng)扇1 從制冷腔吹入恒溫腔，通過氣流的流動(dòng)，使制冷片上產(chǎn)生的冷量傳遞到恒溫腔內(nèi)，以保證恒溫腔內(nèi)空氣溫度的穩(wěn)定性并使其內(nèi)的溫度場(chǎng)更加均勻。

恒溫箱內(nèi)溫度的穩(wěn)定性主要由下位機(jī)溫控系統(tǒng)控制半導(dǎo)體制冷片工作來達(dá)到設(shè)定溫度值的目的，而箱內(nèi)整個(gè)溫度場(chǎng)的均勻性則是由機(jī)械結(jié)構(gòu)決定的，重點(diǎn)包括：

1）制冷后的空氣要與原空氣充分混合，使空氣溫度均勻。

2）交流風(fēng)扇1 將混合后的空氣吹入恒溫腔，風(fēng)扇功率要合適，功率過小，風(fēng)量不足不能起到使空氣均勻混合的目的，風(fēng)量過大則會(huì)使空氣氣流組織混亂，溫度場(chǎng)也會(huì)不均。

3）交流風(fēng)扇2 負(fù)責(zé)將半導(dǎo)體制冷片熱端產(chǎn)生的熱量盡快散出去，以保證溫度調(diào)節(jié)的快速性，需選用較大功率的風(fēng)扇。

2 恒溫控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

由于該恒溫箱控制系統(tǒng)要求精度較高，傳統(tǒng)的PID很難達(dá)到理想的控制效果，而模糊控制器設(shè)計(jì)的依據(jù)在于人對(duì)被控對(duì)象的控制經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)造容易，魯棒性好，控制原理和實(shí)現(xiàn)策略容易掌握，因而考慮將模糊控制與傳統(tǒng)PID 相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)恒溫箱溫度的控制[17-18]。

2.1 模糊PID 控制原理

模糊PID 控制器就是傳統(tǒng)PID 控制器和模糊控制的有機(jī)結(jié)合。將系統(tǒng)的偏差e 和偏差變化率ec 作為模糊控制器的輸入，然后根據(jù)模糊控制規(guī)則庫進(jìn)行模糊推理以及解模糊處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID 參數(shù)KP，KI，KD的在線整定，傳統(tǒng)PID 在獲得重新整定后的參數(shù)后對(duì)控制對(duì)象輸出控制量[19]。模糊PID 控制器原理示意圖如圖2 所示。

圖2 模糊PID 控制器

2.2 模糊PID 控制器控制規(guī)則設(shè)計(jì)

為保證控制器的功能要求，將模糊調(diào)節(jié)的輸入e 和ec 以及三個(gè)輸出ΔKP，ΔKI，ΔKD的變化范圍都定義為模糊集上的論域{-3，3}，其模糊子集為e，ec，ΔKP，ΔKI，ΔKD={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，分別代表負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。為保證覆蓋程度和靈敏程度，各變量都服從三角形隸屬度函數(shù)分布。

在各種e 和ec 情況下，被控過程對(duì)PID 三個(gè)參數(shù)的要求如下：

1）若|e|較大時(shí)，ΔKP取較大的值，使系統(tǒng)響應(yīng)速度加快；令ΔKI=0，防止系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)過大。ΔKD取較小的值，防止開始時(shí)偏差突然加大而可能存在的微分過飽和現(xiàn)象。

2）若|e|和|ec|中等大小時(shí)，ΔKP取較小的值，ΔKI和ΔKD取適中值，保證系統(tǒng)超調(diào)量相對(duì)較小。

3）當(dāng)|e|比較小時(shí)，ΔKP和ΔKI取較大的值，而ΔKD取適當(dāng)值，以此來避免在平衡點(diǎn)附近出現(xiàn)系統(tǒng)振蕩。

4）若|ec|較小，ΔKP，ΔKP需較大；|ec|較大，ΔKP，ΔKD需較小。

由以上理論知識(shí)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出的PID 三個(gè)參數(shù)變化量的整定模糊控制表，如表1 所示?？刂葡到y(tǒng)對(duì)模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果進(jìn)行處理、查表和運(yùn)算，完成對(duì)KP，KI，KD進(jìn)行在線自動(dòng)調(diào)整。其計(jì)算公式如下：

式中：KP，KI，KD分別稱為PID 控制器的比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)；為最初整定好的PID 參數(shù)；ΔKP，ΔKI，ΔKD分別為通過模糊推理得到的參數(shù)增量值。

表1 ΔKP，ΔKI，ΔKD的模糊控制規(guī)則表

3 溫控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文設(shè)定目標(biāo)溫度值為20 ℃。首先對(duì)恒溫箱進(jìn)行傳統(tǒng)PID 控制，通過多次整定PID 控制器的控制參數(shù)，得到其溫度變化曲線如圖3、圖4 所示。

圖3 傳統(tǒng)PID 控制方式下的溫度曲線

圖4 傳統(tǒng)PID 控制下溫度穩(wěn)定后30 min 內(nèi)的曲線

由圖3、圖4 可以看出，恒溫箱內(nèi)的溫度在25 min 左右就達(dá)到了20 ℃附近，但是溫度曲線毛刺較多，穩(wěn)定后溫度變化并不能穩(wěn)定在（20±0.02）℃，不能滿足測(cè)量水泥水化熱的溫度要求。

運(yùn)用模糊PID 控制算法控制的溫度變化過程如圖5、圖6 所示。

圖5 模糊PID 控制方式下的溫度曲線

圖6 模糊PID 控制下溫度穩(wěn)定后30 min 內(nèi)的曲線

由圖5、圖6 可以看出，模糊PID 控制的溫度變化過程與傳統(tǒng)PID 控制相近，在控制時(shí)間上差不多，都是在25 min 左右達(dá)到目標(biāo)值附近，但是其控溫過程更為平滑，而且溫度在穩(wěn)定后波動(dòng)范圍在±0.02 ℃，滿足測(cè)量水泥水化熱的溫度要求。

4 結(jié) 語

本文以準(zhǔn)確測(cè)量水泥水化熱為背景，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定度為±0.02 ℃的高精度恒溫空氣箱控制系統(tǒng)。針對(duì)高精度溫度控制中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行策略研究，并對(duì)箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行精密設(shè)計(jì)，且提出一種基于STM32 的溫度控制系統(tǒng)。對(duì)于提高測(cè)量水泥水化熱的精確度及提升混凝土質(zhì)量都有非常重要的意義，同時(shí)對(duì)于各種由于所測(cè)對(duì)象是微小信號(hào)而需要高精度、高穩(wěn)定度溫度環(huán)境的一般研究也具有一定的借鑒意義。