食品行業(yè)培養(yǎng)箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

摘 要：食品行業(yè)培養(yǎng)箱基本結(jié)構(gòu)由熱濕處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，具有制冷、制熱、除濕、加濕及通風(fēng)等功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和濕度的較精確的控制。制冷、制熱、除濕均由半導(dǎo)體制冷器實(shí)現(xiàn)。該培養(yǎng)箱的控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)將箱內(nèi)的溫度、濕度控制在設(shè)定值附近，并對(duì)控制精度和控制功能有較高的要求。

關(guān)鍵詞：食品行業(yè)；培養(yǎng)箱；控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)研究

1 半導(dǎo)體培養(yǎng)箱的控制系統(tǒng)基本原理

培養(yǎng)箱溫度、濕度的調(diào)節(jié)是通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。培養(yǎng)箱溫度調(diào)節(jié)是由箱體內(nèi)置的溫度傳感器，采集數(shù)據(jù)，傳至溫度控制器調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)通過半導(dǎo)體制冷器電流量或者接通空氣加熱單元即半導(dǎo)體制冷器的熱端面來實(shí)現(xiàn)增加箱體內(nèi)溫度或降低溫度，來達(dá)到所需要的控制溫度；濕度的調(diào)節(jié)是由箱體內(nèi)置的濕度傳感器，采集數(shù)據(jù)，傳至濕度控制器調(diào)節(jié)，從而通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷器的電流量，使其與空氣接觸面的溫度降低，即半導(dǎo)體制冷表面（冷端面）的溫度低于空氣露點(diǎn)溫度的來實(shí)現(xiàn)對(duì)箱體內(nèi)空氣的去濕作用，或者接通超聲波加濕器來實(shí)現(xiàn)加濕作用，以達(dá)到控制所需要的濕度。

2 培養(yǎng)箱的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

要保證培養(yǎng)箱功能的實(shí)現(xiàn)，及設(shè)備的節(jié)能運(yùn)行，必須精確協(xié)調(diào)熱濕處理系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行工作，需要設(shè)計(jì)完善的自動(dòng)控制系統(tǒng)和準(zhǔn)確的控制策略。

2.1 控制方案

2.1.1 熱濕處理設(shè)備控制要求

制冷系統(tǒng)：采用半導(dǎo)體制冷裝置，可以制冷降溫，且改變箱內(nèi)的的相對(duì)濕度。如果冷端表面溫度過低，低于露點(diǎn)溫度時(shí)會(huì)除濕，不需要除濕時(shí)可通過調(diào)整循環(huán)風(fēng)量和啟停周期等措施避免。

加熱系統(tǒng)：采用半導(dǎo)體制熱裝置，可以加熱升溫，可以使箱內(nèi)的相對(duì)濕度降低，但不改變空氣的絕對(duì)濕度d。

除濕系統(tǒng)：采用半導(dǎo)體制冷裝置，與制冷系統(tǒng)聯(lián)合工作使冷端表面溫度低于露點(diǎn)溫度進(jìn)行除濕。

加濕系統(tǒng)：采用超聲波加濕器，增加絕對(duì)濕度d，使箱內(nèi)的含濕量d和相對(duì)濕度φ都增加。

2.1.2 控制策略

溫濕度控制即將空氣的狀態(tài)控制在一定的范圍之t±△t、φ±△φ或d±△d，控制精度即范圍的大小，根據(jù)測(cè)得的干球溫度和濕球溫度，確定初始狀態(tài)。換算出空氣的含濕量d，含濕量d能反映空氣濕空氣的絕對(duì)濕度。將啟動(dòng)時(shí)箱內(nèi)的溫度、絕對(duì)濕度與要求的設(shè)定狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算比較，確定進(jìn)行制冷，加熱、加濕、除濕等設(shè)備的運(yùn)行，將空氣的狀態(tài)參數(shù)調(diào)控到所需的范圍之內(nèi)。

（1）溫度控制

根據(jù)加熱、制冷系統(tǒng)工作特性，并充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)處理數(shù)字量的優(yōu)勢(shì)，采用占空比的信號(hào)輸出，根據(jù)當(dāng)前實(shí)測(cè)值tc與設(shè)定值ts之差tc-ts進(jìn)行如下方案調(diào)節(jié)：

a.當(dāng)tc-ts>2、全負(fù)荷制冷運(yùn)行

-2≤tc-ts≤2時(shí)： PI調(diào)節(jié)運(yùn)行，并根據(jù)進(jìn)入該區(qū)間前的運(yùn)行方式進(jìn)行制冷運(yùn)行或加熱運(yùn)行：

如是在tc-ts>1區(qū)間進(jìn)入的，則保持制冷運(yùn)行，采取PI調(diào)節(jié)制冷負(fù)荷大小。

如是在-1≤tc-ts區(qū)間進(jìn)入的，則保持加熱運(yùn)行，采取PI調(diào)節(jié)制加熱荷大小。

b.當(dāng)tc-ts<-2時(shí)、全負(fù)荷加熱運(yùn)行

由于恒溫恒濕箱的外擾較小，且被控參數(shù)不會(huì)突變，為保證參數(shù)的穩(wěn)定性采用 PI調(diào)節(jié)算法，控制器采用時(shí)間比例的占空比信號(hào)輸出，控制固態(tài)繼電器的通斷，精確控制加熱制冷系統(tǒng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)溫度的準(zhǔn)確控制。

（2）濕度控制

度量空氣中含水蒸汽量的參數(shù)有含濕量d、相對(duì)濕度？準(zhǔn)、濕球溫度ts、露點(diǎn)溫度tL，幾個(gè)參數(shù)中只有含濕量d表示水蒸汽含量的絕對(duì)值，其余都是相對(duì)量。因此將含濕量d作為濕度的控制參數(shù)，更為合理。在濕空氣的諸多參數(shù)中，壓力和溫度是易測(cè)的，而含濕量不易直接測(cè)量，只能通過相對(duì)濕度或濕球溫度的測(cè)量間接得到含濕量。由于測(cè)量相對(duì)濕度的傳感器不確定性較大，穩(wěn)定性差，不適合用于對(duì)溫、濕度要求很高的恒溫恒濕箱，且價(jià)格高。而干、濕球溫度測(cè)量相對(duì)濕度，是傳統(tǒng)的的方法，簡(jiǎn)單可靠。因此，我們采用濕球溫度作為測(cè)量參數(shù)，即濕度的控制參數(shù)。

2.2 控制系統(tǒng)

3 整機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)果表明，本培養(yǎng)箱具有較寬的溫濕度調(diào)控適應(yīng)性，溫濕度參數(shù)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。驗(yàn)證了整機(jī)的工作性能及控制系統(tǒng)控制效果可行。本實(shí)驗(yàn)提出的用絕對(duì)濕度代替相對(duì)濕度，將溫度、絕對(duì)濕度與要求的設(shè)定狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算比較，確定熱濕處理設(shè)備的運(yùn)行，將空氣的狀態(tài)參數(shù)調(diào)控到所需的范圍之內(nèi)是可行的。

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作者簡(jiǎn)介：田茹（1970，12-），女，內(nèi)蒙古包頭市人，本科學(xué)歷，包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，制冷與低溫工程方向。endprint