基于智能算法的平板導熱系數測量儀

盧　萍

（遼寧工程職業學院，遼寧 鐵嶺 112008）

基于智能算法的平板導熱系數測量儀

盧萍

（遼寧工程職業學院，遼寧 鐵嶺 112008）

摘要：平板式導熱系數測量儀是根據傅立葉導熱定律。能夠提高導熱系數的精度及測試的效率，加熱器控制算法是來自改進遺傳算法的PID。運用改進的遺傳算法去尋優確定PID參數Kp、Ki、Kd。這樣的話縮短了測試周期，并使導熱儀的測試效率得到提高，更能讓虛擬儀器平臺提高了測量處理的自動化和智能化程度。結論：導熱系數的測試精度與效率，在應用此測量儀得到提高。

導熱系數；溫度控制；電爐；虛擬儀器

物質的導熱能力由導熱系數所呈現，它的高低決定物質的熱傳導能力。導熱系數高的材料有好的導熱性。本文提出一種新型智能的穩態平板法導熱系數測試儀，因為采用的溫控系統和智能算法相結合，所以，大大提高了測試速度及精度。

一、測量原理

傅立葉導熱定律：單位時間內通過給定截面的熱量P與該截面的面積S和垂直于該截面的溫度梯度dt/dH成正比，其數學關系式為：

式中：λ單位w/（m·k），P單位W，S單位m2，H單位m。

設冷板溫度為t1，熱板溫度為t2，熱板加熱功率為P，被測試樣厚度為H、熱板截面積為S，當冷板與熱板溫差一定時即可求出導熱系數λ。

二、系統采用硬件

本文采用的測量儀主要由幾部分組成，分別是：恒流電源，熱電偶信號放大和冷端補償，A/D轉換電路等等。其硬件結構如圖1所示。

其中主副電爐的溫度是由安裝在單片機中的驅動電路控制的，加熱電爐為試樣提供恒定的加熱功率。需要測試的材料是使用電阻爐的加熱算法進行加熱控制的，它的目的是使主加熱板的溫度迅速達到要求的恒定測量溫度t2，使冷板的溫度恒定在t1溫度上。我們還使用了MAX6675芯片，主要是用它來信號增強、熱電偶冷端補償及A/D轉換功能，最后由上位機計算出惹到系數的量。

圖1　平板法導熱系數測試儀框圖

三、軟件設計

根據導熱系數公式，導熱系數是由3方面決定的：（1）熱板加熱的功率大小P。（2）熱板的恒定溫度的t2和。（3）冷板的溫度t1。如果加熱功率恒定，那么導熱系數由t1和t2決定。也就是說，t1與t2的穩定性決定導熱系數的精確度。上位機的操作面板示意圖如圖2所示。

圖2　上位機操作面板

四、電爐的溫度控制

由于電阻爐是被控對象，他的特性是參數會隨著爐溫變化而變化，所以我們一半采用普通的PID控制算法來控制它。但是這種算法也有缺點，例如當工藝溫度出現大范圍波動時，就需要我們修改系統的PID參數，如果溫度破洞比較劇烈，會導致控制效果變差，從而出現誤差。那么為了彌補缺點，在本文中還引入了模糊控制這種算法。它是根據規則控制算法衍生而來的，它的控制規則是語言性控制規則，它主要依據現場操作人員的操作經驗來與熟練的技能來實現，所以我們也不用建立精確的控制模型了。它的缺點是在隨機干擾嚴重的復雜控制過程中，控制精度會大大降低。根據權衡以上的優點和缺點，在本文中使用參數自整定的模糊PID控制算法。其優點是可以充分利用模糊控制規則在線調整PID參數的同時，也可以大大增強對環境溫度變化的應變能力。圖3是PID與模糊PID仿真對比圖，圖中示意出模糊PID算法具有更好的動態性能。

單片機C語言編程時，將模糊PID尋優得到3個參數Kp，Ki，Kd代入PID程序。實際溫度控制圖如圖4所示。

圖3　普通PID與模糊PID仿真對比

圖4　實際溫度控制效果

結語

在測試儀的整機的架設中，因為希望節省成本，就采取了“上位機+下位機”的這種硬件模型，這種模型的優點是結構簡單方便，對于瞬態法導熱系數測試儀也有很好的兼容性。上位機所使用的是Labview虛擬控制面板，其優點是不但降低成本，還能提高儀器的靈活度。下位機是將模糊PID算法應用于電爐溫控程序，他的優點是縮短測試時間，整體的測試效率有顯著提升。

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