微光可靠性檢測(cè)系統(tǒng)高低溫箱溫度控制仿真研究

郭曉雪

(長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)校，長(zhǎng)春 130102)

微光可靠性檢測(cè)系統(tǒng)高低溫箱溫度控制仿真研究

郭曉雪

(長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)校，長(zhǎng)春 130102)

針對(duì)微光瞄具可靠性檢測(cè)系統(tǒng)中高低溫箱的溫度特性，分析研究幾種常用溫度控制算法的不同適用環(huán)境。鑒于本溫控系統(tǒng)純滯后等特點(diǎn)，主要研究Dahlin和Smith預(yù)估兩種常用控制算法的控制效果，通過MATLAB中的Simulink功能仿真得出控制曲線，比較兩種算法的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇更適合本系統(tǒng)的控制算法，對(duì)提高控制效率具有重要意義。

高低溫箱；溫度控制；Dahlin算法；Smith預(yù)估控制算法；Simulink

高低溫環(huán)境模擬系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛，在輕武器瞄具可靠性試驗(yàn)中也發(fā)揮了極其重要的作用。工業(yè)過程控制中大慣性、純滯后對(duì)象的控制問題普遍存在，很容易出現(xiàn)超調(diào)量較大以及調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)等問題[1]。對(duì)于大時(shí)滯系統(tǒng)，基于常規(guī)控制算法又衍生出很多種組合算法，比如組合Smith模糊控制、模糊PID控制等[2-4]。在實(shí)際控制過程中，純滯后控制系統(tǒng)Dahlin算法與基于Smith預(yù)估的PID控制，也得到了比較廣泛的應(yīng)用。本文針對(duì)微光瞄具可靠性檢測(cè)設(shè)備中，為瞄具提供高低溫試驗(yàn)環(huán)境的高低溫箱純滯后、大慣性、非線性強(qiáng)等特點(diǎn)，研究Dahlin算法和Smith預(yù)估控制算法的有效性。

1 高低溫試驗(yàn)箱的結(jié)構(gòu)組成

為滿足微光瞄具可靠性檢測(cè)要求，本實(shí)驗(yàn)所用高低溫箱技術(shù)指標(biāo)及性能參數(shù)如表1所示：

表1 高低溫箱技術(shù)指標(biāo)及性能參數(shù)Tab.1 High and low temperature technical indicators and performance parameters

本實(shí)驗(yàn)中制冷系統(tǒng)采用法國(guó)“泰康”全封閉壓縮機(jī)組，二元復(fù)疊制冷設(shè)計(jì)，制冷劑使用環(huán)保制冷劑R404A、F23環(huán)保冷媒。冷卻方式采用風(fēng)冷。送風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)采用上出風(fēng)下回風(fēng)設(shè)計(jì)，風(fēng)速、風(fēng)壓符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，并且在開關(guān)門瞬間溫度回穩(wěn)時(shí)間快。離心風(fēng)機(jī)強(qiáng)力送風(fēng)循環(huán)，避免任何死角，可使測(cè)試區(qū)內(nèi)溫度分布均勻。

2 高低溫箱溫度控制模型的建立

溫度對(duì)象時(shí)間常數(shù)大，滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，影響因素復(fù)雜多變[5]。分析發(fā)現(xiàn)本溫控系統(tǒng)自適應(yīng)能力也較弱，升溫、保溫依靠電源加熱，降溫采用風(fēng)冷，所以其溫度曲線超調(diào)比較大，穩(wěn)定時(shí)間會(huì)較長(zhǎng)。通過對(duì)本實(shí)驗(yàn)中高低溫箱特性的研究，其溫度控制的特點(diǎn)為純滯后、大慣性、非線性強(qiáng)。Dahlin算法和Smith預(yù)估控制算法對(duì)于純滯后系統(tǒng)的控制都比較有效，但是這兩種算法又存在一些差異，所以分析二者的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇控制效果較好的控制算法，對(duì)本溫控系統(tǒng)具有很重要的意義。根據(jù)熱力學(xué)原理，被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型為：

(1)

其中：K為放大倍數(shù)，t為純滯后時(shí)間，T為過程時(shí)間常數(shù)，Gp(S) 是被控對(duì)象中不含純滯后的部分。閉環(huán)傳遞函數(shù)可表示為：

(2)

e-τs項(xiàng)即滯后環(huán)節(jié)，會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，e-τs越大，系統(tǒng)就越不穩(wěn)定。

3 基于Simulink 的仿真研究

根據(jù)傳遞函數(shù)(式2)，取K=1.5，t=80，T=2 000，則控制系統(tǒng)的參考模型為：

(3)

本實(shí)驗(yàn)期望輸出的最高溫度為70℃，當(dāng)系統(tǒng)輸入為階躍函數(shù)時(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。

通過分析不同情況下兩種算法的仿真曲線，得出更適合本溫度控制系統(tǒng)的算法。其中，使用Smith控制方法時(shí)，在PI控制中，取比例系數(shù)kp=4，積分系數(shù)ki=0.007。(橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為s，縱坐標(biāo)為溫度，單位為℃)

第一，當(dāng)兩種控制模型與系統(tǒng)模型完全匹配時(shí)：

根據(jù)仿真結(jié)果，Dahlin算法相對(duì)于Smith算法調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，響應(yīng)速度較慢，Smith控制算法效果較理想。

第二，當(dāng)兩種控制模型與系統(tǒng)模型不匹配時(shí)，取K=2，τ=110，T=1 600，則控制系統(tǒng)的參考模型為：

(4)

仿真結(jié)果如圖1、圖2所示：

圖1 基于Dahlin算法的階躍響應(yīng)Fig.1 Step response based on Dahlin algorithm

圖2 基于Smith預(yù)估算法的階躍響應(yīng)Fig.2 Step response based on Smith estimation algorithm

分析以上仿真曲線，當(dāng)模型失配時(shí)，Dahlin算法與Smith預(yù)估控制算法，都具有較好的自適應(yīng)能力。但是顯然Smith控制算法出現(xiàn)了振蕩，產(chǎn)生了超調(diào)。而Dahlin算法雖然調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，響應(yīng)速度較慢，但是比較穩(wěn)定，幾乎沒有振蕩，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。所以雖然兩種算法都適用于純滯后系統(tǒng)，但是通過比較發(fā)現(xiàn)，Dahlin算法控制效果更好，更適用于本溫度控制系統(tǒng)。

4 結(jié)論

本文在分析實(shí)驗(yàn)用高低溫箱的結(jié)構(gòu)及溫度控制特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)適用于純滯后控制系統(tǒng)的常用算法，Dahlin與Smith預(yù)估控制算法的控制效果進(jìn)行了研究。在仿真過程中發(fā)現(xiàn)，在某種情況下，Dahlin算法實(shí)際上是Smith控制算法的特例。通過對(duì)兩種算法的比較發(fā)現(xiàn)，Dahlin算法更適合本溫控系統(tǒng)，能夠在一定程度上改善溫度控制的效果。

[1] 孫小方，蔡亦軍，潘海天，等. 大時(shí)滯過程自適應(yīng)智能模糊-smith控制研究[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2008，(05)：56-57.

[2] 紀(jì)振平，范津齊. 模糊PID在鍋爐無難度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 沈陽理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，32(03)：98-99.

[3] Mohanmmed Elnour A/Alla.Walleed Ibrahim Mohammed Taha. PID and Fuzzy Logic in Temperature control system[C]//ICCEEE，2013.

[4] 梁春燕，謝劍英. 大純滯后系統(tǒng)的自適應(yīng)補(bǔ)償控制[J]. 控制理論與應(yīng)用，2001，(02)：176-180.

[5] 段江霞.模糊PID控制在大慣量時(shí)滯溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2013.

Researchonsimulationofhighandlowtemperatureboxescontrolbasedonglimmerreliabilitytestingsystem

GUO Xiao-xue

(Changchun Vocational Institute of Technology, Changchun 130102, China)

According to the temperature characteristics of the high and low temperature boxes in the microgrid sighting reliability testing system, the different applicable environments of several commonly used temperature control algorithms are analyzed and studied. In view of the characteristics of pure lag in the temperature control system, the control effect of Dahlin and Smith control algorithms were mainly studied, the control curve was obtained through the function simulation of Simulink in MATLAB. Comparing the advantages and disadvantages of two algorithms, it should choose more control algorithm suitable for the system, which is of great significance to improve the control efficiency.

High and low temperature box; Temperature control; Dahlin algorithm; Smith predictor control algorithm; Simulink

E933.2

A

1674-8646(2017)24-0054-02

2017-10-29

郭曉雪(1988-)，女，碩士，助教。