冷熱沖擊試驗中防凝露控制的研究

王 丹，顧 偉，褚建新

（上海海事大學 物流科學與工程研究院，上海 201306）

高低溫沖擊試驗箱在儀器、儀表、機械、電工、電子產品的可靠性檢測中被廣泛應用，在高、低溫的交替變化下檢測樣品的性能，從而篩選出結構上的缺陷[1]。在三箱式的高低溫沖擊試驗中，由于冷熱空氣的頻繁對流，特別是由當測試區溫度由低溫轉換為高溫，水分含量達到一定程度時，檢測樣品表面以及試驗箱的內部會出現凝露，勢必對檢測樣品的測試產生影響，造成絕緣能力下降，影響其力學、電氣性能[2]。傳統的防凝露方法無法做到完全防凝露，測試結果與預期存在差異。

目前國內外防凝露方法有主要以下幾種：采用LK（TH）凝露監控器；采用SDK-NL型凝露控制器；采用KWN溫度凝露控制器；等。然而，前2種凝露控制器均采用凝露傳感器[3-4]，空氣中的灰塵會損壞傳感器的性能，降低其靈敏度，使加熱器不能及時啟動。KWN溫度凝露控制器所采用的凝露傳感器拐點為相對濕度93%，對整個控制起不到預防的作用，傳感器本身也存在誤差，這樣對凝露的產生無法及時控制。對此，文中分析了凝露產生的原因，在模糊自整定PID控制的基礎上加入預測控制，設計了防凝露控制系統；對試驗采集的數據進行誤差分析，完成測量誤差的補償，不斷改進防凝露控制算法，以滿足試驗箱以及檢測樣品對防凝露的嚴格要求。

1 凝露問題

1.1 凝露產生的機理

凝露是指當檢測樣品或者試驗箱表面溫度低于周圍空氣的露點溫度時，水蒸氣在設備表面冷凝的現象。因此，凝露產生與否取決于檢測樣品表面溫度和試驗箱測試區的當前環境溫度、相對濕度，檢測樣品表面溫度低于露點溫度時，空氣中的水蒸氣就會凝結成水珠。DHT11數字溫濕度傳感器的露點可以根據當前溫度和相對濕度計算得出，計算公式[6]為

式中：t為當前環境溫度，℃；U為相對濕度，%；td為露點溫度，℃。露點溫度與溫濕度的函數關系如圖1所示。

圖1 露點溫度與溫濕度的關系Fig.1 Relationship between dew point temperature and temperature-humidity

由圖可見，當前環境溫度與露點溫度的差值的變化與濕度的變化成反比，差值越小，濕度越大；差值越大，濕度越??；差值接近于0時，露點溫度就是當前環境溫度。

1.2 防凝露控制系統的設計

根據凝露機理，只要使檢測樣品表面的溫度始終保持高于周圍環境中空氣的凝露點溫度，就可以破壞凝露產生的條件[7]。設定檢測樣品表面溫度為ts，露點溫度為td。DHT11具有很好的線性輸出，考慮傳感器誤差和可靠系數，根據大量試驗數據，將露點溫度差的閾值D0設定為0.5，得出的控制方式為

ts-td≤D0時，啟動遠紅外加熱器和排風扇；

ts-td>D0時，關閉遠紅外加熱器和排風扇。

采用DHT11數字溫濕度傳感器代替受環境局限的凝露傳感器，可以對露點直接控制，具有良好的控制曲線和平穩的控制性能。通過防凝露控制算法對傳感器的數據進行分析，得出最優的控制策略，從而響應遠紅外加熱器。防凝露控制系統原理結構如圖2所示。

圖2 防凝露控制系統原理結構Fig.2 Anti-condensation control system principle structure

2 防凝露控制策略

2.1 模糊自整定PID控制器

傳統PID控制難以取得很好的控制效果。模糊控制理論結合傳統的PID控制理論，在PID算法的基礎上，以檢測樣品表面溫度ts和露點溫度td的差值e及其變化率Δe作為輸入；PID的3個參數Kp，Ki，Kd作為輸出。輸入變量和輸出變量選取 7個模糊子集｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝，分別對應著｛負大，負中，負小，負，正小，正中，正大｝。e，Δe 和Kp，Ki，Kd的模糊隸屬函數均選擇為三角形隸屬函數。利用模糊規則進行模糊推理，查詢模糊矩陣表進行參數調整，利用模糊規則在線對PID參數進行修改，以滿足不同時刻的e和Δe對PID參數自整定的要求[8]，模糊決策采用Mamdani型算法，解模糊化采用重心法。

2.2 模糊自整定PID-Smith控制的防凝露控制器

考慮到高低溫沖擊試驗箱有一些大滯后、非線性器件，執行機構接收信號后需要經過一定的延遲輸出才能反饋到輸入，從而對系統進行防凝露的控制。此過程需要付出較大的延遲時間代價，影響系統運行的穩定性和過度過程的平穩性。對此，在模糊自整定PID控制的基礎上，加入了Smith預估控制，提出了一種嵌入式環境下模糊自整定PID控制和Smith預估控制相結合的防凝露控制系統，兼顧了Smith控制和模糊PID控制的優點，可以有效抑制大滯后的影響，使得系統及時響應控制策略，破壞凝露產生的條件。

模糊PID控制不需要精確的數學模型，避免了Smith對參數過于敏感的問題，將模糊PID控制與Smith預估控制方法結合起來，既可以解決系統延遲的問題，又完成了PID參數的自整定，可以極大程度地提高控制性能。該防凝露控制器的結構如圖3所示。

圖3 防凝露控制器結構Fig.3 Anti-condensation controller structure

3 試驗及其分析

高低溫沖擊試驗箱的溫度是高溫與低溫交替變化，設定高溫沖擊的溫度值為80℃，低溫沖擊的溫度值為-40℃，系統的高溫沖擊時間和低溫沖擊時間均設定為500 s。防凝露控制器采用常規PID控制，采樣周期為10 s，在高溫沖擊階段和低溫沖擊階段各采集100個數據，圖4為檢測樣品表面溫度和露點溫度的變化趨勢。

圖4 常規PID控制系統響應Fig.4 Conventional PID control system response

由圖可見，在常規PID控制下，高低溫沖擊試驗箱測試區的溫度由低溫轉換為高溫時，檢測樣品的表面溫度與露點溫度的差值小于0，且差值較大，系統逐漸到達穩態時，露點溫度差多數維持在0～0.5，這時遠紅外加熱器會自動啟動，增加電能的消耗。

為了更好地控制露點溫度差，可以通過模糊控制實現控制器參數的自我整定，對防凝露控制器進行模糊自整定PID控制。圖5為檢測樣品表面溫度和露點溫度的變化趨勢。

圖5 模糊PID控制系統響應Fig.5 Fuzzy PID control system response

由圖可見，在模糊PID控制下，高低溫沖擊試驗箱測試區的溫度由低溫轉換為高溫時，檢測樣品的表面溫度與露點溫度的差值小于0的情況出現的次數減少，且差值較小，但是露點溫度差多數情況下仍然處于0～0.5，加熱器一直處于運作狀態，加熱器的壽命也會受到影響。

考慮到高低溫沖擊試驗箱為大滯后系統，模糊自整定PID控制具有一定的跟隨延遲，將Smith預估控制加入控制回路中，對回路中的延遲進行補償，對露點溫度差進一步的優化。圖6體現了檢測樣品表面溫度和露點溫度的變化趨勢。

由圖可見，在模糊PID的基礎上加入Smith預估控制后，檢測樣品的表面溫度與露點溫度的差值多數維持在0.5以上，且幾乎沒有出現小于0的情況，有效地進行了防凝露的控制。

圖6 模糊自整定PID-Smith控制響應Fig.6 Fuzzy self-tuning PID-Smith control response

4 結語

針對高低溫沖擊試驗箱在檢測樣品時容易出現凝露的問題，將模糊自整定PID控制和Smith預估控制采用并聯的方式結合，提出了一種自適應能力比較好的防凝露控制系統，并對防凝露控制系統進行試驗及其分析。試驗結果表明，設計的防凝露控制器在防凝露控制系統中是可行的，其自整定的能力對外界的干擾有較好的恢復能力。

參考文獻：

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