冷熱沖擊試驗(yàn)中防凝露控制的研究

王 丹，顧 偉，褚建新

（上海海事大學(xué) 物流科學(xué)與工程研究院，上海 201306）

高低溫沖擊試驗(yàn)箱在儀器、儀表、機(jī)械、電工、電子產(chǎn)品的可靠性檢測中被廣泛應(yīng)用，在高、低溫的交替變化下檢測樣品的性能，從而篩選出結(jié)構(gòu)上的缺陷[1]。在三箱式的高低溫沖擊試驗(yàn)中，由于冷熱空氣的頻繁對流，特別是由當(dāng)測試區(qū)溫度由低溫轉(zhuǎn)換為高溫，水分含量達(dá)到一定程度時(shí)，檢測樣品表面以及試驗(yàn)箱的內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)凝露，勢必對檢測樣品的測試產(chǎn)生影響，造成絕緣能力下降，影響其力學(xué)、電氣性能[2]。傳統(tǒng)的防凝露方法無法做到完全防凝露，測試結(jié)果與預(yù)期存在差異。

目前國內(nèi)外防凝露方法有主要以下幾種：采用LK（TH）凝露監(jiān)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(huì)損壞傳感器的性能，降低其靈敏度，使加熱器不能及時(shí)啟動(dòng)。KWN溫度凝露控制器所采用的凝露傳感器拐點(diǎn)為相對濕度93%，對整個(gè)控制起不到預(yù)防的作用，傳感器本身也存在誤差，這樣對凝露的產(chǎn)生無法及時(shí)控制。對此，文中分析了凝露產(chǎn)生的原因，在模糊自整定PID控制的基礎(chǔ)上加入預(yù)測控制，設(shè)計(jì)了防凝露控制系統(tǒng)；對試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，完成測量誤差的補(bǔ)償，不斷改進(jìn)防凝露控制算法，以滿足試驗(yàn)箱以及檢測樣品對防凝露的嚴(yán)格要求。

1 凝露問題

1.1 凝露產(chǎn)生的機(jī)理

凝露是指當(dāng)檢測樣品或者試驗(yàn)箱表面溫度低于周圍空氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，水蒸氣在設(shè)備表面冷凝的現(xiàn)象。因此，凝露產(chǎn)生與否取決于檢測樣品表面溫度和試驗(yàn)箱測試區(qū)的當(dāng)前環(huán)境溫度、相對濕度，檢測樣品表面溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，空氣中的水蒸氣就會(huì)凝結(jié)成水珠。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器的露點(diǎn)可以根據(jù)當(dāng)前溫度和相對濕度計(jì)算得出，計(jì)算公式[6]為

式中：t為當(dāng)前環(huán)境溫度，℃；U為相對濕度，%；td為露點(diǎn)溫度，℃。露點(diǎn)溫度與溫濕度的函數(shù)關(guān)系如圖1所示。

圖1 露點(diǎn)溫度與溫濕度的關(guān)系Fig.1 Relationship between dew point temperature and temperature-humidity

由圖可見，當(dāng)前環(huán)境溫度與露點(diǎn)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，濕度越小；差值接近于0時(shí)，露點(diǎn)溫度就是當(dāng)前環(huán)境溫度。

1.2 防凝露控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)凝露機(jī)理，只要使檢測樣品表面的溫度始終保持高于周圍環(huán)境中空氣的凝露點(diǎn)溫度，就可以破壞凝露產(chǎn)生的條件[7]。設(shè)定檢測樣品表面溫度為ts，露點(diǎn)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(shù)，根據(jù)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將露點(diǎn)溫度差的閾值D0設(shè)定為0.5，得出的控制方式為

ts-td≤D0時(shí)，啟動(dòng)遠(yuǎn)紅外加熱器和排風(fēng)扇；

ts-td>D0時(shí)，關(guān)閉遠(yuǎn)紅外加熱器和排風(fēng)扇。

采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器代替受環(huán)境局限的凝露傳感器，可以對露點(diǎn)直接控制，具有良好的控制曲線和平穩(wěn)的控制性能。通過防凝露控制算法對傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出最優(yōu)的控制策略，從而響應(yīng)遠(yuǎn)紅外加熱器。防凝露控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 防凝露控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)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(tǒng)PID控制難以取得很好的控制效果。模糊控制理論結(jié)合傳統(tǒng)的PID控制理論，在PID算法的基礎(chǔ)上，以檢測樣品表面溫度ts和露點(diǎn)溫度td的差值e及其變化率Δe作為輸入；PID的3個(gè)參數(shù)Kp，Ki，Kd作為輸出。輸入變量和輸出變量選取 7個(gè)模糊子集｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝，分別對應(yīng)著｛負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，負(fù)，正小，正中，正大｝。e，Δe 和Kp，Ki，Kd的模糊隸屬函數(shù)均選擇為三角形隸屬函數(shù)。利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊矩陣表進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，利用模糊規(guī)則在線對PID參數(shù)進(jìn)行修改，以滿足不同時(shí)刻的e和Δe對PID參數(shù)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(yàn)箱有一些大滯后、非線性器件，執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收信號后需要經(jīng)過一定的延遲輸出才能反饋到輸入，從而對系統(tǒng)進(jìn)行防凝露的控制。此過程需要付出較大的延遲時(shí)間代價(jià)，影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和過度過程的平穩(wěn)性。對此，在模糊自整定PID控制的基礎(chǔ)上，加入了Smith預(yù)估控制，提出了一種嵌入式環(huán)境下模糊自整定PID控制和Smith預(yù)估控制相結(jié)合的防凝露控制系統(tǒng)，兼顧了Smith控制和模糊PID控制的優(yōu)點(diǎn)，可以有效抑制大滯后的影響，使得系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)控制策略，破壞凝露產(chǎn)生的條件。

模糊PID控制不需要精確的數(shù)學(xué)模型，避免了Smith對參數(shù)過于敏感的問題，將模糊PID控制與Smith預(yù)估控制方法結(jié)合起來，既可以解決系統(tǒng)延遲的問題，又完成了PID參數(shù)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(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 防凝露控制器結(jié)構(gòu)Fig.3 Anti-condensation controller structure

3 試驗(yàn)及其分析

高低溫沖擊試驗(yàn)箱的溫度是高溫與低溫交替變化，設(shè)定高溫沖擊的溫度值為80℃，低溫沖擊的溫度值為-40℃，系統(tǒng)的高溫沖擊時(shí)間和低溫沖擊時(shí)間均設(shè)定為500 s。防凝露控制器采用常規(guī)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(gè)數(shù)據(jù)，圖4為檢測樣品表面溫度和露點(diǎn)溫度的變化趨勢。

圖4 常規(guī)PID控制系統(tǒng)響應(yīng)Fig.4 Conventional PID control system response

由圖可見，在常規(guī)PID控制下，高低溫沖擊試驗(yàn)箱測試區(qū)的溫度由低溫轉(zhuǎn)換為高溫時(shí)，檢測樣品的表面溫度與露點(diǎn)溫度的差值小于0，且差值較大，系統(tǒng)逐漸到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，露點(diǎn)溫度差多數(shù)維持在0～0.5，這時(shí)遠(yuǎn)紅外加熱器會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，增加電能的消耗。

為了更好地控制露點(diǎn)溫度差，可以通過模糊控制實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)的自我整定，對防凝露控制器進(jìn)行模糊自整定PID控制。圖5為檢測樣品表面溫度和露點(diǎn)溫度的變化趨勢。

圖5 模糊PID控制系統(tǒng)響應(yīng)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(yàn)箱測試區(qū)的溫度由低溫轉(zhuǎn)換為高溫時(shí)，檢測樣品的表面溫度與露點(diǎn)溫度的差值小于0的情況出現(xiàn)的次數(shù)減少，且差值較小，但是露點(diǎn)溫度差多數(shù)情況下仍然處于0～0.5，加熱器一直處于運(yùn)作狀態(tài)，加熱器的壽命也會(huì)受到影響。

考慮到高低溫沖擊試驗(yàn)箱為大滯后系統(tǒng)，模糊自整定PID控制具有一定的跟隨延遲，將Smith預(yù)估控制加入控制回路中，對回路中的延遲進(jìn)行補(bǔ)償，對露點(diǎn)溫度差進(jìn)一步的優(yōu)化。圖6體現(xiàn)了檢測樣品表面溫度和露點(diǎn)溫度的變化趨勢。

由圖可見，在模糊PID的基礎(chǔ)上加入Smith預(yù)估控制后，檢測樣品的表面溫度與露點(diǎn)溫度的差值多數(shù)維持在0.5以上，且?guī)缀鯖]有出現(xiàn)小于0的情況，有效地進(jìn)行了防凝露的控制。

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

4 結(jié)語

針對高低溫沖擊試驗(yàn)箱在檢測樣品時(shí)容易出現(xiàn)凝露的問題，將模糊自整定PID控制和Smith預(yù)估控制采用并聯(lián)的方式結(jié)合，提出了一種自適應(yīng)能力比較好的防凝露控制系統(tǒng)，并對防凝露控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)及其分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的防凝露控制器在防凝露控制系統(tǒng)中是可行的，其自整定的能力對外界的干擾有較好的恢復(fù)能力。

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