1溫升控制裝置設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)思路

我們?cè)诩訜嵩囼?yàn)中通常采用兩種方式,一是采用加熱箱通過加熱空氣,利用熱輻射傳導(dǎo)方式對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行加熱,這種加熱方式可以用于產(chǎn)品與工裝一起加熱,主要用于高溫破壞性試驗(yàn),整個(gè)加熱試驗(yàn)中,試驗(yàn)人員不用接近箱體:也可以用于產(chǎn)品與工裝分開加熱,主要用于低溫試驗(yàn),加熱完畢,試驗(yàn)人員需開箱取產(chǎn)品。該方式由于產(chǎn)品裸露在加熱環(huán)境中,通過增加可視化功能,可根據(jù)需考核位置布置觀察窗口,監(jiān)控不同角度的產(chǎn)品溫升變化過程,并儲(chǔ)存監(jiān)控畫面,可通過查詢方式放大、放慢監(jiān)控畫面,回放試驗(yàn)所需時(shí)間段的產(chǎn)品溫升變化。另一種是采用加熱帶包裹產(chǎn)品,通過加熱體直接對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行加熱,這種加熱方式更適合加熱環(huán)境受限,加熱箱無法使用的加熱試驗(yàn)。

1.2溫升控制裝置控制原理設(shè)計(jì)

加熱試驗(yàn)的溫升控制系統(tǒng)由加熱材料、可控硅(或固態(tài)繼電器)、PID數(shù)字溫度調(diào)節(jié)儀以及測溫元件組成,其示意圖如圖1所示。

溫升控制的核心為PLC可編程控制器?？刂品绞綖闇囟炔杉?、本質(zhì)安全隔離、可編程核心控制、溫度控制儀數(shù)據(jù)運(yùn)算,形成一個(gè)閉環(huán)控制,實(shí)時(shí)控制產(chǎn)品溫度的加熱和恒定,達(dá)到系統(tǒng)要求的溫升能力。

1.3溫升控制裝置溫度采集方式

加熱箱和加熱帶的溫升控制原理雖然一樣,但由于加熱箱和加熱帶的熱傳導(dǎo)方式不一樣,所以溫度采集方式也有所區(qū)別。

1.3.1加熱箱的溫度傳感器位置布置

由于加熱箱是對(duì)箱體內(nèi)腔進(jìn)行加熱,一般采用在箱體頂部安裝兩支溫度傳感器,采集箱體內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度,進(jìn)行加熱控制和超溫報(bào)警。有特殊要求的,會(huì)在腔體的所需位置安裝用于顯示的溫度傳感器。加熱箱傳感器的位置布置如圖2所示。

1.3.2加熱箱的熱風(fēng)循環(huán)原理

加熱箱內(nèi)加熱器產(chǎn)生的熱量在風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下,氣流按照設(shè)計(jì)好的通道進(jìn)行環(huán)形運(yùn)動(dòng),被帶到箱體各處,使箱體各處的溫度分布均勻并達(dá)到設(shè)定值。

1.3.3加熱帶的溫度傳感器位置布置

加熱帶的溫度傳感器直接貼附在產(chǎn)品表面,用三只溫度傳感器的平均值進(jìn)行加熱控制,一只傳感器進(jìn)行超溫報(bào)警。加熱帶傳感器位置布置如圖3所示。

由于產(chǎn)品的尾部金屬蓋存在厚度,恒溫時(shí)形成散熱,產(chǎn)品局部溫度下降,多次加溫試驗(yàn)驗(yàn)證傳感器4的位置溫度與前3只傳感器的位置溫度存在溫差,所以選擇傳感器1、傳感器2、傳感器3之和的平均值進(jìn)行加熱控制。

2溫升控制裝置溫度精度調(diào)節(jié)方法

2.1溫度精度調(diào)節(jié)原理

精度調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)核心是PID控制參數(shù)的整定。目前閉環(huán)自動(dòng)控制技術(shù)都是基于反饋的概念以減少不確定性,反饋理論的要素包括測量、比較和執(zhí)行。測量的關(guān)鍵是被控變量的實(shí)際值與期望值相比較,用偏差來糾正系統(tǒng)的響應(yīng),執(zhí)行調(diào)節(jié)控制。

比例P控制將設(shè)定值sP與反饋過程值y(1)進(jìn)行比較,其誤差e(1)乘以比例常數(shù)P得到輸出u(1)。

積分I控制解決了比例P控制要不就是有誤差,要不就是振蕩這個(gè)缺點(diǎn),與比例一塊進(jìn)行控制,即PI控制,可以消除靜態(tài)誤差。其公式如下:

式中,u(1)為輸出:Kp為比例放大系數(shù):Ki為積分放大系數(shù):e(1)為誤差:u0為控制量基準(zhǔn)值(基礎(chǔ)偏差)。

微分D控制可以解決整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度問題。PID控制公式如下:

2.2加熱試驗(yàn)溫升裝置溫度精度調(diào)節(jié)方法

溫控儀表自帶的整定功能主要針對(duì)固定溫度、固定時(shí)間完成精度調(diào)節(jié)。加熱試驗(yàn)的工作曲線不是固定不變的,升溫時(shí)間和升溫速率每個(gè)階段不同,所以自整定調(diào)節(jié)精度對(duì)加熱試驗(yàn)的兩種方式都不適用。

2.2.1理想溫度曲線的精度調(diào)節(jié)方法

對(duì)于升溫時(shí)間和升溫速率每個(gè)階段不同的試驗(yàn)曲線來說,精度的調(diào)節(jié)主要依賴工程經(jīng)驗(yàn),直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行,不同升溫速率段的PID參數(shù)是不同的,調(diào)試時(shí)分別選擇各個(gè)不同升溫速率的加熱段作為采樣周期,按照先比例P、后積分I再微分D的順序反復(fù)調(diào)試,最終確定P、I、D的大小。一個(gè)理想的曲線有兩個(gè)波,前高后低4比1。

2.2.2實(shí)際溫度曲線的精度調(diào)節(jié)方法

加熱箱的溫度控制在一個(gè)密封空間,PID調(diào)節(jié)滿足溫度曲線要求后,控制精度相對(duì)穩(wěn)定。惡劣環(huán)境會(huì)破壞加熱箱的密封性,導(dǎo)致加熱環(huán)境發(fā)生變化,原來的PID值便滿足不了加熱箱的溫度控制精度了。這時(shí)可根據(jù)原比例P、積分I和微分D值的20%增減逐一調(diào)試,重新找到最佳控制精度。

由于加熱帶是包裹在產(chǎn)品外的,加熱環(huán)境有許多不定因素,例如產(chǎn)品有無非標(biāo)包裝殼體、非標(biāo)包裝殼體的密封程度、試驗(yàn)場地的環(huán)境溫度都會(huì)使PID調(diào)節(jié)的精度偏離,這就需要多次試驗(yàn)積累的經(jīng)驗(yàn)值。

2.2.3加熱試驗(yàn)的溫度曲線圖

某加熱試驗(yàn)的理想溫度曲線如圖4所示,實(shí)際溫度曲線如圖5所示。

3結(jié)語

對(duì)于溫度控制設(shè)備,主要考核溫升能力和溫度控制精度這兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。各種條件的加熱試驗(yàn)中,溫升控制是成熟技術(shù),通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)是可控的。而加熱精度隨環(huán)境等不定因素變化也不定,需進(jìn)行偏差校正,這是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)積累的過程,但掌握PID調(diào)節(jié)方式是關(guān)鍵。