溫濕度分時(shí)段控制研究

關(guān)鍵詞:控制系統；溫度；濕度；控制算法；測量

我們在項目《溫度/濕度因子與云煙烘烤質(zhì)量的相關(guān)分析》中，需要一個(gè)溫濕度分時(shí)段變化的環(huán)境，為此，設計了以PIC單片機為核心的溫濕度分時(shí)段控制系統，安裝在一氣候室中，取代其原有的控制系統并利用了箱體和大部分執行部件，建成一溫濕度分時(shí)段變化環(huán)境。本系統可將整個(gè)控制過(guò)程分成多個(gè)（最多時(shí)12個(gè)）時(shí)段，每個(gè)時(shí)段設定不同的溫度和濕度，溫度范圍為室溫~90oC ，濕度范圍為20~90%R.H 。但由于是雙變量、寬范圍變化系統，變量變化范圍大，變量間有偶合作用，比已往情況要復雜得多，所以遇到了一些新的問(wèn)題。

溫度控制算法設計和仿真試驗
由于溫度屬于大延時(shí)慣性對象，經(jīng)分析比較，采用增量式PID控制算法對溫度進(jìn)行控制，取采樣周期T = 20s，用暫態(tài)響應法整定控制參數，得到控制方程：
△Ui = 0.69△ei - 0.04ei + 3.1(△ei - △ei-1) (1)
式中△UI：本次和上次控制量之差；ei：本次測量值；△ei：本次和上次測量值之差。
為確定（1）式的調節效果，我們進(jìn)行了仿真試驗：將溫度控制分成兩個(gè)時(shí)段，第一時(shí)段溫度設置為30oC，運行時(shí)間30分鐘，第二時(shí)段溫度設置為45oC。試驗中，每隔10s記錄一次溫度值，然后把時(shí)間-溫度對應數值標在坐標紙上并連接成溫度曲線(xiàn)，見(jiàn)圖1。顯然，溫度過(guò)渡期間出現了明顯的過(guò)沖和寬幅振蕩現象（實(shí)測振幅達7 oC）。經(jīng)分析，過(guò)沖和振蕩是由于發(fā)熱器溫度的滯后特性、控制算法產(chǎn)生的飽和效應和采樣周期選擇不當等原因造成。通過(guò)反復研究，最后采取以下校正措施：過(guò)渡期一開(kāi)始， 控制量U即按
最大值Umax輸出；采樣周期修定為10s；當溫度>40 oC時(shí)，便定為進(jìn)入45 oC的保溫段。相應地，（1）式修改為：
△Ui = 0.35△ei - 0.023ei + 1.57(△ei - △ei-1) (2)
校正前和校正后的溫度曲線(xiàn)見(jiàn)圖1，可見(jiàn)，過(guò)沖和振蕩現象已被基本抑制。仿真結果指出：在保溫段，溫度控制精度穩定在±1 oC以?xún)?，偏差主要源于自然升溫段到保溫段的過(guò)渡時(shí)期。
圖1 過(guò)渡時(shí)期溫度曲線(xiàn)(帶'Х'段為校正后曲線(xiàn)段)

濕度測量設計
目前基于單片機的濕度測量方法主要有兩種：一是采用干濕球法，二是采用濕度傳感器。
干濕球測濕法試驗與結論
我們首先對干濕球法進(jìn)行了試驗。干濕球測濕原理是：用一只熱電阻傳感器檢測空氣溫度（干球溫度），用另一只相同的傳感器檢測被蒸餾水浸濕的面紗套_的溫度（濕球溫度），根據檢測的溫度差，再利用下式進(jìn)行計算[6]:相對濕度={[濕度飽和水氣壓-AP（干球溫度-濕球溫度）]/干球飽和水氣壓}*100%
（Ａ：常數，與風(fēng)速有關(guān)；P：大氣力。）
其中飽和水汽壓的計算是關(guān)鍵，我們采用LOWE多項式來(lái)近似計算飽和水汽壓:
　　　　　　　E = C0 + C1T + C2T2 + ┄ + C6T6
（E：純水平液面飽和水汽壓（干球或濕球）；T：溫度（干球或濕球）；C0_C6：常數。）
試驗中，用北京長(cháng)城航空測控技術(shù)研究所研制的雙高分子高精度濕度測量?jì)x進(jìn)行對比的結果是：在20~90%濕度范圍內，溫度較低時(shí)，對比偏差較小，偏差隨溫度的上升而增加，70oC左右時(shí)，已達到8% 。試驗表明，干濕球測濕法不適用于溫度較高的場(chǎng)合，這個(gè)結論對一些研究論文中的說(shuō)法提出了異議，由于高溫環(huán)境下的較理想的計算公式一時(shí)難以導出，最終我們放棄了這種測濕方案，但卻提出了一個(gè)新的研究課題。
高分子薄膜電容式傳感器測濕設計
濕度傳感器使用較多的有如下幾種：陶瓷濕度傳感器、聚合物濕度傳感器、結露式濕度傳感器和電容式濕度傳感器，其中電容式濕度傳感器的線(xiàn)性度好、響應快、工作可靠，是濕度傳感器發(fā)展的主要趨勢，特別是新近推出的高分子薄膜式濕敏電容更是該類(lèi)產(chǎn)品中的佼佼者，我們在系統的設計中選用了齊齊哈爾科達敏感儀器廠(chǎng)的MSR1高分子膜濕敏電容。

圖1 過(guò)渡時(shí)期溫度曲線(xiàn)(帶“Х”段為校正后曲線(xiàn)段)

圖2 硬件系統組成

圖3 中斷服務(wù)程序框圖

濕度傳感器經(jīng)運放電路進(jìn)行濕—電轉換后，再通過(guò)A/D轉換器進(jìn)入單片機。首先根據特性曲線(xiàn)，結合實(shí)際標定值，按1%的間隔建立起一個(gè)A/D轉化值與濕度值在特定溫度（20oC）時(shí)的對應表格。因為是溫度大范圍變化環(huán)境，為保證測量精度，必須對溫度進(jìn)行補償，為此，分別在30oC、40oC、50oC、60oC、70oC 、80oC 、90oC 的溫度下，重復上述測量與數據處理過(guò)程，形成8個(gè)A/D轉化值與濕度值的對應表格，再用線(xiàn)性插值，最終得到每隔1oC的溫度補償值。將全部表格和數據寫(xiě)入EPROM，測量時(shí)通過(guò)查表獲得濕度值。以上設計中，充分發(fā)揮了計算機的軟件優(yōu)勢，使得在溫度允許變化范圍內，濕度測量誤差不超過(guò)±2% 。由于濕度變化較快，慣性較小，采用直接自適應控制算法對濕度進(jìn)行控制。
在以上濕度測量的設計過(guò)程中，試驗了幾個(gè)廠(chǎng)家生產(chǎn)的不同型號的電容式傳感器，進(jìn)而加深了其認識，有必要做一些說(shuō)明，以便同行研制開(kāi)發(fā)類(lèi)似產(chǎn)品時(shí)參考：①每一個(gè)傳感器，均給出了兩個(gè)標定數據（例如0%的輸出電壓值和50%的輸出電壓值），由于傳感器具有良好的線(xiàn)性度，根據這兩點(diǎn)可畫(huà)出對應溫度為25 oC時(shí)的輸出特性曲線(xiàn)，不必再進(jìn)行標定。廠(chǎng)家還給出了一個(gè)溫度補償計算公式：真實(shí)輸出電壓值=傳感器的輸出電壓值/（a+bT）（a、b為確定的數據，T為環(huán)境溫度，當T等于25 oC時(shí)，a+bT=1）。于是，根據此公式可得到不同溫度下的輸出特性曲線(xiàn)。不少廠(chǎng)家宣稱(chēng)，傳感器的適應范圍是-10 oC~90oC和20~90%的全濕全溫區域，事實(shí)上，我們經(jīng)試驗發(fā)現，隨著(zhù)溫濕度的增加，以上得到的特性曲線(xiàn)的誤差也越來(lái)越大，特別是在溫度>80oC和濕度>80%的高溫高濕區，誤差會(huì )達到無(wú)法接受的程度。所以，高溫高濕區的特性曲線(xiàn)應該通過(guò)實(shí)際標定而不是通過(guò)廠(chǎng)家給出的方法來(lái)獲得。②在放置傳感器的微觀(guān)環(huán)境中，風(fēng)速應保持恒定，否則會(huì )引起測量的不穩定性，必要時(shí)可加模擬風(fēng)。
硬件系統組成
系統控制核心選用PIC16C72單片機，由于片內自帶EPROM、A/D電路，且22個(gè)I/O口均具有較強的負載能力（可直接驅動(dòng)LED），所以本硬件電路只須很少的外圍元件，硬件系統組成見(jiàn)圖2。五路執行模塊分別實(shí)現對各參數的控制，其中升溫為連續控制，單片機輸出的脈寬可調制型脈沖，經(jīng)光電可控硅隔離、驅動(dòng)，控制電熱器升溫功率。由于升溫控制是工作過(guò)程中使用最多的控制，所以其高精度、高穩定性的特點(diǎn)提高了整個(gè)系統的控制性能。濕度控制為開(kāi)關(guān)控制，濕度加濕采用超生波電加濕器，去濕采用排濕風(fēng)扇。
圖2 硬件系統組成

軟件設計
軟件部分除主程序外，還包含有中斷服務(wù)、測量、鍵盤(pán)、顯示、控制算法、A/D轉換、溫度補償和查表等功能模塊。由于系統控制過(guò)程是由中斷服務(wù)程序實(shí)現的，本文給出了中斷服務(wù)程序流程圖（見(jiàn)圖3）,從中可以看到整個(gè)程序設計的思路和概貌.

結語(yǔ)
本系統研制成功投入運行一年多，使用結果表明，系統工作穩定可靠、效果良好。另外，本系統盡管是為科研而開(kāi)發(fā)，也適合于農副產(chǎn)品的烘烤與干制、食品的制作與加工、人工氣候箱等應用領(lǐng)域。
圖3 中斷服務(wù)程序框圖

參考文獻
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作者簡(jiǎn)介：黃曉因，男，江蘇南京市人，副教授。研究方向：?jiǎn)纹瑱C應用與開(kāi)發(fā)。