溫濕度分時段控制研究

關(guān)鍵詞:控制系統(tǒng)；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，需要一個溫濕度分時段變化的環(huán)境，為此，設(shè)計了以PIC單片機為核心的溫濕度分時段控制系統(tǒng)，安裝在一氣候室中，取代其原有的控制系統(tǒng)并利用了箱體和大部分執(zhí)行部件，建成一溫濕度分時段變化環(huán)境。本系統(tǒng)可將整個控制過程分成多個（最多時12個）時段，每個時段設(shè)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(tǒng)，變量變化范圍大，變量間有偶合作用，比已往情況要復(fù)雜得多，所以遇到了一些新的問題。

溫度控制算法設(shè)計和仿真試驗
由于溫度屬于大延時慣性對象，經(jīng)分析比較，采用增量式PID控制算法對溫度進行控制，取采樣周期T = 20s，用暫態(tài)響應(yīng)法整定控制參數(shù)，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(diào)節(jié)效果，我們進行了仿真試驗：將溫度控制分成兩個時段，第一時段溫度設(shè)置為30oC，運行時間30分鐘，第二時段溫度設(shè)置為45oC。試驗中，每隔10s記錄一次溫度值，然后把時間-溫度對應(yīng)數(shù)值標在坐標紙上并連接成溫度曲線，見圖1。顯然，溫度過渡期間出現(xiàn)了明顯的過沖和寬幅振蕩現(xiàn)象（實測振幅達7 oC）。經(jīng)分析，過沖和振蕩是由于發(fā)熱器溫度的滯后特性、控制算法產(chǎn)生的飽和效應(yīng)和采樣周期選擇不當?shù)仍蛟斐?。通過反復(fù)研究，最后采取以下校正措施：過渡期一開始， 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，便定為進入45 oC的保溫段。相應(yīng)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見圖1，可見，過沖和振蕩現(xiàn)象已被基本抑制。仿真結(jié)果指出：在保溫段，溫度控制精度穩(wěn)定在±1 oC以內(nèi)，偏差主要源于自然升溫段到保溫段的過渡時期。
圖1 過渡時期溫度曲線(帶'Х'段為校正后曲線段)

濕度測量設(shè)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(jié)論
我們首先對干濕球法進行了試驗。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(jù)檢測的溫度差，再利用下式進行計算[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(shù)，與風速有關(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(shù)。）
試驗中，用北京長城航空測控技術(shù)研究所研制的雙高分子高精度濕度測量儀進行對比的結(jié)果是：在20~90%濕度范圍內(nèi)，溫度較低時，對比偏差較小，偏差隨溫度的上升而增加，70oC左右時，已達到8% 。試驗表明，干濕球測濕法不適用于溫度較高的場合，這個結(jié)論對一些研究論文中的說法提出了異議，由于高溫環(huán)境下的較理想的計算公式一時難以導(dǎo)出，最終我們放棄了這種測濕方案，但卻提出了一個新的研究課題。
高分子薄膜電容式傳感器測濕設(shè)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(jié)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性度好、響應(yīng)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產(chǎn)品中的佼佼者，我們在系統(tǒng)的設(shè)計中選用了齊齊哈爾科達敏感儀器廠的MSR1高分子膜濕敏電容。

圖1 過渡時期溫度曲線(帶“Х”段為校正后曲線段)

圖2 硬件系統(tǒng)組成

圖3 中斷服務(wù)程序框圖

濕度傳感器經(jīng)運放電路進行濕—電轉(zhuǎn)換后，再通過A/D轉(zhuǎn)換器進入單片機。首先根據(jù)特性曲線，結(jié)合實際標定值，按1%的間隔建立起一個A/D轉(zhuǎn)化值與濕度值在特定溫度（20oC）時的對應(yīng)表格。因為是溫度大范圍變化環(huán)境，為保證測量精度，必須對溫度進行補償，為此，分別在30oC、40oC、50oC、60oC、70oC 、80oC 、90oC 的溫度下，重復(fù)上述測量與數(shù)據(jù)處理過程，形成8個A/D轉(zhuǎn)化值與濕度值的對應(yīng)表格，再用線性插值，最終得到每隔1oC的溫度補償值。將全部表格和數(shù)據(jù)寫入EPROM，測量時通過查表獲得濕度值。以上設(shè)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(nèi)，濕度測量誤差不超過±2% 。由于濕度變化較快，慣性較小，采用直接自適應(yīng)控制算法對濕度進行控制。
在以上濕度測量的設(shè)計過程中，試驗了幾個廠家生產(chǎn)的不同型號的電容式傳感器，進而加深了其認識，有必要做一些說明，以便同行研制開發(fā)類似產(chǎn)品時參考：①每一個傳感器，均給出了兩個標定數(shù)據(jù)（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性度，根據(jù)這兩點可畫出對應(yīng)溫度為25 oC時的輸出特性曲線，不必再進行標定。廠家還給出了一個溫度補償計算公式：真實輸出電壓值=傳感器的輸出電壓值/（a+bT）（a、b為確定的數(shù)據(jù)，T為環(huán)境溫度，當T等于25 oC時，a+bT=1）。于是，根據(jù)此公式可得到不同溫度下的輸出特性曲線。不少廠家宣稱，傳感器的適應(yīng)范圍是-10 oC~90oC和20~90%的全濕全溫區(qū)域，事實上，我們經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，隨著溫濕度的增加，以上得到的特性曲線的誤差也越來越大，特別是在溫度>80oC和濕度>80%的高溫高濕區(qū)，誤差會達到無法接受的程度。所以，高溫高濕區(qū)的特性曲線應(yīng)該通過實際標定而不是通過廠家給出的方法來獲得。②在放置傳感器的微觀環(huán)境中，風速應(yīng)保持恒定，否則會引起測量的不穩(wěn)定性，必要時可加模擬風。
硬件系統(tǒng)組成
系統(tǒng)控制核心選用PIC16C72單片機，由于片內(nèi)自帶EPROM、A/D電路，且22個I/O口均具有較強的負載能力（可直接驅(qū)動LED），所以本硬件電路只須很少的外圍元件，硬件系統(tǒng)組成見圖2。五路執(zhí)行模塊分別實現(xiàn)對各參數(shù)的控制，其中升溫為連續(xù)控制，單片機輸出的脈寬可調(diào)制型脈沖，經(jīng)光電可控硅隔離、驅(qū)動，控制電熱器升溫功率。由于升溫控制是工作過程中使用最多的控制，所以其高精度、高穩(wěn)定性的特點提高了整個系統(tǒng)的控制性能。濕度控制為開關(guān)控制，濕度加濕采用超生波電加濕器，去濕采用排濕風扇。
圖2 硬件系統(tǒng)組成

軟件設(shè)計
軟件部分除主程序外，還包含有中斷服務(wù)、測量、鍵盤、顯示、控制算法、A/D轉(zhuǎn)換、溫度補償和查表等功能模塊。由于系統(tǒng)控制過程是由中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)的，本文給出了中斷服務(wù)程序流程圖（見圖3）,從中可以看到整個程序設(shè)計的思路和概貌.

結(jié)語
本系統(tǒng)研制成功投入運行一年多，使用結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、效果良好。另外，本系統(tǒng)盡管是為科研而開發(fā)，也適合于農(nóng)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(yīng)用領(lǐng)域。
圖3 中斷服務(wù)程序框圖

參考文獻
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作者簡介：黃曉因，男，江蘇南京市人，副教授。研究方向：單片機應(yīng)用與開發(fā)。