某溫度、濕度、振動綜合試驗箱智能控制及試驗精度

沈朝暉

（中國工程物理研究院電子工程研究所，綿陽 621900）

某溫度、濕度、振動綜合試驗箱智能控制及試驗精度

沈朝暉

（中國工程物理研究院電子工程研究所，綿陽 621900）

介紹了某溫度、濕度、振動綜合試驗箱（簡稱為“CERT”設備）系統核心智能控制系統，包括線性控制器PID、微處理器自整定控制器、自適應控制器、程序設定技術在環境試驗中的應用、可控的循環氣流風速確保試驗精度。

智能控制系統；PID；自整定；自適應；風速；精度

引言

用于環境試驗中的某溫度、濕度、振動綜合試驗箱，既能做恒溫恒濕試驗，又能進行程序控溫的快溫變試驗，連接上振動臺還能進行溫度、濕度、振動綜合試驗。設備溫度控制能力為低溫下限-75℃，高溫上限+180℃，溫度循環的溫度范圍為-75℃~180℃，最大升、降溫速率10℃/min。設備濕度控制能力為濕度下限20%RH，濕度上限95%RH[1]。該設備主要用于各類裝備、整機及重要部件測試“MTBF”值的可靠性試驗（CERT 中使用的加載應力是一次性規定的“實際任務環境應力”），能夠滿足可靠性試驗的需求。

1 控制系統核心

這套系統的核心部份是智能控制系統。包括線性控制器PID、微處理器自整定控制器、自適應控制器、程序設定控制。

1.1 線性控制器PID

自動控制器把對象輸出的實際值與給定值(目標值)進行比較，確定誤差，產生一個使誤差減小至零或微小值的控制信號，進行控制。

某溫、濕度、振動綜合試驗箱的控制機理是基于經典的“比例－微分－積分” PID控制模式[2]。

控制系統如圖1。

系統中的“比較環節”將給定量(目標值)V(t)與實際輸出值B(t)相比較得到偏差值G(t)。

比例、微分、積分三個校正環節構成“同向并聯”線性控制系統，它將偏差值的比例結果(P)、積分結果

圖1 PID控制器原理

E nvironmental Test Equipment

環境試驗設備(I)、微分結果(D)通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。這里的“被控對象”即設備中加熱降溫單元和濕度調控單元。

其控制規律(系統方程)為：

式中KP—比例系數

TI—積分時間常數

TD—微分時間常數

常規PID控制器是在獲取對象數學模型的基礎上，根據某一整定原則來確定PID參數，而實際工業生產過程中常常是具有非線性、時間變化不確定性，難以建立精確的數學模型。因此，常規PID控制在實際工作中，往往是整定不良，性能欠佳，運行適應性很差。同時PID參數的設定、整定過程是非常復雜繁瑣的。自整定、自適應PID控制很好的解決了這個問題。

1.2 微處理器自整定控制器

控制器中的自整定算法是一個單一沖擊調諧器。為了對某個新過程狀態進行重新設置，調諧器可隨時手動啟動。當調整啟動響應，并給出過程延遲時間的估算。然后激勵接通/斷開時間，確定過程的自然響應，這樣新的控制參數就計算出來了，并且自動地進行設置。

1.3 自適應控制器

本系統所用的控制器的響應速度非常快，穩態精度較高。它的具體實現是：當設定好的溫度值改變，或出現外界干擾，造成調節偏差超出范圍，那么自適應PID立即運行，找到最佳補償方式，抑制系統的超調和欠調；當運行溫度達到設定值后，系統即進入常規的PID調節，以保證溫度為所設定的值。自適應控制器功能原理圖[3]如圖2。

圖2 自適應控制器功能原理

2 程序控制和PID調節解決的問題

一般產品在快溫變高、低溫循環試驗過程中表面會產生控溫不準和產生凝露。例如：有一個快溫變循環試驗，試驗過程中產生溫度過沖和產品表面凝露現象。

以前是采用密封塑料袋對產品進行密封保護以隔離凝露對產品工作態溫度試驗的影響，和減小溫度過沖對產品的影響，但此方法延遲了試驗箱溫度傳遞到產品表面的時間。

現在采用程序控制和PID調節技術控制風速、干風吹掃風量、制冷量、加熱量，使控溫精度提高，解決不用塑料袋包裝產品，產品表面不會產生凝露，避免使產品溫度響應延遲，并且提高控溫精度。

采用干風吹掃除霜技術能有效去除產品表面的凝露現象。因此，產品溫度循環試驗的正確做法應去除密封塑料薄膜包裝。

產品相互間隔在150mm以上時對箱內空氣的熱交換的影響較小。因此，要合理安放產品數量。多臺產品同時作溫度循環試驗相互間間隔要大于150mm。

表1 程序設定控制器用中文設定試驗程序

采用可控的循環氣流風速，在可靠性試驗中，為了達到較高的溫度變化速率，必須有較高的循環氣流風速。環境應力篩選實施指南中明確要求提高箱內循環氣流的速度，使被試產品的溫度能更快和更接近于試驗箱內的空氣溫度。該CERT試驗箱內的風速可調整在2m/s～3m/s范圍，試驗箱的變溫速率越高，試驗箱內循環氣流的額定風速也要求越高。

該CERT試驗箱還能用于一些高低溫、濕熱等環境試驗，試驗箱中配置有調整風速的裝置，利用變頻風機調速裝置，滿足不同試驗規范對風速的不同要求。試驗時在被試件周圍的風速可調整在0.5m/s～2m/s 范圍。

通過程序控制和合理的調節PID值進行如下試驗進行驗證：

本程序設定控制器用中文設定試驗程序，能進行999次循環試驗。例如：有一個快溫變循環試驗條件，要求從20℃開始，每分鐘下降10℃，下降到-50℃保持2小時；然后每分鐘上升10℃，上升到50℃保持2小時；再每分鐘下降10℃，下降到20℃第一個溫度循環結束；這個過程循環十次。那么就可以編寫表1程序設定來實現。

通過程序控制和PID調節技術、可控的循環氣流風速、并采用干風吹掃技術，解決控制精度和凝露問題。

3 結束語

該智能控制系統結構簡單，操作使用方便，且性能穩定，抗干擾能力強。系統運行多年來，從未發生故障。該系統控制溫、濕度的精度高，在-75℃～+180℃溫度范圍，控制溫度精度為±0.5℃。在20%RH～ 95%RH濕度范圍，控制濕度精度為+2%RH～-3%RH。滿足JJF 1101-2003校準規范要求。在工作過程中，該控制系統操作方便，可靠性高，完全能夠滿足可靠性試驗的需求。

[1] 生產廠家某型溫、濕度綜合試驗箱控制說明書[Z].

[2] 滿紅,梁迎春等. 自動控制原理[M].北京:清華大學出版社,2011.

[3] 孔凡才.自動控制原理與系統[M].北京:機械工業出版社,2005.

沈朝暉，男，1969年1月出生，從事產品環境試驗與技術應用。

標準應用與解讀

(續上期)

Intelligent Control and Test Precision of A Temperature, Humidity and Vibration Combined Test Chamber

SHEN Zhao-hui
（The Institute of Electronic Engineering of CAEP, Mianyang 621900）

This paper introduces the system core intelligent control system in a temperature, humidity and vibration combined test chamber (CERT device for short), including the linearity controller PID, the MPU self-tuning controller, the self-adaptive controller, the application of programmed technology in the environment test, and the controllable circulation flow wind speed that ensures the test accuracy.

intelligent control system; PID; self-tuning; self-adaptive; wind speed; precision

O327

A

1004-7204(2014)05-0086-03