食品行業培養箱控制系統設計與研究

摘 要：食品行業培養箱基本結構由熱濕處理系統、控制系統等組成，具有制冷、制熱、除濕、加濕及通風等功能，可以實現對溫度和濕度的較精確的控制。制冷、制熱、除濕均由半導體制冷器實現。該培養箱的控制系統可實現將箱內的溫度、濕度控制在設定值附近，并對控制精度和控制功能有較高的要求。

關鍵詞：食品行業；培養箱；控制系統；設計研究

1 半導體培養箱的控制系統基本原理

培養箱溫度、濕度的調節是通過控制系統實現的。培養箱溫度調節是由箱體內置的溫度傳感器，采集數據，傳至溫度控制器調節，通過調節通過半導體制冷器電流量或者接通空氣加熱單元即半導體制冷器的熱端面來實現增加箱體內溫度或降低溫度，來達到所需要的控制溫度；濕度的調節是由箱體內置的濕度傳感器，采集數據，傳至濕度控制器調節，從而通過調節半導體制冷器的電流量，使其與空氣接觸面的溫度降低，即半導體制冷表面（冷端面）的溫度低于空氣露點溫度的來實現對箱體內空氣的去濕作用，或者接通超聲波加濕器來實現加濕作用，以達到控制所需要的濕度。

2 培養箱的控制系統設計與分析

要保證培養箱功能的實現，及設備的節能運行，必須精確協調熱濕處理系統、空氣循環系統的運行工作，需要設計完善的自動控制系統和準確的控制策略。

2.1 控制方案

2.1.1 熱濕處理設備控制要求

制冷系統：采用半導體制冷裝置，可以制冷降溫，且改變箱內的的相對濕度。如果冷端表面溫度過低，低于露點溫度時會除濕，不需要除濕時可通過調整循環風量和啟停周期等措施避免。

加熱系統：采用半導體制熱裝置，可以加熱升溫，可以使箱內的相對濕度降低，但不改變空氣的絕對濕度d。

除濕系統：采用半導體制冷裝置，與制冷系統聯合工作使冷端表面溫度低于露點溫度進行除濕。

加濕系統：采用超聲波加濕器，增加絕對濕度d，使箱內的含濕量d和相對濕度φ都增加。

2.1.2 控制策略

溫濕度控制即將空氣的狀態控制在一定的范圍之t±△t、φ±△φ或d±△d，控制精度即范圍的大小，根據測得的干球溫度和濕球溫度，確定初始狀態。換算出空氣的含濕量d，含濕量d能反映空氣濕空氣的絕對濕度。將啟動時箱內的溫度、絕對濕度與要求的設定狀態進行計算比較，確定進行制冷，加熱、加濕、除濕等設備的運行，將空氣的狀態參數調控到所需的范圍之內。

（1）溫度控制

根據加熱、制冷系統工作特性，并充分發揮計算機處理數字量的優勢，采用占空比的信號輸出，根據當前實測值tc與設定值ts之差tc-ts進行如下方案調節：

a.當tc-ts>2、全負荷制冷運行

-2≤tc-ts≤2時： PI調節運行，并根據進入該區間前的運行方式進行制冷運行或加熱運行：

如是在tc-ts>1區間進入的，則保持制冷運行，采取PI調節制冷負荷大小。

如是在-1≤tc-ts區間進入的，則保持加熱運行，采取PI調節制加熱荷大小。

b.當tc-ts<-2時、全負荷加熱運行

由于恒溫恒濕箱的外擾較小，且被控參數不會突變，為保證參數的穩定性采用 PI調節算法，控制器采用時間比例的占空比信號輸出，控制固態繼電器的通斷，精確控制加熱制冷系統運行，實現溫度的準確控制。

（2）濕度控制

度量空氣中含水蒸汽量的參數有含濕量d、相對濕度？準、濕球溫度ts、露點溫度tL，幾個參數中只有含濕量d表示水蒸汽含量的絕對值，其余都是相對量。因此將含濕量d作為濕度的控制參數，更為合理。在濕空氣的諸多參數中，壓力和溫度是易測的，而含濕量不易直接測量，只能通過相對濕度或濕球溫度的測量間接得到含濕量。由于測量相對濕度的傳感器不確定性較大，穩定性差，不適合用于對溫、濕度要求很高的恒溫恒濕箱，且價格高。而干、濕球溫度測量相對濕度，是傳統的的方法，簡單可靠。因此，我們采用濕球溫度作為測量參數，即濕度的控制參數。

2.2 控制系統

3 整機自動控制系統實驗

4 結束語

結果表明，本培養箱具有較寬的溫濕度調控適應性，溫濕度參數達到了設計要求。驗證了整機的工作性能及控制系統控制效果可行。本實驗提出的用絕對濕度代替相對濕度，將溫度、絕對濕度與要求的設定狀態進行計算比較，確定熱濕處理設備的運行，將空氣的狀態參數調控到所需的范圍之內是可行的。

參考文獻

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作者簡介：田茹（1970，12-），女，內蒙古包頭市人，本科學歷，包頭輕工職業技術學院，制冷與低溫工程方向。endprint