烤箱內部溫度場分布與溫度控制仿真優化

林吼潮，陳安資

烤箱內部溫度場分布與溫度控制仿真優化

林吼潮，陳安資

（廣東萬和新電氣股份有限公司，廣東順德，528305）

為實現家用多功能烤箱工藝與溫度控制方法的進一步優化，首先建立烤箱模型，進行傳熱機理研究；其次結合傳熱機理，對烤箱內部溫度場分布以及烤箱溫度控制系統方法進行深入探討。結果表明：出風小孔、熱風扇風機轉速和背部熱風扇擋板結構優化對烤箱內部溫度場分布起到至關重要作用；神經網絡法和模糊PID控制法是烤箱溫度控制的兩種行之有效的方法。研究課題對于實際家用烤箱的溫度場設計及溫度控制措施具有理論指導作用。

烤箱；溫度場；傳熱；控制；神經網絡法；模糊PID控制法

引言

八十年代初，多功能熏/蒸/烤箱等（以下簡稱烤箱）是第一批引進的西式肉制品加工設備。隨著人們生活水平不斷提升，家庭中也出現各種各樣的熏/蒸/烤箱，其功能豐富，不僅可以煙熏、發色、干燥，還可以實現烘烤、蒸煮、清洗等多種功能。這些設備引入國內后，市場需求快速增長，但工藝、控制方法和功能要求等還需要提升。因此亟待對家用烤箱的溫度影響因素加以分析和優化，以更好地實現多功能控制，提升產品性價比[1-6]。

基于此，本文通過傳熱機理分析，對烤箱內部溫度場分布和溫度控制仿真優化方法進行了深入探討。

1　烤箱系統介紹

烤箱模型的設計結構如圖1所示。內膽中后方、上方及側面各設有加熱裝置，經由儀表放大器對信號進行處理。同時，基于提升烤箱內部空氣循環效率的考慮，于箱體后方位置設置熱風機，箱體上方開通風孔。

綜合考慮該烤箱主要結構，如上部加熱管、背部加熱管、下部加熱管、熱風扇，以及貫流風扇的啟停對烤箱整體工作性能的影響，通過對三個部位的加熱管、熱風扇以及貫流風扇等進行控制，可實現烤箱系統的不同工作模式。烤箱內部氣流組織滿足穩態三維不可壓縮湍流流動，系統內部熱力學描述如下：

依據拉普拉斯變換計算 ，得到

考慮到目前國內烤箱尚存在溫度場分布不均勻以及溫度控制精度較低等問題，嚴重影響了烤制品品質，故需結合有關理論分析和模型，全面探討其傳熱機理，研究并提出烤箱內部溫度場優化設計，以及控制優化的措施。

2　傳熱機理研究

在烤箱加熱烘烤階段，由于管段的截面面積相比壁面面積小得多，因此忽略加熱管的輻射換熱量。同時，考慮到空氣中主要氣體成分為輻射、吸收能力較弱的氧氣、氮氣，故空氣與壁面間的輻射換熱量亦可忽略。為簡化分析計算，同時又不至于對分析結果產生較大影響，采取以下假設：（1）箱體內部空氣流為速度場、溫度場分布均勻的活塞流；（2）箱體壁面溫度場均勻分布。

工作狀態：烤箱上部加熱管、背部加熱管、下部加熱管、熱風扇以及貫流風扇等設備全部開啟模式下。，此時由加熱管電加熱作用提供熱源，且依靠貫流風機及熱風扇的擾動作用，加熱管通過輻射換熱、對流換熱等作用，使得烤箱內空氣溫度循環流動且溫度升高，通過空氣與食物間的對流輻射作用對食物起到加熱烘烤作用，其內部傳熱機理分析計算如下：

加熱管全部處于開啟狀態，在加熱管的對流輻射換熱作用以及風機的循環作用下，箱體空氣溫度與食物溫度處于相一致的平衡狀態。選取該狀態進行壁面、定性等溫度計算，可查得物性參數。

2.3 超聲微泡造影劑攜RPM對PCNA的mRNA及蛋白表達影響 PCNA 的mRNA 表達產物校正后分析，對照組、RPM組和超聲微泡造影劑攜RPM組統計結果用±s表示：分別為219.31±7.21，147.32±10.27和97.17±8.79，兩兩比較RPM組和超聲微泡造影劑攜RPM組兩組與對照組之間存在顯著差異(P<0.05)，同時超聲微泡造影劑攜RPM組也明顯低于RPM組。使用Westernblot檢測T24 細胞PCNA蛋白的表達量，結果表明在RPM和超聲微泡造影劑攜RPM作用細胞24 h后，兩組細胞的PCNA蛋白的表達量明顯下降(圖2)。

壁面溫度：

空氣溫度：

定性溫度：

進而查得物性參數如下：

2.1對流換熱量計算

依據流體外略平板對流換熱模型進行分析計算，依據x位置處雷諾數表達式：

由實測數據分別算得箱體內部流場的平均風速以及對流換熱平均板長，可算得x位置處的雷諾數。代入局部對流換熱系數經驗公式：

計算對流換熱系數，再依據對流換熱量計算公式

2.2輻射換熱量計算

根據小物體對大空間的輻射公式

其中，黑體輻射常數取為5.67×10-8，再將烤箱內表面積A2與食物表面積A1代入式（13），即可算得該狀態下輻射換熱量。經實踐計算，由于該狀態下食物與箱體壁面間溫差較小，對流換熱量起著主導換熱的作用。

3　溫度場分布優化

結合傳熱機理，本文從三個方面對溫度場分布進行優化：

（1）出風小孔優化。作為箱體內外部氣流交換的主要通道，頂部出風小孔位置的設置應防止內部熱氣流通過時形成短路，造成箱門附近區域溫度較低。據相關模擬分析結果表明，小孔內移可有效改善溫度場分布的均勻性，降低箱體上中下三層的溫度方差值，相對于現有烤箱溫度場分布改善效果更好；

（2）熱風扇風機轉速優化。由于對流換熱強度和風速正相關，熱風扇風機轉速的提升有利于增大對流換熱強度，進而使得空氣與壁面間，以及食物與空氣間的換熱強度增大，換熱充分，溫度場更易達到穩定均勻，避免局部換熱效果差產生低溫區；

（3）背部熱風扇擋板結構優化。對于現有的烤箱結構分析數據表明，僅靠背部擋板側邊的兩個小口進風并不利于空氣與壁面以及食物間的高效對流換熱作用，以及溫度場分布均勻性的實現。故在原有烤箱基礎上，對于背部熱風扇擋板結構優化如下：從利于空氣對流的角度考慮，增加背擋板四周的細長狹縫進風，直角形狀的凸起改為30°的斜坡。

4　溫度控制系統優化

4.1神經網絡法

基于神經網絡對烤箱溫度控制優化的系統結構如圖2所示：

圖2　基于神經網絡對烤箱溫度控制優化的系統結構圖

其中，N、DN分別為標準化模塊、解標準化模塊。在標準化輸入輸出變量控制條件下，其神經網絡主要模塊組成分為輸入層、隱含層和輸出層三個層次，各層次節點設置如下：

（1）輸入層包含6個節點：t-1時刻系統控制電位uN(t-1)；t與t+1時刻控制電位差值ΔuN(t) = uN(t)-uN(t-1)；儀表放大器輸出電位yN(t)、yN(t+1)及其差值ΔyN(t) = yN(t)-yN(t+1)等；

（2）隱含層含有7個節點，應用對數S型激活函數；

（3）輸出層僅含1個節點，即輸出變量為t時刻的控制電壓變化量。

4.2模糊PID控制法

基于模糊PID控制的烤箱溫度控制優化是指綜合模糊技術與常規的PID控制算法進行烤箱溫度控制的優化系統。該方法依據PID的微分、積分以及比例控制作用得到滿意的控制效果。模糊PID控制器的控制作用實現需對開關量的控制進行不斷優化。模糊PID控制后，系統上升時間相當于單純的模糊控制算法和單純的PID控制算法有所減少；從烤箱溫度控制系統的模糊PID控制器的設計過程來看，基本上實現了有經驗的操作人員的控制過程模擬，不依賴對象的模型就可進行控制決策，而不是像傳統的PID控制算法，必須依賴理想化、簡單化的模型來進行控制。將模糊控制和PID控制結合使用，改善了溫度控制系統動態性能，增強了抗干擾能力，有效抑制和降低了烤箱溫度控制系統中的干擾。

5　結語

本課題基于烤箱內部傳熱機理分析，進行了溫度場分布均勻性、高精度溫控系統的實現方法研究。經過一段時間的運行試驗，取得了良好效果，達到了最初的設計需求，也滿足了我國家庭對烤箱多功能、高品質的應用需求。

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Simulation and Optimization on Temperature Field Distribution and Temperature Control of Oven Inside

LIN Hou-chao, CHEN An-zi
(Guangdong Vanward New Electric Co., Ltd., Shunde, Guangdong, 528305, China)

In order to realize the further optimization on process and temperature control method of multifunctional oven, first, study on heat transfer mechanism based on establishment of oven model is put forward. Then, deep discussion on simulation and optimization on temperature field distribution and temperature control combined with heat transfer mechanism are conducted. Results show that, optimizations of outflow air hole, rotational speed of heater fan engine, and backside damper structure of heater fan play an essential role for distribution of temperature field; neutral network and fuzzy PID control are two feasible approaches for temperature control of oven inside. This research issue is a theoretical guidance for design of temperature field and measure of temperature control for domestic ovens.

Oven; Temperature Field; Heat Transfer; Control; Neutral Network; Fuzzy PID Control

TH122

A

2095-8412 (2016) 05-885-03工業技術創新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.015

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林吼潮(1985-)，男，漢族，廣東普寧人，工程師，大學本科。研究方向：家用烤箱產品研發。

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