基于智能算法的平板導(dǎo)熱系數(shù)測量儀

盧　萍

（遼寧工程職業(yè)學(xué)院，遼寧 鐵嶺 112008）

基于智能算法的平板導(dǎo)熱系數(shù)測量儀

盧萍

（遼寧工程職業(yè)學(xué)院，遼寧 鐵嶺 112008）

摘要：平板式導(dǎo)熱系數(shù)測量儀是根據(jù)傅立葉導(dǎo)熱定律。能夠提高導(dǎo)熱系數(shù)的精度及測試的效率，加熱器控制算法是來自改進(jìn)遺傳算法的PID。運(yùn)用改進(jìn)的遺傳算法去尋優(yōu)確定PID參數(shù)Kp、Ki、Kd。這樣的話縮短了測試周期，并使導(dǎo)熱儀的測試效率得到提高，更能讓虛擬儀器平臺(tái)提高了測量處理的自動(dòng)化和智能化程度。結(jié)論：導(dǎo)熱系數(shù)的測試精度與效率，在應(yīng)用此測量儀得到提高。

導(dǎo)熱系數(shù)；溫度控制；電爐；虛擬儀器

物質(zhì)的導(dǎo)熱能力由導(dǎo)熱系數(shù)所呈現(xiàn)，它的高低決定物質(zhì)的熱傳導(dǎo)能力。導(dǎo)熱系數(shù)高的材料有好的導(dǎo)熱性。本文提出一種新型智能的穩(wěn)態(tài)平板法導(dǎo)熱系數(shù)測試儀，因?yàn)椴捎玫臏乜叵到y(tǒng)和智能算法相結(jié)合，所以，大大提高了測試速度及精度。

一、測量原理

傅立葉導(dǎo)熱定律：單位時(shí)間內(nèi)通過給定截面的熱量P與該截面的面積S和垂直于該截面的溫度梯度dt/dH成正比，其數(shù)學(xué)關(guān)系式為：

式中：λ單位w/（m·k），P單位W，S單位m2，H單位m。

設(shè)冷板溫度為t1，熱板溫度為t2，熱板加熱功率為P，被測試樣厚度為H、熱板截面積為S，當(dāng)冷板與熱板溫差一定時(shí)即可求出導(dǎo)熱系數(shù)λ。

二、系統(tǒng)采用硬件

本文采用的測量儀主要由幾部分組成，分別是：恒流電源，熱電偶信號(hào)放大和冷端補(bǔ)償，A/D轉(zhuǎn)換電路等等。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中主副電爐的溫度是由安裝在單片機(jī)中的驅(qū)動(dòng)電路控制的，加熱電爐為試樣提供恒定的加熱功率。需要測試的材料是使用電阻爐的加熱算法進(jìn)行加熱控制的，它的目的是使主加熱板的溫度迅速達(dá)到要求的恒定測量溫度t2，使冷板的溫度恒定在t1溫度上。我們還使用了MAX6675芯片，主要是用它來信號(hào)增強(qiáng)、熱電偶冷端補(bǔ)償及A/D轉(zhuǎn)換功能，最后由上位機(jī)計(jì)算出惹到系數(shù)的量。

圖1　平板法導(dǎo)熱系數(shù)測試儀框圖

三、軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)公式，導(dǎo)熱系數(shù)是由3方面決定的：（1）熱板加熱的功率大小P。（2）熱板的恒定溫度的t2和。（3）冷板的溫度t1。如果加熱功率恒定，那么導(dǎo)熱系數(shù)由t1和t2決定。也就是說，t1與t2的穩(wěn)定性決定導(dǎo)熱系數(shù)的精確度。上位機(jī)的操作面板示意圖如圖2所示。

圖2　上位機(jī)操作面板

四、電爐的溫度控制

由于電阻爐是被控對(duì)象，他的特性是參數(shù)會(huì)隨著爐溫變化而變化，所以我們一半采用普通的PID控制算法來控制它。但是這種算法也有缺點(diǎn)，例如當(dāng)工藝溫度出現(xiàn)大范圍波動(dòng)時(shí)，就需要我們修改系統(tǒng)的PID參數(shù)，如果溫度破洞比較劇烈，會(huì)導(dǎo)致控制效果變差，從而出現(xiàn)誤差。那么為了彌補(bǔ)缺點(diǎn)，在本文中還引入了模糊控制這種算法。它是根據(jù)規(guī)則控制算法衍生而來的，它的控制規(guī)則是語言性控制規(guī)則，它主要依據(jù)現(xiàn)場操作人員的操作經(jīng)驗(yàn)來與熟練的技能來實(shí)現(xiàn)，所以我們也不用建立精確的控制模型了。它的缺點(diǎn)是在隨機(jī)干擾嚴(yán)重的復(fù)雜控制過程中，控制精度會(huì)大大降低。根據(jù)權(quán)衡以上的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在本文中使用參數(shù)自整定的模糊PID控制算法。其優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用模糊控制規(guī)則在線調(diào)整PID參數(shù)的同時(shí)，也可以大大增強(qiáng)對(duì)環(huán)境溫度變化的應(yīng)變能力。圖3是PID與模糊PID仿真對(duì)比圖，圖中示意出模糊PID算法具有更好的動(dòng)態(tài)性能。

單片機(jī)C語言編程時(shí)，將模糊PID尋優(yōu)得到3個(gè)參數(shù)Kp，Ki，Kd代入PID程序。實(shí)際溫度控制圖如圖4所示。

圖3　普通PID與模糊PID仿真對(duì)比

圖4　實(shí)際溫度控制效果

結(jié)語

在測試儀的整機(jī)的架設(shè)中，因?yàn)橄Ｍ?jié)省成本，就采取了“上位機(jī)+下位機(jī)”的這種硬件模型，這種模型的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單方便，對(duì)于瞬態(tài)法導(dǎo)熱系數(shù)測試儀也有很好的兼容性。上位機(jī)所使用的是Labview虛擬控制面板，其優(yōu)點(diǎn)是不但降低成本，還能提高儀器的靈活度。下位機(jī)是將模糊PID算法應(yīng)用于電爐溫控程序，他的優(yōu)點(diǎn)是縮短測試時(shí)間，整體的測試效率有顯著提升。

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