一種基于自適應控制的冷凍離心機溫度控制算法

陳兆仁，劉婉貞

(1.湖南師范大學信息科學與工程學院，湖南 長沙 410006；2.長沙職業技術學院，湖南 長沙 410217)

國內外冷凍離心機的溫度控制行業標準是正負2度范圍內，例如設置溫度為4度，則溫度變化在2度到6度范圍內.現有的冷凍離心機溫度控制算法大多采用PID算法，這種算法在溫度急劇變化的條件下，很難達到行業的標準，往往超溫，即高于設置溫度2度以上，影響檢測結果.筆者通過長期實驗，提出一種基于自適應控制的算法，對不同類型的冷凍離心機進行測試，結果表明溫度控制精度范圍在設置溫度的正負1度范圍內.

1 冷凍離心機的結構

1.1 冷凍離心機制冷系統結構

冷凍離心的機制冷系統結構是由壓縮機、環型圓柱型的制冷缸、毛細管、加熱管、轉子等組成，加熱管環繞在環型圓柱型缸中間.毛細管、加熱管都是導熱性高的銅管，圓柱型缸內側是不銹鋼，圓柱型缸外側是鐵，加熱管夾在中間.

1.2 工作原理

在壓縮機的壓力驅動下，冷氣在毛細管道中流動，環型圓柱型的缸內壁在冷氣的作用下內壁溫度急劇下降，由于轉子高速旋轉使缸內壁溫度在缸體內迅速擴散，鋼體內溫度急速降低.同理，當加熱管中加熱氣時，在1至5秒內鋼體內溫度急速升高.冷氣和熱氣由控制電路控制電磁閥通斷，分別控制冷氣和熱氣流入毛細管道和加熱管道.

2 溫度變化規則及算法

2.1 缸內溫度的數學模型

三年來通過分析冷凍離心機的溫度數據，得到如下數學模型[1]：

f(t)= f(t-1)sin(t)( kxt1≤t≤kx t2)

(1)

其中為K正速數，t為時間域，單位為ms，為了便于計算處理，可將t的取值范圍設為0～4096.在實際的控制過程中，由于采樣時間限制，所以測量的溫度值是離散的，因些函數f(t)在不同的時域內其峰值會不相同，其變化規則如圖1(a)所示.

由(1)得Δf= f(t2)- f(t1)，Δt=t2- t1,

(2)

“粉銷”的興起：隨著渠道為王的時代過去，分銷模式也逐漸被企業遺棄，從分銷向零售的轉型在家電市場已不是一個陌生的話題，然后隨著時間的推移，我們的研究發現“粉銷”正在興起。一個最簡單的例子就雙11期間，部分企業投入的大量資源購買流量，然而轉化率并不理想。數據顯示自發性品牌搜索和產品搜索的人群占比正在提升，而這部分群體也是消費升級的主要承載體。2019年，市場正在向優質品牌傾斜，希望做好高效率的營銷，首先從完善品牌認知，強化產品品質開始。

由上述關系，得出缸內溫度動態變化情況如圖1(b)示，

由圖1 可知，溫度變化的范圍寬.

圖1(a) 缸內溫度動態變化圖

圖1(b) 缸內初始溫度急劇變化示意圖

其中縱軸為溫度，橫軸為時間，f(S)為設置溫度，f(H)為上限溫度，f(L)為下限溫度，行業標準f(H)≤f(s)+2, f(L)≥f(s)-2，A、B、C三點為加熱控制點.由圖1(a)可知，溫度從室溫開始急劇下降到f(s),然后繼續往f(L)方向降溫，在加熱的控制下再往f(s)方向升溫，如此循環往復，使溫度在f(H)≤f(s)+2, f(L)≥f(s)-2范圍內變化.圖1(b)溫度從室溫開始降到f(L)下，再重復上述控制過程.

2.2 f(H)和f(L)制約因素

影響f(H) 和f(L)制約因素很多，其中最主要的是環境溫度、轉子大小、轉子轉速等，所以為了解決環境溫度的影響，要求離心機在室溫下運行.

2.3 溫度控制點分析

圖2 溫度受控點

A點是溫度下降控制點，當溫度從高到低變化時，一旦變化到A點時，這個時候開始加熱，當溫度升至B點停止加熱.

2.4 溫度控制算法

第一步 設置溫度控閾值f(o).

則加熱.

第三步 如果f(a)-f(L)超過0.2則制冷，跳過第四步.

第五步 返回第一步.

注意， 第一步要根據PID算法設定動態的閾值f(o)[3].f(L)值根據統計學原理，再依據中值數字濾波法確定.

3 運行測試數據

該算法已應用于超大CDM7、TGL18、DDL6、TGL16E微量等冷凍機型，表1 至表4記錄了不同條件下的運行結果.表1是該算法應用于超大CDM7冷凍機型的測試結果，運行15分鐘，轉速4000轉/分，在環境溫度10度左右測試的數據.

表1 應用于超大CDM7冷凍機型的測試結果

表2是該算法應用于超大CDM7冷凍機型的測試結果，運行15分鐘，轉速3000轉/分，環境溫度35度左右的測試數據.

表2 應用于超大CDM7冷凍機型的測試結果

表3是該算法應用于TGL16E冷凍機型的測試結果，運行15分鐘，轉速16000轉/分，環境溫度10度左右測試的數據.

表3 應用于TGL16E冷凍機型的測試結果

表4是該算法應用于TGL16E冷凍機型的測試結果，運行15分鐘，轉速14000轉/分，環境溫度35度左右測試的數據.

從上面表格的實際記錄數據中，可以看出，不同類型的離心機在不同轉速、不同的境溫度的條件下，溫度的控制精度的上限溫度值和下限溫度值均在設置溫度(4度)的正負1度范圍以內即f(H)≤f(s)+1, f(L)≥f(s)-1,高于行業標準f(H)≤f(s)+2, f(L)≥f(s)-2的控制精度要求，大大提高了冷凍離心機溫度的控制精度.

表4 應用于TGL16E冷凍機型的測試結果