林吼潮，陳安資

烤箱內(nèi)部溫度場分布與溫度控制仿真優(yōu)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(shí)現(xiàn)家用多功能烤箱工藝與溫度控制方法的進(jìn)一步優(yōu)化，首先建立烤箱模型，進(jìn)行傳熱機(jī)理研究；其次結(jié)合傳熱機(jī)理，對烤箱內(nèi)部溫度場分布以及烤箱溫度控制系統(tǒng)方法進(jìn)行深入探討。結(jié)果表明：出風(fēng)小孔、熱風(fēng)扇風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和背部熱風(fēng)扇擋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化對烤箱內(nèi)部溫度場分布起到至關(guān)重要作用；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(shí)際家用烤箱的溫度場設(shè)計(jì)及溫度控制措施具有理論指導(dǎo)作用。

烤箱；溫度場；傳熱；控制；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jìn)的西式肉制品加工設(shè)備。隨著人們生活水平不斷提升，家庭中也出現(xiàn)各種各樣的熏/蒸/烤箱，其功能豐富，不僅可以煙熏、發(fā)色、干燥，還可以實(shí)現(xiàn)烘烤、蒸煮、清洗等多種功能。這些設(shè)備引入國內(nèi)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(yōu)化，以更好地實(shí)現(xiàn)多功能控制，提升產(chǎn)品性價(jià)比[1-6]。

基于此，本文通過傳熱機(jī)理分析，對烤箱內(nèi)部溫度場分布和溫度控制仿真優(yōu)化方法進(jìn)行了深入探討。

1　烤箱系統(tǒng)介紹

烤箱模型的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。內(nèi)膽中后方、上方及側(cè)面各設(shè)有加熱裝置，經(jīng)由儀表放大器對信號進(jìn)行處理。同時(shí)，基于提升烤箱內(nèi)部空氣循環(huán)效率的考慮，于箱體后方位置設(shè)置熱風(fēng)機(jī)，箱體上方開通風(fēng)孔。

綜合考慮該烤箱主要結(jié)構(gòu)，如上部加熱管、背部加熱管、下部加熱管、熱風(fēng)扇，以及貫流風(fēng)扇的啟停對烤箱整體工作性能的影響，通過對三個(gè)部位的加熱管、熱風(fēng)扇以及貫流風(fēng)扇等進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)烤箱系統(tǒng)的不同工作模式?？鞠鋬?nèi)部氣流組織滿足穩(wěn)態(tài)三維不可壓縮湍流流動，系統(tǒng)內(nèi)部熱力學(xué)描述如下：

依據(jù)拉普拉斯變換計(jì)算 ，得到

考慮到目前國內(nèi)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(yán)重影響了烤制品品質(zhì)，故需結(jié)合有關(guān)理論分析和模型，全面探討其傳熱機(jī)理，研究并提出烤箱內(nèi)部溫度場優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及控制優(yōu)化的措施。

2　傳熱機(jī)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(shí)，考慮到空氣中主要?dú)怏w成分為輻射、吸收能力較弱的氧氣、氮?dú)猓士諝馀c壁面間的輻射換熱量亦可忽略。為簡化分析計(jì)算，同時(shí)又不至于對分析結(jié)果產(chǎn)生較大影響，采取以下假設(shè)：（1）箱體內(nèi)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(tài)：烤箱上部加熱管、背部加熱管、下部加熱管、熱風(fēng)扇以及貫流風(fēng)扇等設(shè)備全部開啟模式下。，此時(shí)由加熱管電加熱作用提供熱源，且依靠貫流風(fēng)機(jī)及熱風(fēng)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(nèi)空氣溫度循環(huán)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(nèi)部傳熱機(jī)理分析計(jì)算如下：

加熱管全部處于開啟狀態(tài)，在加熱管的對流輻射換熱作用以及風(fēng)機(jī)的循環(huán)作用下，箱體空氣溫度與食物溫度處于相一致的平衡狀態(tài)。選取該狀態(tài)進(jìn)行壁面、定性等溫度計(jì)算，可查得物性參數(shù)。

2.3 超聲微泡造影劑攜RPM對PCNA的mRNA及蛋白表達(dá)影響 PCNA 的mRNA 表達(dá)產(chǎn)物校正后分析，對照組、RPM組和超聲微泡造影劑攜RPM組統(tǒng)計(jì)結(jié)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(shí)超聲微泡造影劑攜RPM組也明顯低于RPM組。使用Westernblot檢測T24 細(xì)胞PCNA蛋白的表達(dá)量，結(jié)果表明在RPM和超聲微泡造影劑攜RPM作用細(xì)胞24 h后，兩組細(xì)胞的PCNA蛋白的表達(dá)量明顯下降(圖2)。

壁面溫度：

空氣溫度：

定性溫度：

進(jìn)而查得物性參數(shù)如下：

2.1對流換熱量計(jì)算

依據(jù)流體外略平板對流換熱模型進(jìn)行分析計(jì)算，依據(jù)x位置處雷諾數(shù)表達(dá)式：

由實(shí)測數(shù)據(jù)分別算得箱體內(nèi)部流場的平均風(fēng)速以及對流換熱平均板長，可算得x位置處的雷諾數(shù)。代入局部對流換熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式：

計(jì)算對流換熱系數(shù)，再依據(jù)對流換熱量計(jì)算公式

2.2輻射換熱量計(jì)算

根據(jù)小物體對大空間的輻射公式

其中，黑體輻射常數(shù)取為5.67×10-8，再將烤箱內(nèi)表面積A2與食物表面積A1代入式（13），即可算得該狀態(tài)下輻射換熱量。經(jīng)實(shí)踐計(jì)算，由于該狀態(tài)下食物與箱體壁面間溫差較小，對流換熱量起著主導(dǎo)換熱的作用。

3　溫度場分布優(yōu)化

結(jié)合傳熱機(jī)理，本文從三個(gè)方面對溫度場分布進(jìn)行優(yōu)化：

（1）出風(fēng)小孔優(yōu)化。作為箱體內(nèi)外部氣流交換的主要通道，頂部出風(fēng)小孔位置的設(shè)置應(yīng)防止內(nèi)部熱氣流通過時(shí)形成短路，造成箱門附近區(qū)域溫度較低。據(jù)相關(guān)模擬分析結(jié)果表明，小孔內(nèi)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(xiàn)有烤箱溫度場分布改善效果更好；

（2）熱風(fēng)扇風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速優(yōu)化。由于對流換熱強(qiáng)度和風(fēng)速正相關(guān)，熱風(fēng)扇風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提升有利于增大對流換熱強(qiáng)度，進(jìn)而使得空氣與壁面間，以及食物與空氣間的換熱強(qiáng)度增大，換熱充分，溫度場更易達(dá)到穩(wěn)定均勻，避免局部換熱效果差產(chǎn)生低溫區(qū)；

（3）背部熱風(fēng)扇擋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化。對于現(xiàn)有的烤箱結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)表明，僅靠背部擋板側(cè)邊的兩個(gè)小口進(jìn)風(fēng)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(shí)現(xiàn)。故在原有烤箱基礎(chǔ)上，對于背部熱風(fēng)扇擋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化如下：從利于空氣對流的角度考慮，增加背擋板四周的細(xì)長狹縫進(jìn)風(fēng)，直角形狀的凸起改為30°的斜坡。

4　溫度控制系統(tǒng)優(yōu)化

4.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對烤箱溫度控制優(yōu)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2　基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對烤箱溫度控制優(yōu)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中，N、DN分別為標(biāo)準(zhǔn)化模塊、解標(biāo)準(zhǔn)化模塊。在標(biāo)準(zhǔn)化輸入輸出變量控制條件下，其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要模塊組成分為輸入層、隱含層和輸出層三個(gè)層次，各層次節(jié)點(diǎn)設(shè)置如下：

（1）輸入層包含6個(gè)節(jié)點(diǎn)：t-1時(shí)刻系統(tǒng)控制電位uN(t-1)；t與t+1時(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用對數(shù)S型激活函數(shù)；

（3）輸出層僅含1個(gè)節(jié)點(diǎn)，即輸出變量為t時(shí)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(yōu)化是指綜合模糊技術(shù)與常規(guī)的PID控制算法進(jìn)行烤箱溫度控制的優(yōu)化系統(tǒng)。該方法依據(jù)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(shí)現(xiàn)需對開關(guān)量的控制進(jìn)行不斷優(yōu)化。模糊PID控制后，系統(tǒng)上升時(shí)間相當(dāng)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(tǒng)的模糊PID控制器的設(shè)計(jì)過程來看，基本上實(shí)現(xiàn)了有經(jīng)驗(yàn)的操作人員的控制過程模擬，不依賴對象的模型就可進(jìn)行控制決策，而不是像傳統(tǒng)的PID控制算法，必須依賴?yán)硐牖?、簡單化的模型來進(jìn)行控制。將模糊控制和PID控制結(jié)合使用，改善了溫度控制系統(tǒng)動態(tài)性能，增強(qiáng)了抗干擾能力，有效抑制和降低了烤箱溫度控制系統(tǒng)中的干擾。

5　結(jié)語

本課題基于烤箱內(nèi)部傳熱機(jī)理分析，進(jìn)行了溫度場分布均勻性、高精度溫控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法研究。經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行試驗(yàn)，取得了良好效果，達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)需求，也滿足了我國家庭對烤箱多功能、高品質(zhì)的應(yīng)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(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.015

[5]機(jī)理分析[J]. 節(jié)能技術(shù), 2006, 24(5): 402-404, 10.3969/ j.issn.1002-6339.2006.05.005

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

E-mail: 106235584@qq.com