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        基于智能算法的平板導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x

        2016-12-08 08:27:21萍
        關(guān)鍵詞:冷板熱板電爐

        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(cè)量?jī)x

        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(cè)量?jī)x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(cè)試的效率,加熱器控制算法是來(lái)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(huà)縮短了測(cè)試周期,并使導(dǎo)熱儀的測(cè)試效率得到提高,更能讓虛擬儀器平臺(tái)提高了測(cè)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(cè)試精度與效率,在應(yīng)用此測(cè)量?jī)x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(cè)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(cè)試速度及精度。

        一、測(cè)量原理

        傅立葉導(dǎo)熱定律:?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)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(cè)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(cè)量?jī)x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(cè)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(cè)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(lái)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(cè)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(shuō),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(lái)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(lái)的,它的控制規(guī)則是語(yǔ)言性控制規(guī)則,它主要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作人員的操作經(jīng)驗(yàn)來(lái)與熟練的技能來(lái)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(guò)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(xiàn)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(yǔ)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(yǔ)

        在測(cè)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(jiǎn)單方便,對(duì)于瞬態(tài)法導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)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(cè)試時(shí)間,整體的測(cè)試效率有顯著提升。

        [1]許肇均.傳熱學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

        [2]馮毅,梁滿(mǎn)兵.穩(wěn)態(tài)平板導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀的誤差分析[J].廣州化工,2006,34(1):56-58.

        [3]孫平,汪梅芳.對(duì)不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量原理的修正[J].物理與工程,2001,11(3):31-34.

        [4]劉金琨.先進(jìn)PID控制MATLAB仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

        TP274

        A

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