王秋敏，張紅燁，易俊

(1.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，廣東廣州 510000；2.國(guó)機(jī)智能科技有限公司，廣東廣州 510000)

散熱器性能測(cè)試溫度控制系統(tǒng)的研究

王秋敏1，張紅燁2，易俊1

(1.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，廣東廣州 510000；2.國(guó)機(jī)智能科技有限公司，廣東廣州 510000)

汽車散熱器的散熱性能對(duì)汽車性能的影響很大，必須準(zhǔn)確掌握散熱器的散熱性能。因此對(duì)散熱器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)的要求很高，必須使溫度控制在比較精確的范圍內(nèi)，檢測(cè)結(jié)果才具有可比性。詳細(xì)介紹了在LabVIEW環(huán)境下利用PID控制方法，精確控制散熱器性能測(cè)試過(guò)程中水溫的方法。

散熱器性能測(cè)試；LabVIEW；溫度控制；PID控制

0 引言

汽車散熱器作為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中的一個(gè)重要零部件，其基本功能是儲(chǔ)存冷卻液并為發(fā)動(dòng)機(jī)降溫。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，各種新型車輛不斷涌現(xiàn)，需要匹配不同散熱性能和阻力性能的散熱器。在散熱器的研制過(guò)程中，對(duì)不同材料和結(jié)構(gòu)的散熱器必須進(jìn)行散熱性能和阻力特性測(cè)試；在散熱器的批量生產(chǎn)中，同樣需要抽樣測(cè)試，檢查散熱器產(chǎn)品的質(zhì)量，因此散熱器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)對(duì)散熱器設(shè)計(jì)、生產(chǎn)單位來(lái)說(shuō)是十分重要的測(cè)試設(shè)備。然而測(cè)試散熱器散熱性能對(duì)設(shè)備的測(cè)量和控制精度要求很高，只有誤差在可控制范圍內(nèi)，檢測(cè)結(jié)果才有可比性，才能進(jìn)行車型的合理匹配。

1 國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)外生產(chǎn)與供熱相關(guān)產(chǎn)品的大公司例如HONEYWELL、DANFOSS都有自己的試驗(yàn)臺(tái)，我國(guó)目前已經(jīng)建成了多套散熱器性能試驗(yàn)臺(tái)，例如清華大學(xué)試驗(yàn)臺(tái)、中國(guó)建筑科學(xué)研究院空氣調(diào)節(jié)所試驗(yàn)臺(tái)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)試驗(yàn)臺(tái)等，這些試驗(yàn)臺(tái)為我國(guó)散熱器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和定型做出了很大的貢獻(xiàn)。而現(xiàn)有的檢測(cè)設(shè)備對(duì)溫度和流量的檢測(cè)和控制精度還不盡如人意，導(dǎo)致散熱器檢測(cè)結(jié)果的可比較性不高。

2 試驗(yàn)臺(tái)基本組成與原理

在汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 468-2010《汽車散熱器》中明確規(guī)定：試驗(yàn)方法用JB/T 2293-1978《汽車、拖拉機(jī)散熱器風(fēng)筒試驗(yàn)方法》。它規(guī)范了汽車散熱器的性能試驗(yàn)，為汽車技術(shù)的發(fā)展起到了重要作用。在此標(biāo)準(zhǔn)中，試驗(yàn)裝置的主要部分稱為“風(fēng)筒”，如圖1所示。

其測(cè)試原理為：在散熱器中通入加熱后的水，在風(fēng)筒內(nèi)通入空氣。通過(guò)測(cè)量樣品前后水管的壓力、溫度和流量以及樣品前后風(fēng)管的壓力、溫度和流量來(lái)計(jì)算水阻、風(fēng)阻和散熱性能。涉及最多的就是這些參數(shù)的采集，這個(gè)是比較容易實(shí)現(xiàn)的。需要控制的就是水的流量、溫度及風(fēng)管空氣的流量，對(duì)于流量很容易控制，使用變頻電機(jī)或流量調(diào)節(jié)閥即可實(shí)現(xiàn)。因此對(duì)水溫的控制尤為重要而且不容易實(shí)現(xiàn)，故文中對(duì)水溫的控制方法進(jìn)行研究。

3 LabVIEW實(shí)現(xiàn)溫度控制的優(yōu)勢(shì)

在連續(xù)控制的系統(tǒng)中，PID控制算法得到了廣泛的應(yīng)用，是技術(shù)最成熟的控制方法。LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼；而LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。LabVIEW軟件是NI設(shè)計(jì)平臺(tái)的核心，也是開發(fā)測(cè)量或控制系統(tǒng)的理想選擇。

美國(guó)國(guó)家儀器公司同時(shí)也提供了在LabVIEW中使用的PID控制工具包，工程師可以結(jié)合NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備快速有效地搭建一個(gè)數(shù)字PID控制器，精確可靠地完成系統(tǒng)需求。通過(guò)LabVIEW的人機(jī)交互界面，系統(tǒng)可以繪制出溫度的實(shí)時(shí)曲線，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的溫度控制。

4 利用LabVIEW軟件及NI數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制

圖2為基于LabVIEW軟件的PID調(diào)節(jié)功能編寫的溫度控制程序，此程序中使用了平鋪式順序結(jié)構(gòu)，強(qiáng)制程序運(yùn)行時(shí)先初始化參數(shù)及界面，以避免程序運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)其他未知的錯(cuò)誤。圖3為L(zhǎng)abVIEW軟件中PID子VI調(diào)節(jié)程序框圖。

圖2 基于PID控制的程序框圖

圖3 PID子VI調(diào)節(jié)程序框圖

PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的，通過(guò)前面板輸入，通過(guò)PID子VI自動(dòng)算出控制量進(jìn)行控制的。

如圖4所示，軟件運(yùn)行界面(前面板)在軟件運(yùn)行過(guò)程中會(huì)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度值、設(shè)定溫度值和相應(yīng)的曲線。圖5為PID子VI的前面板，其中比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)可以在程序運(yùn)行時(shí)從界面輸入。

圖6為溫度數(shù)據(jù)采集子VI的程序框圖。在這里作者使用了National Instruments公司生產(chǎn)的PCI-6071E多功能數(shù)據(jù)采集卡采集溫度信號(hào)，并且選用其模擬信號(hào)輸入的第7個(gè)端口(即AI 6)通道作為采集端口。采樣模式選擇模擬DBL 1通道1采樣。采樣的數(shù)據(jù)放入數(shù)組中，并實(shí)時(shí)獲得系統(tǒng)上的時(shí)間，繪制水箱溫度隨時(shí)間變化的曲線圖。采樣結(jié)束后使用DAQmx停止采樣任務(wù)和DAQmx清除任務(wù)來(lái)刪除采樣任務(wù)，釋放系統(tǒng)緩存，以提高系統(tǒng)運(yùn)行速度。

圖4 軟件運(yùn)行界面(前面板)

圖5 PID子VI運(yùn)行界面(前面板)

圖6 數(shù)據(jù)采集子VI

圖7為加熱控制子VI。在此子VI中，利用上個(gè)子VI采集到的溫度值創(chuàng)建了一個(gè)局部變量，其值始終等于采集的實(shí)時(shí)溫度數(shù)值。在這里利用這個(gè)值和作者預(yù)先設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，即條件循環(huán)的判定條件為假時(shí)，則給定數(shù)字輸出端口0的第0個(gè)通道真值，啟動(dòng)加熱；當(dāng)實(shí)時(shí)溫度大于設(shè)定溫度時(shí)，即條件循環(huán)的判定條件為真時(shí)，則給定數(shù)字輸出端口0的第0個(gè)通道假值，停止加熱。需要注意的是，這里只是采集卡的對(duì)應(yīng)端口輸出了一個(gè)TTL高電平(5 VDC)，此電壓不足以驅(qū)動(dòng)水箱加熱器。所以用這個(gè)高電平驅(qū)動(dòng)一個(gè)輸入電壓為3 VDC～32 VDC、輸出為24～440 V AC的固態(tài)繼電器，利用固態(tài)繼電器的吸合與斷開來(lái)控制水箱加熱棒的工作及停止。

圖7 加熱控制子VI

5 結(jié)論

從圖4可以看出：利用此套加熱控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集卡可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確控制，溫度偏差在±1 ℃以內(nèi)，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。此外可以通過(guò)設(shè)置PID控制子VI的各項(xiàng)參數(shù)，設(shè)置溫度的精確控制。此系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

【1】阮奇楨.我和LabVIEW：一個(gè)NI工程師的十年編程經(jīng)驗(yàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2009.

【2】張凱,郭棟.LabVIEW虛擬儀器工程設(shè)計(jì)與開發(fā)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2006.

【3】侯國(guó)屏,葉齊鑫.LabVIEW編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

【4】劉其和,李云明.LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

【5】豈興明,田京京,朱洪岐.LabVIEW入門與實(shí)戰(zhàn)開發(fā)100例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2014.

【6】陳樹學(xué).LabVIEW實(shí)用工具詳解[M].北京:電子工業(yè)出版社,2014.

【7】陳樹學(xué),劉萱.LabVIEW寶典[M].北京:電子工業(yè)出版社,2014.

Research on Temperature Control System for Radiator Performance Test

WANG Qiumin1,ZHANG Hongye2, YI Jun1

(1.Guangzhou Mechanical Engineering Research Institute Co., Ltd., Guangzhou Guangdong 510000,China; 2.SINOMACH Intelligence Technology Co., Ltd., Guangzhou Guangdong 510000, China)

The heat dissipation performance of a car radiator impacts its performance greatly, so the heat dissipation performance of a radiator must be grasped accurately. Hence there are very high requirements on the heat dissipation performance test system for the radiator, so the temperature must be controlled in a relatively precise range, only then the test results have comparability. The precise control method was introduced for water temperature in the process of radiator performance test based on LabVIEW environment, in which proportion integration differential (PID) control method was used.

Radiator performance test; LabVIEW; Temperature control; PID control

2017-05-05

王秋敏(1989—)，女，學(xué)士，助理工程師，主要從事汽車零部件檢測(cè)與試驗(yàn)研究。E-mail：18027393652@126.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.05.011

U464.137+.3

B

1674-1986(2017)05-051-04