陳剛 ， 謝勇期 孔玉梅 ， 歐永

(1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；2.廣州市電子信息產(chǎn)品可靠性與環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510610；3.電子信息產(chǎn)品可靠性分析與測試國家地方聯(lián)合工程研究中心，廣東 廣州 510610；4.泰州賽寶工業(yè)技術(shù)研究院有限公司，江蘇 泰州 225500)

0 引言

電工電子產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣闊，其所經(jīng)受的環(huán)境條件也愈來愈復(fù)雜和多樣，所涉及的環(huán)境因素主要包括溫度、濕度、振動、霉菌、鹽霧和光照等，只有合理地規(guī)定產(chǎn)品的環(huán)境條件，正確地選擇產(chǎn)品的環(huán)境防護(hù)措施，才能保證產(chǎn)品在全壽命周期中的安全與可靠，因而，對電工電子產(chǎn)品進(jìn)行人工模擬環(huán)境試驗(yàn)成為了保證其質(zhì)量的必不可少的重要環(huán)節(jié)。

溫度和濕度環(huán)境應(yīng)力引起的失效占所有環(huán)境應(yīng)力引起的失效的大部分，其中溫度環(huán)境應(yīng)力所引起的失效占整個失效的比重為40%，濕度引起的失效占整個失效的比重為18%，溫度變化引起的失效占整個失效的比重為2%，整個溫濕度環(huán)境應(yīng)力引起的失效占到所有失效的60%左右，因此，開展溫濕度為主的環(huán)境試驗(yàn)就成為了產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計和驗(yàn)證的重點(diǎn)。

在工業(yè)環(huán)境中，溫度、濕度的靜態(tài)和動態(tài)過程非常多，表現(xiàn)出復(fù)雜性和多樣性，例如：急速溫度升高可能導(dǎo)致焊錫回流；啟動馬達(dá)時周圍器件的溫度會急速地上升，關(guān)閉馬達(dá)后周圍器件的溫度會急速地下降；設(shè)備從溫度較高的室內(nèi)移至溫度相對較低的室外，或者從溫度較低的室外移至溫度較高的室內(nèi)都會引起設(shè)備溫度的改變；設(shè)備在較低的溫度下接電時，設(shè)備內(nèi)部會有一個很大的溫度變化梯度；設(shè)備可能因?yàn)橥唤荡笥甓鴮?dǎo)致其溫度下降，濕度改變；航空器在起飛或降落時，其表面材料也可能會出現(xiàn)溫度和濕度急劇變化的情況，高溫高濕條件及溫濕度的變化作用于試驗(yàn)樣品上，可以構(gòu)成水氣吸附、吸收和擴(kuò)散等物理和化學(xué)過程，材料在吸濕后會發(fā)生膨脹、性能也隨之發(fā)生變化，并引起物質(zhì)強(qiáng)度降低及其他主要機(jī)械性能的下降，同時吸附了水氣的絕緣材料的電性能也會下降，主要包括膨脹、潮解、變性、短路、開路和腐蝕等。

因此，在實(shí)際開展環(huán)境模擬試驗(yàn)時，完成溫度、濕度的靜態(tài)和動態(tài)模擬控制，即人工模擬溫度濕度場，定性和定量地再現(xiàn)實(shí)際的氣候環(huán)境應(yīng)力至關(guān)重要。為了模擬真實(shí)或更加嚴(yán)酷的試驗(yàn)條件，試驗(yàn)過程中不同等級的溫濕度應(yīng)力的轉(zhuǎn)換、持續(xù)加電、通斷加電、開箱門進(jìn)行操作、察看樣品、調(diào)整樣品的數(shù)量和種類等，這些都會對試驗(yàn)箱內(nèi)的溫濕度控制指標(biāo)形成擾動，對系統(tǒng)的制冷量提出不同的要求。另外，溫度、濕度類試驗(yàn)一般所需的時間很長，對試驗(yàn)穩(wěn)定性和不可中斷性的要求很高，試驗(yàn)時對于降低成本、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和節(jié)水節(jié)電的要求也很高，針對以上要求，本文就環(huán)境試驗(yàn)中加熱量、加濕量和制冷量的控制算法提出了一種新的改進(jìn)方法。

1 傳統(tǒng)的控制模式的介紹

人工模擬溫濕度環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)非常復(fù)雜，同時有加熱、加濕和制冷 (除濕量)3個主要變量會對溫度和相對濕度產(chǎn)生影響，傳統(tǒng)的控制方式只是對溫度和相對濕度進(jìn)行控制，幾個變量之間沒有形成關(guān)聯(lián)，例如：溫度控制回路中，一般是溫度采用PID控制，控制對象為箱內(nèi)溫度，在人機(jī)界面上完成設(shè)定修改，傳感器實(shí)時采樣環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度值完成反饋形成閉環(huán)，完成PID運(yùn)算并將控制周期和計算輸出值送到PLC中，通過PLC進(jìn)行運(yùn)算輸出，采用固態(tài)繼電器 (SSR：Solid-state relay)無觸點(diǎn)通斷控制加熱器的導(dǎo)通時間，即通過調(diào)節(jié)等脈寬的時間占空比來控制加熱器在單位時間內(nèi)的發(fā)熱功率，一個控制周期內(nèi)加熱器導(dǎo)通時間越長，發(fā)熱量越大，反之，發(fā)熱量越小。其相對濕度控制模式與溫度控制模式相同。對制冷機(jī)組的控制基本上是采用ON-OFF控制模式，制冷量控制上也不能實(shí)現(xiàn)柔性控制和合理實(shí)時匹配。

2 改進(jìn)的控制算法

控制改進(jìn)是基于在制冷系統(tǒng)中引入電子膨脹閥節(jié)流裝置這一關(guān)鍵部件來實(shí)現(xiàn)的。在完成了系統(tǒng)硬件改造升級后，在制定控制算法時，要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用特點(diǎn)，并總結(jié)傳統(tǒng)的控制方法的得失，制定一套新的控制方式，基本控制思路如圖1所示，具體的實(shí)施步驟如下所述。

圖1 控制流程圖

a)尋求制冷系統(tǒng)安全運(yùn)行的條件

采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析法，收集不同工況下采集的數(shù)據(jù)并匯總所有的電子膨脹閥開度數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)濾去部分異常數(shù)據(jù)后，就可以擬合出不同環(huán)境溫度和工況下的安全邊界線。

b)尋求環(huán)境試驗(yàn)中不同條件對冷量的需求規(guī)律，并設(shè)計控制表

在整個系統(tǒng)中，由于加熱、加濕和制冷 (除濕)3個變量都會對溫度和相對濕度產(chǎn)生影響，因而仍將加熱量控制回路、加濕量控制回路作為控制主線，基于所反饋的溫度和濕度偏差，采用PID控制，直接作用于溫度和濕度；制冷量控制回路則作為輔線。

在試驗(yàn)系統(tǒng)單獨(dú)控制溫度時，制冷量控制輸出采用基于經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則的模糊控制算法，即以經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)參考數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)來設(shè)計控制算法，這樣一來，就沒有必要去精確地了解對象的模型，具體的做法是：采用常規(guī)模糊控制方法中的查表法，首先，通過事先的離線計算，根據(jù)一般的模糊控制方法，包括選擇隸屬函數(shù)、確定模糊控制范圍和模糊與反模糊化等步驟，得到模糊控制表；然后，計算出試驗(yàn)設(shè)備各試驗(yàn)狀態(tài)的制冷控制量；最后，取得一個模糊控制表，將控制表存放到計算機(jī)中，實(shí)際控制中，由控制表的第i行與第j列找到控制量tp，乘以比例因子，就可以直接作用于電子膨脹閥了。單獨(dú)控制溫度時，以箱內(nèi)實(shí)測溫差e、箱內(nèi)實(shí)測溫度變化速率△e作為輸入語言變量，以控制制冷量的電子膨脹閥開度控制量tp作為輸出語言變量，屬于雙輸入單輸出模糊控制。

根據(jù)試驗(yàn)條件狀態(tài)的不同，必須要建立不同層次的制冷量需求等級，才能滿足實(shí)際試驗(yàn)時的各種溫濕度應(yīng)力變化要求。

根據(jù)單獨(dú)控制溫度時溫度變化速率及穩(wěn)態(tài)時制冷系統(tǒng)特性的實(shí)際要求，建立模糊控制表：1)模糊控制表1 Low_per_tabl如圖2所示；2)模糊控制表2 Mid_per_table如圖3所示；3)模糊控制表3 High_per_table如圖4所示。

溫濕度組合控制時，采用基于經(jīng)驗(yàn)的直接階梯形預(yù)置電子膨脹閥開度的方法，并通過實(shí)時的動態(tài)自尋優(yōu)運(yùn)算，調(diào)整電子膨脹閥開度。溫濕度組合控制時，以試驗(yàn)的溫濕度狀態(tài)：設(shè)定溫度Ts和設(shè)定濕度RHs作為輸入邏輯變量，以控制制冷量的電子膨脹閥開度控制量tp作為唯一對應(yīng)的邏輯輸出，屬于雙輸入單輸出直接邏輯控制，如表1所示。

1)輸入條件

設(shè)定溫度為Ts、設(shè)定濕度為RHs。

2)討論范圍

溫度： 10～85℃；

濕度： 5%RH～100%RH。

圖2 模糊控制表1

圖3 模糊控制表2

圖4 模糊控制表3

3)邏輯區(qū)間劃分

temp1溫度非常低：Ts≤17℃；

temp2溫度低：17℃≤Ts＜37℃；

temp3中等溫度：37℃≤Ts＜57℃；

temp4溫度高： 57℃≤Ts＜83℃；

temp5溫度非常高：Ts≥83℃；

humi1濕度非常低：RHs＜21%RH；

humi2濕度低： 21%RH≤RHs＜46%RH；

humi3中等濕度：46%RH≤RHs＜71%RH；

humi4濕度高： 71%RH≤RHs＜84%RH；

humi5濕度非常高：RHs≥84%RH。

4)電子膨脹閥開度分級

電子膨脹閥開度分5×5=25級：tp1、tp2、tp3、tp4……tp25。

5)控制規(guī)則

歸納如下：IF temp*AND Humi*THEN電子膨脹閥開度tp*。

6)溫度邏輯控制表

溫濕度組合控制時，建立濕度邏輯控制表Humi_per_table，如表1所示。

表1 濕度邏輯控制表

c)自尋優(yōu)修正運(yùn)算設(shè)計

在溫度和濕度的控制過程中，根據(jù)溫濕度偏差大小，對加熱器、加濕器采用PID控制和ON-OFF控制相結(jié)合的控制方式，PID控制方法簡單，計算量小，便于實(shí)現(xiàn)，這在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中已經(jīng)運(yùn)用得很成熟了。由于外界條件的不確定性，例如：負(fù)載變化、環(huán)境溫度變化等，通過查詢控制表計算所得的控制量通常并不是最合適的，必須根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整以匹配這種變化。通過加熱控制回路和加濕控制回路的輸出量及其變化情況，可以得出系統(tǒng)對制冷量的需求方向；知道了系統(tǒng)的需求方向，就可以計算出校正量來調(diào)節(jié)制冷量。雖然其調(diào)節(jié)總是滯后于加熱量控制回路和加濕量控制回路的變化，但這種滯后總的來說是可以克服的，對系統(tǒng)控制并無顯著的影響。

為了在試樣負(fù)載突變或者外界環(huán)境溫度變化時，制冷量的調(diào)節(jié)能夠適應(yīng)這種變化，能夠根據(jù)外界或負(fù)載的變化來實(shí)時地調(diào)節(jié)電子膨脹閥的開度，提高設(shè)備的負(fù)荷能力和對周圍環(huán)境的適應(yīng)能力，在控制算法中引入性能辨識環(huán)節(jié)，以加熱控制回路的輸出Ur和加濕控制回路的輸出Ut′作為性能辨識環(huán)節(jié)的輸入條件，如圖5所示，通過建立一定的運(yùn)算規(guī)則，計算出一個校正控制量，迭加在查表得出的控制輸出量上進(jìn)行校正，即根據(jù)性能測量環(huán)節(jié)得到的校正量來計算最終控制量的值，這樣就使系統(tǒng)具備了自適應(yīng)機(jī)制，具有自尋優(yōu)調(diào)節(jié)制冷劑流量的功能。

圖5 改進(jìn)控制算法結(jié)構(gòu)圖

圖2中：Ts——設(shè)定溫度，參與溫度控制回路計算、溫濕度控制回路的解耦計算和制冷控制回路的規(guī)則運(yùn)算；

K1——溫濕度控制回路的解耦系數(shù)；

To——實(shí)測溫度，控制反饋，參與制冷控制回路的輸入條件；

RHs——設(shè)定濕度，參與濕度控制回路計算，制冷控制回路的輸入條件；

Rho——實(shí)測濕度，控制反饋；

Ur——溫度控制回路控制輸出，參與制冷控制回路的自尋優(yōu)規(guī)則運(yùn)算；

Ut′——濕度控制回路控制輸出，參與制冷控制回路的自尋優(yōu)規(guī)則運(yùn)算。

3 溫濕度控制性能對比

開展溫度濕度組合試驗(yàn)時，采用基于專家經(jīng)驗(yàn)的預(yù)置電子膨脹閥開度的方法，并通過實(shí)時的動態(tài)自尋優(yōu)運(yùn)算，控制制冷系統(tǒng)節(jié)流裝置電子膨脹閥的開度，也就是說，制冷量總是自動地匹配于溫度濕度的組合試驗(yàn)點(diǎn)，高濕時有高濕所需求的制冷除濕量，低濕時有低濕所需求的制冷除濕量，并且可以根據(jù)樣品負(fù)載大小的轉(zhuǎn)換和箱內(nèi)濕度的變化進(jìn)行自動修正，舊的系統(tǒng)由于硬件和控制算法的局限，系統(tǒng)的制冷、除濕量要兼顧不同的環(huán)境試驗(yàn)溫濕度點(diǎn)，這樣，有的溫度濕度組合試驗(yàn)就不能完成控制，表現(xiàn)為試驗(yàn)?zāi)芰Σ粔蚝涂刂品秶M小。系統(tǒng)改進(jìn)前后的溫度濕度控制性能對比情況如圖3所示。

圖6 溫度濕度控制性能對比

4 結(jié)束語

改進(jìn)了控制算法以后，通過實(shí)際的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比發(fā)現(xiàn)，溫度、濕度的穩(wěn)態(tài)控制性能超過了原來的控制水平，另外在系統(tǒng)其他綜合試驗(yàn)性能方面也有了很大的改進(jìn)，除溫度濕度控制范圍有大的提升以外，系統(tǒng)綜合性能的提高主要還體現(xiàn)在以下幾個方面：

a)動態(tài)控制性能有了很大的提高，快速或者慢速線性降溫的溫度變化曲線線性度優(yōu)于傳統(tǒng)的系統(tǒng)；

b)制冷機(jī)組的制冷效率得到了改善，降溫速率得到了提高；

c)帶樣品負(fù)載的能力有了大幅度的提高；

d)系統(tǒng)受環(huán)境溫度的變化的影響減??；

e)溫濕度控制因操作人員開關(guān)門維護(hù)受試驗(yàn)樣品造成的波動減小且恢復(fù)得很快；

f)系統(tǒng)的故障率明顯地降低，使用壽命也將延長；

g)在濕熱試驗(yàn)和動態(tài)降溫試驗(yàn)時，系統(tǒng)在節(jié)能和省水方面的優(yōu)勢比較明顯。

以上綜合性能的提升，對環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)本身的綜合品質(zhì)來說是一個質(zhì)的飛躍，因而這些性能的改善，為順利地開展人工模擬環(huán)境試驗(yàn)提供了有力的保障。