恒溫箱溫度調(diào)節(jié)及參數(shù)整定方法

在科學(xué)實(shí)驗(yàn),、醫(yī)學(xué)化驗(yàn),、化學(xué)分析,、食品工業(yè)成分等實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)域內(nèi)廣泛使用著一種恒定溫度的專用環(huán)境試驗(yàn)儀器設(shè)備———恒溫箱,在恒溫箱內(nèi)的空間中放置試驗(yàn)樣品,在一定的恒溫環(huán)境中,通過(guò)規(guī)定的時(shí)間,經(jīng)過(guò)測(cè)試化驗(yàn)即可得到所需樣品指標(biāo)參數(shù)及各種數(shù)據(jù),進(jìn)而可以分析出樣品的物理,、化學(xué)性能及多種成分組合。隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的變更,對(duì)檢測(cè)參數(shù)準(zhǔn)確度要求越來(lái)越高,而對(duì)樣品所處的環(huán)境條件,也要求越來(lái)越嚴(yán),目前在實(shí)驗(yàn)室使用中的恒溫箱或其他試驗(yàn)設(shè)備溫度升溫和保溫,、恒定需要時(shí)間長(zhǎng),調(diào)節(jié)控制方法落后,消耗能量大,已經(jīng)不能滿足計(jì)量檢測(cè)工作需要,試驗(yàn)中所得數(shù)據(jù)參數(shù)重復(fù)性不好,因此如何使恒溫箱的溫度參數(shù)滿足試驗(yàn)樣品要求,且波動(dòng)值最小,改進(jìn)調(diào)節(jié)電路,構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng),選擇最優(yōu)參數(shù)設(shè)定,采用自動(dòng)化儀表核心芯片組成的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一最佳方案,。

1　PID調(diào)節(jié)規(guī)律的實(shí)現(xiàn)

    為了克服位式調(diào)節(jié)存在的溫度波動(dòng)及接觸器通、斷帶來(lái)的噪聲等問(wèn)題,提高調(diào)節(jié)質(zhì)量,我們采用以比例P,、積分I,、微分D調(diào)節(jié)器組成的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng),其核心器件為具有自整定功能的集成芯片。它可控制輸出與偏差信號(hào)△δ或PID關(guān)系的電流,使可控硅的導(dǎo)通程度改變,恒溫箱的輸入功率得到改變,溫度參數(shù)向著減小偏差的方向變化,直至消除,。

1.1　比例(P )調(diào)節(jié)規(guī)律

    比例調(diào)節(jié)可用圖1說(shuō)明,。

    比例調(diào)節(jié)特性是輸出信號(hào)(OUT)△I與輸入信號(hào)( IN)△δ成比例關(guān)系,可用式(1)來(lái)說(shuō)明:

    △ I=-KP△ δ        （1）式中,負(fù)號(hào)表示△I與△δ的方向變化相反。例如:溫度參數(shù)受到擾動(dòng)而降低時(shí)(△δ增加為負(fù)),調(diào)節(jié)器輸出增大(△I)為正,偏差被逐漸克服,參數(shù)最終回到設(shè)定值上,。

    用比例調(diào)節(jié)器組成的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng),可以比較快的克服干擾所引起的各種參數(shù)波動(dòng),并且克服波動(dòng)的能力還隨著偏差的增大而加強(qiáng),。因此,只要針對(duì)恒溫箱情況調(diào)整比例帶,就可以獲得比較滿意的特性,。

1.2　比例積分(PI)調(diào)節(jié)規(guī)律

   積分調(diào)節(jié)器的特性是△I與△δ的積分成正比,可用式(2)表示:

    △ I=-A∫△ δdt        (2)式中,負(fù)號(hào)表示△I與△δ方向變化相反,。當(dāng)偏差為負(fù)時(shí),電流為正, A表示積分速度, A值越大,△δ隨時(shí)間積累的速度越快,△I的變化速度也越快。采用理想的積分器,可以消除被控溫度與設(shè)定溫度之間的差異(也稱靜差),。當(dāng)△δ存在時(shí),△I就存在,變化的結(jié)果總是要減小偏差,只有當(dāng)△δ為零時(shí),△I也為零,系統(tǒng)就知道穩(wěn)定,。而此時(shí)輸出電流可穩(wěn)定在輸出范圍的任一數(shù)值上,其大小主要由恒溫箱加熱功率所決定,。實(shí)際上,積分調(diào)節(jié)都與比例調(diào)節(jié)結(jié)合構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器,可用式(3)表示:

    △ I =-KP△ δ- (KP /Ti) ∫△ δdt        (3)式中,Ti為積分時(shí)間常數(shù)。 式(3)表明: PI調(diào)節(jié)器的輸出△I是比例輸出與積分輸出之和,設(shè)A= KP /Ti時(shí),Ti與A成反比,KP是放大倍數(shù),KP值的大小不但影響比例輸出,而且影響積分輸出,。當(dāng)KP增加后,不僅放大信號(hào)能力增大了,同時(shí)隨時(shí)間積累IN的速度也增大了,。

1.3　比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)規(guī)律

    從式(3)可以看出: PI調(diào)節(jié)規(guī)律有一定優(yōu)點(diǎn),但這種調(diào)節(jié)規(guī)律不能快速克服干擾對(duì)溫度參數(shù)的影響。例如:對(duì)熱慣性較大的恒溫箱,當(dāng)調(diào)節(jié)器感受△δ時(shí),干擾已經(jīng)存在一定時(shí)間,如果只有PI調(diào)節(jié),則必然使偏差發(fā)展較大時(shí),才能產(chǎn)生一定調(diào)節(jié)作用,。為此,選擇PID調(diào)節(jié)規(guī)律是目前對(duì)恒溫箱參數(shù)進(jìn)行調(diào)控的最佳方案,。

    理想PID調(diào)節(jié)器特性可用式(4)表示:

    △ I=- KP△ δ- (KP/Ti)∫△ δdt- KP(d△ δ/dt)         (4) 式(4)中三部分分別是比例作用、積分作用,、微分作用所引起的電流輸出,。由式(4)可以看出微分作用的輸出與偏差變化速度及其微分時(shí)間成正比?！?delta;越大,Td越長(zhǎng),其作用就越強(qiáng),所以具有微分作用的調(diào)節(jié)器應(yīng)用到恒溫箱的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中,由于干擾突然產(chǎn)生而恒溫箱溫度突然偏離設(shè)定值,就可以立即產(chǎn)生一個(gè)較大的微分輸出,使執(zhí)行機(jī)構(gòu)快速朝著減小偏差的方向變化,。

    總之,將PID三種調(diào)節(jié)作用結(jié)合起來(lái)組成的調(diào)節(jié)器具有良好的溫度調(diào)節(jié)控制特性。

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