温度测量元器件的选择

温度的测量可采用精密热电阻 (常用PT100) 、热电偶、半导体温度传感器或集成数字化传感器等感温元件。通过测量放大电路将温度量转换成电压信号, 再经A/D转换, 非线性修正得到温度测

关于温度的闭环反馈控制

开环控制应用于控制量和被控制参数有一一对应关系的控制场合。例如数控、程控和摇床应用中的光照控制等。此控制方法不适合对温度的控制。恒温摇床的加热功率和测量温度值之间没有直接对应关系, 通常是通过测量温度采集, 与设定温度比较, 得到偏差值, 再经控制器 (俗称调节器) 运算得到控制量 (输出) , 再经过执行机构 (如加热器、调压器) 进行控制, 通过不断重复这个过程, 使偏差逐渐趋于零, 整个重复过程就是闭环反馈的控制。

温度的PID控制和参数整定

温度控制器可以采用位式控制, 即测量温度低于设定温度接通加热, 测量温度高于设定温度关断加热。位式控制的控制输出只有0或者1两种状态, 执行机构可以比较简单。由于控制对象都具有惯性和滞后现象, 故采用位式控制的效果是温度始终处于上下波动状态。比例控制的输出是一个连续量 (可以定义为0-100%区间) , 从完全不加热变化至全功率加热。比例控制器即可以理解为偏差越大, 输出控制量越大。这中间有一个可变系数, 即比例带P (0-100%, 输出满幅度变化时输入偏差的成比例范围, 是放大倍数的倒数) , P越小相当于放大倍数越大, 控制越灵敏。但当偏差=0时, 控制输出=0, 但实际输出=0就无法实现控温, 所以偏差不能为0, 理论上这是一种有误差的控制。要实现无误差控制通常要加入积分|。在积分控制中, 只要有偏差就会根据偏差极性确定输出积累增加或积累减少, 直到消除偏差。所以只有加了积分才能最终消除误差。

积分参数单位为秒, 1-300秒表示经过300秒, 输出积累得到相当于比例作用的输出量。显然I越小积分输出越快, 表明消除误差的能力越大。D (微分) 作用是对输入的变化率起作用, 对温度的波动到超抑制作用。理论上当输入阶跃突变时输出为无穷大, 但维持时间为零, 这样控制扰动太大、对惯性对象控制作用也不明显。实际控制中采用不完全微分算法, 微分增益为5-10, 微分时间是指微分衰减时间, 显然D越大, 微分作用越强, D设为0表明不用微分。实践表明, 采用PID闭环控制算法, 对PID这三种控制作用进行组合对大部分的控制系统都能得到较好的控制效果。

针对不同的控制对象进行参数选择以达到系统调节的快速稳定称为系统参数整定。当参数设置不当, 系统可能出现程定并产生较大误差, 其表现为温度一直处于波动状态, 甚至出现发散现象。理想的控制对象是较大的时间常数、惯性较大、保温性好。为了减少当设定值变化时引起的波动度, 可以采用测量值微分先行的PID控制算法。为了加快大偏差时实际测量值快速变化到设定值附近, 可考虑当偏差大于一定数值时采用位式控制 (可以满功率加热) , 当偏差减小到一定数值后再进入PID实现精准控制。

制冷系统的设计和电子步进热气旁通阀的应用

当温度设定值低于环境温度 (实际由于系统本身可能产生热量和系统稳定波动的范围, 一般低于环境温度+5度) 就需要开启制冷系统。常用的制冷系统有:半导体制冷系统、采用普通压缩机或变频压缩机的制冷系统。其中, 半导体制冷系统的优点为结构简单, 控温方便, 缺点是散热不便、制冷量做大不易, 故在恒温摇床中鲜有使用, 直接采用变频控制技术的压缩机制冷系统, 由于变频控温模式下对制冷量的精确控制不易实现, 故也难以直接应用于对温度控制精度要求较高的恒温摇床。

目前正在业内广泛使用的压缩机组制冷系统, 从当前节能环保角度来看, 是一种浪费能源, 偏离环保要求的方法, 亟待改进。我们来具体分析一下其中的原因。

压缩机组制冷系统的工作原理为, 压缩机将低温、低压制冷剂介质的蒸汽压增成温度、压力较高的蒸汽进入冷凝器、经散热冷凝成压力较高的液体, 再经过节流阀或毛细管节流后, 变为压力较低的液体送入蒸发器完成吸热和蒸发。压力较低的蒸汽被再次送入压缩机入口完成制冷循环。其中, 通过蒸发器与外界空气、水等介质接触, 实现与外界能量的转移而达到降温的目的。此类制冷系统的缺点首先是压缩机的启停时间有限制。当压缩机高低两端的管道压力尚未达到自平衡状态, 而制冷系统检测到需要降温而发出制冷系统启动的信号时, 压缩机就会处于一种无法启动的热饱和状态, 此种现象甚至极有可能直接引起“冲缸”而将压缩机烧坏。因此压缩机必须采取延时启、停的方法, 但这一方法的应用又加大了控制温度的波动, 这不符合恒温摇床对温度要求稳定的要求。故制冷系统不能采用简单的启、停压缩机的方法来控制温度。引入的热补偿法控制温度, 即始终开启制令系统 (或部分开启制冷) , 然后, 再用加热补偿的方法来实现冷热平衡下对温度的精确控制。这个办法虽