郭美榮 張輝 張會(huì)元

摘要：為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中所需要的絕熱環(huán)境，在MCGS環(huán)境下開發(fā)了位式調(diào)節(jié)算法和實(shí)時(shí)速率調(diào)節(jié)算法的溫度控制軟件，設(shè)計(jì)了基于外側(cè)人工環(huán)境的零溫差溫度場(chǎng)，完成了多種不同溫度下的保溫實(shí)驗(yàn)，得到了不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下兩種控制算法的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：零溫差溫度場(chǎng)；溫度控制；軟件開發(fā)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）07-0150-02

一、實(shí)驗(yàn)裝置及程序開發(fā)環(huán)境

本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理主要是通過MCGS下開發(fā)的溫度控制程序來控制實(shí)驗(yàn)裝置的外側(cè)的溫度，使其對(duì)裝置內(nèi)部的溫度進(jìn)行跟蹤，通過多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)得出在一定實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的最優(yōu)控制方法。

采用MCGS開發(fā)環(huán)境，在MCGS中，可以采用各種圖形元素與動(dòng)畫來形象地對(duì)控制過程進(jìn)行描述，實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制過程的精確掌握。本溫度控制軟件主要由以下三部分組成：（1）溫度控制軟件的控制界面的開發(fā)。（2）溫度控制軟件與硬件的通訊過程。通用串口父設(shè)備是MCGS中從USB接口轉(zhuǎn)RS485串口的過程。采用ModBus繼電器設(shè)備，此設(shè)備采用ModBusRTU通訊協(xié)議，是上位機(jī)用于對(duì)內(nèi)外加熱開關(guān)進(jìn)行控制的設(shè)備，它既可以實(shí)時(shí)返回繼電器的通斷狀態(tài)，也可以實(shí)時(shí)控制繼電器的通斷狀態(tài)。（3）溫度控制軟件的控制算法的開發(fā)。在完成了溫度控制軟件界面的開發(fā)以及軟件與硬件的通訊過程后，接下來便是最核心的算法的開發(fā)與算法在程序中的實(shí)現(xiàn)過程。在本次實(shí)驗(yàn)中，共采用了2種控制算法，分別為：位式調(diào)節(jié)算法和實(shí)時(shí)速率調(diào)節(jié)算法。

二、位式調(diào)節(jié)算法

（一）位式調(diào)節(jié)算法原理

位式調(diào)節(jié)是溫度控制中最基礎(chǔ)且最簡(jiǎn)單的控制方法，它的原理是首先比較標(biāo)準(zhǔn)值與測(cè)定值的差，然后通過對(duì)差值的判斷來控制加熱開關(guān)，具體操作為：若它們的差為正值（即標(biāo)準(zhǔn)值—測(cè)定值>0），則打開加熱開關(guān)，若它們的差為負(fù)值（即標(biāo)準(zhǔn)值—測(cè)定值<0），則關(guān)閉加熱開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的基本控制過程。

（二）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

采用位式調(diào)節(jié)分別對(duì)20℃、30℃、40℃、50℃情況下進(jìn)行保溫實(shí)驗(yàn)，以及不同溫度下的升溫實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

1.采用位式調(diào)節(jié)在不同溫度情況下進(jìn)行保溫實(shí)驗(yàn)。總體來說，在30℃、40℃、50℃情況下采用位式調(diào)節(jié)與室溫下采用位式調(diào)節(jié)的控制效果總體上的走勢(shì)是一樣的，且實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定度逐步提高，不同的是從50℃開始，外部溫度高于內(nèi)部溫度所占的比例已經(jīng)小于了外部溫度低于內(nèi)部溫度所占的比例，也就是說，從50℃開始，溫度控制的上下偏差已經(jīng)從偏上轉(zhuǎn)為偏下，表明了在實(shí)驗(yàn)裝置環(huán)境等不變的情況下，最佳控制溫度是在40℃—50℃之間，即在40℃—50℃的范圍內(nèi)，必存在一個(gè)最佳溫度，使得外部溫度高于內(nèi)部溫度所占的比例等于外部溫度低于內(nèi)部溫度所占的比例，此時(shí)的保溫效果是最穩(wěn)定的。若要得出這個(gè)最佳溫度，可在40℃—50℃溫度范圍內(nèi)重復(fù)進(jìn)行上述的保溫實(shí)驗(yàn)，通過不斷逼近的方法來得出此最佳溫度。

2.采用位式調(diào)節(jié)不同加熱過程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從室溫（23.8℃）加熱到30℃過程，最大誤差為0.6℃，為實(shí)時(shí)溫度的2.52%；從30℃加熱到40℃過程最大誤差為0.4℃，為實(shí)時(shí)溫度的1.3%；從40℃加熱到50℃過程，最大誤差為0.5℃，為實(shí)時(shí)溫度的1.01%。在以上加熱的實(shí)驗(yàn)過程中，采用位式調(diào)節(jié)，控制效果不夠理想，波動(dòng)情況無法消除，需進(jìn)一步改進(jìn)。

三、實(shí)時(shí)速率調(diào)節(jié)算法

（一）實(shí)時(shí)速率調(diào)節(jié)算法原理

實(shí)時(shí)速率調(diào)節(jié)算法是一種通過對(duì)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，從而得出實(shí)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)值與測(cè)定值之間的溫差以及標(biāo)準(zhǔn)值與測(cè)定值各自相對(duì)于上一時(shí)刻的升溫速率，然后通過當(dāng)前時(shí)刻的溫差與升溫速率預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的標(biāo)準(zhǔn)值的溫度，再計(jì)算出欲使下一時(shí)刻的測(cè)定值達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值所需的加熱時(shí)間，最后通過控制加熱時(shí)間來使下一時(shí)刻的測(cè)定值達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，從而實(shí)現(xiàn)溫度的跟蹤控制。

（二）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

采用實(shí)時(shí)速率調(diào)節(jié)分別對(duì)20℃、30℃、40℃、50℃情況下進(jìn)行保溫實(shí)驗(yàn)，以及不同溫度下的升溫實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

1.采用實(shí)時(shí)速率調(diào)節(jié)在不同溫度下進(jìn)行保溫實(shí)驗(yàn)。溫度變化速率在4.5℃/30分鐘以內(nèi)、誤差要求在1.5%及以上的場(chǎng)合下可以采用實(shí)時(shí)速率調(diào)節(jié)的控制方法。

2.采用實(shí)時(shí)速率調(diào)節(jié)不同加熱過程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從室溫到30℃最大誤差為0.5℃，為實(shí)時(shí)溫度的2.08%；從30℃到40℃最大誤差為1.3℃，為實(shí)時(shí)溫度的3.72%；40℃加熱到50℃最大誤差為0.6℃，為實(shí)時(shí)溫度的1.21%。對(duì)于整個(gè)加熱過程來說，控制精度不夠，控制效果的波動(dòng)情況無法消除，仍需要進(jìn)一步改進(jìn)。

四、結(jié)論

位式調(diào)節(jié)的主要缺點(diǎn)是響應(yīng)遲鈍、精度不高、波動(dòng)較大，且采用位式調(diào)節(jié)的情況下，若要達(dá)到最佳控制效果，需要經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)尋找最佳控制溫度范圍與最佳加熱功率相匹配。

實(shí)時(shí)速率調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)有：由于實(shí)時(shí)速率調(diào)節(jié)只能通過上一次的溫度的變化速率來預(yù)測(cè)下一次的溫度，所以也具有滯后性，但內(nèi)部溫度波動(dòng)較大，對(duì)下次溫度的預(yù)測(cè)也會(huì)產(chǎn)生很大波動(dòng)。因此，對(duì)于溫度波動(dòng)較大情況不適用。

相比于位式調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)速率調(diào)節(jié)對(duì)下次溫度有一定的預(yù)測(cè)作用，而且可以通過實(shí)時(shí)改變加熱速率來減小控制過程中的波動(dòng)。

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