某加热试验的温升控制装置设计与温度精度

1温升控制装置设计

1.1设计思路

我们在加热试验中通常采用两种方式,一是采用加热箱通过加热空气,利用热辐射传导方式对产品进行加热,这种加热方式可以用于产品与工装一起加热,主要用于高温破坏性试验,整个加热试验中,试验人员不用接近箱体:也可以用于产品与工装分开加热,主要用于低温试验,加热完毕,试验人员需开箱取产品。该方式由于产品裸露在加热环境中,通过增加可视化功能,可根据需考核位置布置观察窗口,监控不同角度的产品温升变化过程,并储存监控画面,可通过查询方式放大、放慢监控画面,回放试验所需时间段的产品温升变化。另一种是采用加热带包裹产品,通过加热体直接对产品进行加热,这种加热方式更适合加热环境受限,加热箱无法使用的加热试验。

1.2温升控制装置控制原理设计

加热试验的温升控制系统由加热材料、可控硅(或固态继电器)、PID数字温度调节仪以及测温元件组成,其示意图如图1所示。

温升控制的核心为PLC可编程控制器。控制方式为温度采集、本质安全隔离、可编程核心控制、温度控制仪数据运算,形成一个闭环控制,实时控制产品温度的加热和恒定,达到系统要求的温升能力。

1.3温升控制装置温度采集方式

加热箱和加热带的温升控制原理虽然一样,但由于加热箱和加热带的热传导方式不一样,所以温度采集方式也有所区别。

1.3.1加热箱的温度传感器位置布置

由于加热箱是对箱体内腔进行加热,一般采用在箱体顶部安装两支温度传感器,采集箱体内的实时温度,进行加热控制和超温报警。有特殊要求的,会在腔体的所需位置安装用于显示的温度传感器。加热箱传感器的位置布置如图2所示。

1.3.2加热箱的热风循环原理

加热箱内加热器产生的热量在风机的驱动下,气流按照设计好的通道进行环形运动,被带到箱体各处,使箱体各处的温度分布均匀并达到设定值。

1.3.3加热带的温度传感器位置布置

加热带的温度传感器直接贴附在产品表面,用三只温度传感器的平均值进行加热控制,一只传感器进行超温报警。加热带传感器位置布置如图3所示。

由于产品的尾部金属盖存在厚度,恒温时形成散热,产品局部温度下降,多次加温试验验证传感器4的位置温度与前3只传感器的位置温度存在温差,所以选择传感器1、传感器2、传感器3之和的平均值进行加热控制。

2温升控制装置温度精度调节方法

2.1温度精度调节原理

精度调节的设计核心是PID控制参数的整定。目前闭环自动控制技术都是基于反馈的概念以减少不确定性,反馈理论的要素包括测量、比较和执行。测量的关键是被控变量的实际值与期望值相比较,用偏差来纠正系统的响应,执行调节控制。

比例P控制将设定值sP与反馈过程值y(1)进行比较,其误差e(1)乘以比例常数P得到输出u(1)。

积分I控制解决了比例P控制要不就是有误差,要不就是振荡这个缺点,与比例一块进行控制,即PI控制,可以消除静态误差。其公式如下:

式中,u(1)为输出:Kp为比例放大系数:Ki为积分放大系数:e(1)为误差:u0为控制量基准值(基础偏差)。

微分D控制可以解决整个系统的响应速度问题。PID控制公式如下:

2.2加热试验温升装置温度精度调节方法

温控仪表自带的整定功能主要针对固定温度、固定时间完成精度调节。加热试验的工作曲线不是固定不变的,升温时间和升温速率每个阶段不同,所以自整定调节精度对加热试验的两种方式都不适用。

2.2.1理想温度曲线的精度调节方法

对于升温时间和升温速率每个阶段不同的试验曲线来说,精度的调节主要依赖工程经验,直接在控制系统的试验中进行,不同升温速率段的PID参数是不同的,调试时分别选择各个不同升温速率的加热段作为采样周期,按照先比例P、后积分I再微分D的顺序反复调试,最终确定P、I、D的大小。一个理想的曲线有两个波,前高后低4比1。

2.2.2实际温度曲线的精度调节方法

加热箱的温度控制在一个密封空间,PID调节满足温度曲线要求后,控制精度相对稳定。恶劣环境会破坏加热箱的密封性,导致加热环境发生变化,原来的PID值便满足不了加热箱的温度控制精度了。这时可根据原比例P、积分I和微分D值的20%增减逐一调试,重新找到最佳控制精度。

由于加热带是包裹在产品外的,加热环境有许多不定因素,例如产品有无非标包装壳体、非标包装壳体的密封程度、试验场地的环境温度都会使PID调节的精度偏离,这就需要多次试验积累的经验值。

2.2.3加热试验的温度曲线图

某加热试验的理想温度曲线如图4所示,实际温度曲线如图5所示。

3结语

对于温度控制设备,主要考核温升能力和温度控制精度这两项技术指标。各种条件的加热试验中,温升控制是成熟技术,通过系统设计是可控的。而加热精度随环境等不定因素变化也不定,需进行偏差校正,这是一个经验积累的过程,但掌握PID调节方式是关键。