CN106681398A - 高低温交变试验箱的温度控制方法、系统及试验箱 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高低温交变试验箱的温度控制方法、系统及高低温交变试验箱，该方法包括首先确定单位温度变化梯度t0；然后获取当前试验箱内部温度t1和外部温度t2；接着根据探测到的试验箱内部温度t1、外部温度t2以及单位温度变化梯度t0，采用PID控制方法计算加热或制冷所需要的功率；接着驱动加热装置或制冷装置，实现以单位温度变化梯度为目标的温度调节，并保证试验箱内部温度稳定维持在以t1+nt0为中心，上下震荡不超过Δt，维持时间超过E，n＝(1，2，N)；最后按照上述步骤，执行以单位温度变化梯度t0为间隔的高低温交变控制。
Description
技术领域
本发明涉及温控领域，具体涉及一种高低温交变试验箱的温度控制方法、系统及高低温交变试验箱。
背景技术
高低温交变试验箱是航空、汽车、家电、科研等领域必备的测试设备，用来模拟产品在气候环境温湿组合条件下(高低温操作&储存、温度循环、高温高湿、低温低湿、结露试验等)的各项参数，应用于国防工业,航天工业.自动化零组件,汽车部件,电子电器零组件,仪器仪表、材料、塑胶,化工,食品,制药工业及相关产品之耐热.耐湿.耐寒.耐干性能及品质管理工程之试验规范，对试品在给定的环境条件下检测产品本身的适应能力与特性是否改变作出评价。现有的高低温交变试验箱只在箱体内部有温度传感器，温度控制的过程中采用压缩机与加热管对温度进行调理，若不考虑环境温度对试验箱温度的影响，则在控制过程中会有多次超出目标温度的超调现象，且超调量较大。这样在控制过程中不免需要多次温度控制才能使试验箱达到目标温度，同时该温度控制过程耗时较长，温度控制不精确。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种高低温交变试验箱的温度控制方法，使得环境温度参与到试验箱温度控制的过程中，可以减少超调次数，使得温度控制更迅速更准确。
为了实现上述目的，本发明采用如下方案：
一种高低温交变试验箱的温度控制方法，包括：
(1)确定单位温度变化梯度t0；
(2)获取当前试验箱内部温度t1和外部温度t2；
(3)根据探测到的试验箱内部温度t1、外部温度t2以及单位温度变化梯度t0，采用PID控制方法计算加热或制冷所需要的功率；
(4)驱动加热装置或制冷装置，实现以单位温度变化梯度为目标的温度调节，并保证试验箱内部温度稳定维持在以t1+nt0为中心，上下震荡不超过Δt，维持时间超过E，n＝(1，2，…N)；
(5)按照上述步骤，执行以单位温度变化梯度t0为间隔的高低温交变控制。
本发明采集试验箱外部的环境温度，是指参与到试验箱温度控制中，根据外部环境温度和内部温度，采用PID控制方法得到加热或者制冷所需的功率，比现有的不考虑环境温度的试验箱，可以更精确的达到目标温度，即每一单位温度变化梯度，同时，由于可以控制功率的大小，也就使超调量减小，从外部结果看，即实现了温度控制精确，且波动幅度小的有益效果，同时由于超调量减小了，回调过程经过的时间也就短，实现整个温控过程就更迅速。
进一步的，随着t1逐渐接近t2，若发生超调量为x的超调现象，则确定回调温度量为x+k，k为冗余量，且呈逐渐减小的趋势；随着t1逐渐远离t2，若发生超调量为x的超调现象，则确定回调温度量为x-k，k为冗余量，且呈逐渐增大的趋势。通过采用这样的方法，可以在发生超调现象后，准确确定回调温度量，避免发生二次超调，或者避免发生多次超调，使试验箱可以更准确更迅速得维持在某个固定温度周围，
进一步的，随着t1逐渐接近t2，若发生超调量为x的超调现象，则确定回调功率为Px+P，Px为不考虑外部环境温度时，消除超调量x所需要的功率，P为冗余功率，且P呈逐渐减小的趋势；随着t1逐渐远离t2，若发生超调量为x的超调现象，则确定回调功率为Px-P，Px为不考虑外部环境温度时，消除超调量x所需要的功率，P为冗余功率，且P呈逐渐增大的趋势。
本发明还提出了一种采用上述控制方法的高低温交变试验箱温度控制系统，包括内部温度传感器、加热管、制冷压缩机和控制器；还具有可检测环境温度的外部温度传感器，所述内部温度传感器和外部温度传感器分别实时检测试验箱内部与外部温度，并将结果发送给控制器，控制器作出控制策略，驱动加热管或制冷压缩机对温度作加热或制冷调节。
进一步的，该系统还包括与控制器相连的显示单元，显示单元安装在箱体外表面，用于实时显示试验箱内部温度。其有益效果是可以直观显示试验箱内部的温度变化过程。
进一步的，该系统还包括与控制器相连的风机，用于促使试验箱内空气流通。其有益效果是可以使试验箱内部的冷空气或者热空气均匀铺设，不会出现局部区域过冷或过热的现象。
进一步的，该系统的内部温度传感器设有多个，沿试验箱周边相隔固定距离均匀分布。本发明的这一设置是为了准确衡量试验箱内部的温度分布，多个传感器将各自所测得的结果均发送给控制器，若多个内部温度传感器的检测结果不同，控制器可以驱动风机向不同的方向工作，更好地实现试验箱内部温度的一致性。另一方面，若多个内部温控器的检测结果不同，控制器将计算其平均内部温度，并据此指定温度控制策略，更准确得实现温控过程。
本发明还提出了一种高低温交变试验箱，采用上述的高低温交变试验箱温度控制方法。这种试验箱可以将试验箱外部的环境温度反馈至温度控制的过程中，有效减少超调次数，降低超调量，使得温度控制更迅速更准确。
本发明的有益效果：
本发明涉及一种高低温交变试验箱的温度控制方法、系统及高低温交变试验箱，其中温度控制方法同时检测试验箱内部和外部的温度，并将其反馈至控制器，控制器采用PID调节方法，根据试验箱内部和外部温度，制定温度控制策略，驱动加热装置和制冷装置对试验箱的温度进行控制，其有益效果是可以使环境温度在控制闭环中起到负反馈的作用，合理设置回调温度量和回调功率，减少温度控制过程中的超调次数，超调量，使得温度控制更迅速更准确。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：一种高低温交变试验箱的温度控制方法，包括：
(1)确定单位温度变化梯度t0；
(2)获取当前试验箱内部温度t1和外部温度t2；
(3)根据探测到的试验箱内部温度t1、外部温度t2以及单位温度变化梯度t0，采用PID控制方法计算加热或制冷所需要的功率；
(4)驱动加热装置或制冷装置，实现以单位温度变化梯度为目标的温度调节，并保证试验箱内部温度稳定维持在以t1+nt0为中心，上下震荡不超过Δt，维持时间超过E，n＝(1，2，N)；
(5)按照上述步骤，执行以单位温度变化梯度t0为间隔的高低温交变控制。
本发明采集试验箱外部的环境温度，是指参与到试验箱温度控制中，根据外部环境温度和内部温度，采用PID控制方法得到加热或者制冷所需的功率，比现有的不考虑环境温度的试验箱，可以更精确的达到目标温度，即每一单位温度变化梯度，同时，由于可以控制功率的大小，也就使超调量减小，从外部结果看，即实现了温度控制精确，且波动幅度小的有益效果，同时由于超调量减小了，回调过程经过的时间也就短，实现整个温控过程就更迅速。
PID控制方法可根据测量值与给定值的偏差进行比例(P)、积分(I)、微分(D)运算，从而输出某个适当的控制信号给执行机构，促使测量值恢复到给定值，达到自动控制的效果。比例运算是指输出控制量与偏差的比例关系。比例参数P设定值越大，控制的灵敏度越低，设定值越小，控制的灵敏度越高，例如比例参数P设定为4％，表示测量值偏离给定值4％时，输出控制量变化100％。积分运算的目的是消除偏差。只要偏差存在，积分作用将控制量向使偏差消除的方向移动。积分时间是表示积分作用强度的单位。设定的积分时间越短，积分作用越强。例如积分时间设定为240秒时，表示对固定的偏差，积分作用的输出量达到和比例作用相同的输出量需要240秒。比例作用和积分作用是对控制结果的修正动作，响应较慢。微分作用是为了消除其缺点而补充的。微分作用根据偏差产生的速度对输出量进行修正，使控制过程尽快恢复到原来的控制状态，微分时间是表示微分作用强度的单位，仪表设定的微分时间越长，则以微分作用进行的修正越强。
但是不可避免的，在温度调控过程中还是会出现超调现象，我们采用下面的方法减少超调次数。
随着t1逐渐接近t2，若发生超调量为x的超调现象，则确定回调温度量为x+k，k为冗余量，且呈逐渐减小的趋势。原理是在高低温交变控制试验箱的温度变化过程中，必然存在内部温度逐渐接近外部温度的情形，例如一试验箱需要从零下50度升温至零上150度，单位温度变化梯度t0为5度，室外温度在0度左右，所以当从零下50度升温至0度这一区间即为内部温度逐渐接近外部温度的情形，在这一区间内，每执行一个单位温度变化梯度均可能存在超调现象，那么我们根据超调量的大小，确定回调温度量。回调温度量由两部分组成，一个是超调量，另一个是冗余量；在这一区间内，外部温度对于试验箱内部温度来说是正相关的，而且，随着升温控制，外部环境温度会越来越靠近内部温度，那么需要设定回调温度量的冗余度，起初外界环境对试验箱内部温度的影响较大，所以冗余量也就大，但随着外部环境温度会越来越靠近内部温度，外界环境对试验箱内部温度的影响慢慢减小，故而冗余量也就减小。通过采用这样的方法，可以在发生超调现象后，准确确定回调温度量，避免发生二次超调，或者避免发生多次超调，使试验箱可以更准确更迅速得维持在一个固定温度中心。
随着t1逐渐远离t2，若发生超调量为x的超调现象，则确定回调温度量为x-k，k为冗余量，且呈逐渐增大的趋势。与上面的温度变化相反，在高低温交变控制试验箱的温度变化过程中，必然也存在内部温度逐渐远离外部温度的情形，采用上述的例子，当从0度升温至150度这一区间即为内部温度逐渐远离外部温度的情形，在这一区间内，起初外界环境对试验箱内部温度的影响较小，所以冗余量也就小，但随着外部环境温度会越来越原理内部温度，外界环境对试验箱内部温度的影响慢慢增大，故而冗余量也就增大。通过采用这样的方法，可以在发生超调现象后，准确确定回调温度量，避免发生二次超调，或者避免发生多次超调，使试验箱可以更准确更迅速得维持在一个固定温度周围。
上面介绍了通过调整回调温度量的方法降低超调次数，同时我们也需要对回调过程中的功率进行调节，随着t1逐渐接近t2，若发生超调量为x的超调现象，确定回调功率为Px+P，Px为不考虑外部环境温度时，消除超调量x所需要的功率，P为冗余功率，且P呈逐渐减小的趋势。当内部温度逐渐接近外部温度时，外界环境对试验箱内部温度的影响较大，这时若采用不变的回调功率，则会回调过度、回调不及或回调慢的现象，造成温度控制不精确，可能仍需要多次回调才能维持稳定温度，所以我们设定了若发生超调量为x的超调现象，则确定回调功率为Px+P，Px为不考虑外部环境温度时，消除超调量x所需要的功率，P为冗余功率，由于起初外界环境对试验箱内部温度的影响较大，我们可以设定较大的回调功率，以求快速达到目标温度，后期外界环境越来越接近于内部温度，则将回调功率缩小，以求稳定在目标温度周围。
随着t1逐渐远离t2，若发生超调量为x的超调现象，则确定回调功率为Px-P，Px为不考虑外部环境温度时，消除超调量x所需要的功率，P为冗余功率，且P呈逐渐增大的趋势。与上面的温度变化相反，在高低温交变控制试验箱的温度变化过程中，必然也存在内部温度逐渐远离外部温度的情形，在这一区间内，起初外界环境对试验箱内部温度的影响较小，我们可以设定较小的回调功率，以求稳定在目标温度周围，后期外界环境越来越远离于内部温度，则将回调功率增大，以求快速达到目标温度。
实施例2：
作为实施上述高低温交变试验箱温度控制方法的温度控制系统，如图1所示，包括内部温度传感器、加热管、制冷压缩机和控制器；还具有可检测环境温度的外部温度传感器，所述内部温度传感器和外部温度传感器分别实时检测试验箱内部与外部温度，并将结果发送给控制器，控制器作出控制策略，驱动加热管或制冷压缩机对温度作加热或制冷调节。
该系统中，控制器还连接有显示单元和风机，显示单元安装在箱体外表面，用于实时显示试验箱内部温度。其有益效果是可以直观显示试验箱内部的温度变化过程。风机位于试验箱内部，用于促使试验箱内空气流通。其有益效果是可以使试验箱内部的冷空气或者热空气均匀铺设，不会出现局部区域过冷或过热的现象，提高试验箱的温度一致性。
该系统还包括与控制器相连的显示单元，显示单元安装在箱体外表面，用于实时显示试验箱内部温度。其有益效果是可以直观显示试验箱内部的温度变化过程。
该系统还包括与控制器相连的风机，用于促使试验箱内空气流通。其有益效果是可以使试验箱内部的冷空气或者热空气均匀铺设，不会出现局部区域过冷或过热的现象。
实施例3：作为上述实施例的一种变形，所述系统设有多个内部温度传感器，沿试验箱周边相隔固定距离均匀分布。本发明的这一设置是为了准确衡量试验箱内部的温度分布，多个传感器将各自所测得的结果均发送给控制器，若多个内部温度传感器的检测结果不同，控制器可以驱动风机向不同的方向工作，更好地实现试验箱内部温度的一致性。另一方面，若多个内部温控器的检测结果不同，控制器将计算其平均内部温度，并据此指定温度控制策略，更准确得实现温控过程。
实施例4：一种高低温交变试验箱，采用上述的基于环境温度的高低温试验箱温度控制方法。这种试验箱应用在非散热试验样品对温度渐变试验的反应参数评价，由于将试验箱外部的环境温度反馈至温度控制的过程中，有效减少超调次数，使得温度控制更迅速更准确。这种试验箱同时检测试验箱内部和外部的温度，并将其反馈至控制器，控制器采用PID调节方法，根据试验箱内部和外部温度，制定温度控制策略，驱动加热装置和制冷装置对试验箱的温度进行控制，外部环境温度可以在控制闭环中起到负反馈的作用，减少超调次数，使得温度控制更迅速更准确。
实施例4：一种高低温交变试验箱，应用于复合材料在瞬间下经极高温及极低温的连续环境下所能忍受的程度，藉以在最短时间内试验其热胀冷缩所引起的化学变化或物理伤害。可以设置温度系统低温区、高温区在极限区间，每单位温度变化梯度等于3摄氏度。基于环境温度的负反馈，可以在瞬间高温或低温时，温度控制的更精确，超调次数更小。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种高低温交变试验箱的温度控制方法，其特征在于包括：
(1)确定单位温度变化梯度t0；
(2)获取当前试验箱内部温度t1和外部温度t2；
(3)根据探测到的试验箱内部温度t1、外部温度t2以及单位温度变化梯度t1，采用PID控制方法计算加热或制冷所需要的功率；
(4)驱动加热装置或制冷装置，实现以单位温度变化梯度为目标的温度调节，并保证试验箱内部温度稳定维持在以t1+nt0为中心，上下震荡不超过Δt，维持时间超过E，n＝(1，2，…N)；
(5)按照上述步骤，执行以单位温度变化梯度t0为间隔的高低温交变控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：随着t1逐渐接近t2，若发生超调量为x的超调现象，则确定回调温度量为x+k，k为冗余量，且呈逐渐减小的趋势。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：随着t1逐渐远离t2，若发生超调量为x的超调现象，则确定回调温度量为x-k，k为冗余量，且呈逐渐增大的趋势。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：随着t1逐渐接近t2，若发生超调量为x的超调现象，则确定回调功率为Px+P，Px为不考虑外部环境温度时，消除超调量x所需要的功率，P为冗余功率，且P呈逐渐减小的趋势。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：随着t1逐渐远离t2，若发生超调量为x的超调现象，则确定回调功率为Px-P，Px为不考虑外部环境温度时，消除超调量x所需要的功率，P为冗余功率，且P呈逐渐增大的趋势。
6.一种基于权利要求1所述的高低温交变试验箱温度控制系统，包括内部温度传感器、加热管、制冷压缩机和控制器；其特征在于：还具有可检测环境温度的外部温度传感器，所述内部温度传感器和外部温度传感器分别实时检测试验箱内部与外部温度，并将结果发送给控制器，控制器作出控制策略，驱动加热管或制冷压缩机对温度作加热或制冷调节。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：还包括与控制器相连的显示单元，显示单元安装在箱体外表面，用于实时显示试验箱内部温度。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：还包括与控制器相连的风机，用于促使试验箱内空气流通。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：所述内部温度传感器设有多个，沿试验箱周边相隔固定距离均匀分布。
10.一种高低温交变试验箱，其特征在于：采用如权利要求1-5中任一项所述的高低温交变试验箱的温度控制方法。
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Effective date of registration: 20200330 Address after: 266000 No. 717 West Huaihe Road, Huangdao District, Shandong, Qingdao Patentee after: Qingdao Yihe Intelligent Technology Co.,Ltd. Address before: 266510 No. 717 West Huaihe Road, Huangdao District, Shandong, Qingdao Patentee before: Qingdao Yihe Electric Group Co.,Ltd. |
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