CN109976143B - 一种环境试验设备节能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环境试验设备节能控制方法；包括以下步骤：S1：确定环境试验设备温度的给定输入值和实际输出值；S2：根据S1所测的输入值和输出值计算环境试验设备温度的偏差量；S3：根据S2所得的偏差量计算环境试验设备温度的修正量；S4：根据S3所得的修正量并结合最大修正量确定环境试验设备的冷热系数；S5：判断冷热系数的值，若等于0，则不启动制冷系统和加热系统，若大于0，则启动加热系统对环境试验设备进行加热，若小于0，则启动制冷设备对环境试验设备进行制冷；本发明实现了环境试验设备温度控制过程中制冷系统和加热系统之间的协调控制。

Description

一种环境试验设备节能控制方法

技术领域

本发明涉及产品环境试验领域，更具体地，涉及一种环境试验设备节能控制方法。

背景技术

各种材料、机电零配件、整机产品在其生产、储存和使用的过程中，都会受到各种环境应力(如温度、湿度、气压、太阳辐射、风、雨、雪、霉菌、盐雾等)的影响；环境试验箱(以下简称为试验箱)包括：恒温恒湿试验箱、交变湿热试验箱、快速温变试验箱、冷热冲击试验箱、霉菌试验箱、盐雾试验箱等，试验箱是进行各种环境应力试验，检测、验证产品的环境适应能力，评定产品的质量和可靠性的必备试验设备。

对于具有温湿度试验功能的试验箱，试验箱内工作区域温度的控制，一般采用PID控制技术，分别独立地控制加热系统和制冷系统，使得试验箱内工作区域的温度满足环境试验要求。这种控制方法采用了成熟的PID控制技术，优点是控制过程简单、可靠，能够满足绝大多数的环境试验要求；但是，制冷系统和加热系统之间的控制不协调不完善，使得环境试验设备温度的控制仍存在一些缺陷，主要体现在一下两点：

第一，不利于节能。当试验箱内工作区域的温度接近目标值时，可能会出现制冷系统和加热系统同时处于工作状态，进入冷热对冲的动态热平衡，虽然控制系统可以保证试验箱内工作区域的温度满足环境试验要求，但是，冷热对冲必然消耗更多的能源。

第二，容易出现温度波动度偏大的现象；加热系统和制冷系统分别独立工作，缺乏彼此之间的协调，使得试验箱内工作区域的温度在目标值附近上下波动，有时甚至出现温度波动度偏大的现象。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的环境试验设备温度控制过程中制冷系统和加热系统之间的控制不协调不完善的缺陷，提供一种环境试验设备节能控制方法。

所述的方法包括以下步骤：

S1：确定环境试验设备温度的给定输入值并测得实际输出值；

S2：根据S1给定的输入值和测得的输出值计算环境试验设备温度的偏差量；所述修正量表示需要修正的温度量；

S3：根据S2所得的偏差量计算环境试验设备温度的修正量；

S4：根据S3所得的修正量并结合最大修正量确定环境试验设备的冷热系数；

S5：判断冷热系数的值，若等于0，则不启动制冷系统和加热系统，若大于0，则启动加热系统对环境试验设备进行加热，若小于0，则启动制冷设备对环境试验设备进行制冷。

本发明通过计算出控制量，即冷热系数，对环境试验设备的制冷系统、加热系统进行统一控制，根据控制量，判定是否开启制冷(或加热)系统，确定制冷(或加热)功率，既有利于试验箱内工作区域的温度达到目标控制值，减小温度波动度，又能有效地减少冷热对冲，降低能耗，节约能源。

优选地，步骤S2中环境试验设备温度的偏差量为：

e(t)＝r(t)-c(t)

其中，e(t)为偏差量，r(t)为给定输入值，c(t)实际输出值，t为时间。

优选地，步骤S3中环境试验设备温度的修正量的计算公式为：

其中，u(t)为修正量，e(t)为偏差量，t为时间，K_P为比例系数、T_I为积分时间常数、T_D微分时间常数。

优选地，步骤S4中环境试验设备的冷热系数为：

K_CH＝u(t)/|U_max|

其中，K_CH为冷热系数，u(t)为修正量，t为时间，U_max为最大修正量，即修正量u(t)的最大值。

优选地，K_CH还存在如下约束条件：

当u(t)/|U_max|≥1时，取K_CH＝1；

当u(t)/|U_max|≤-1时，取K_CH＝-1；

当-0.05≤u(t)/|U_max|≤0时，取K_CH＝0。

优选地，步骤S5中当冷热系数大于0时，启动加热系统对环境试验设备进行加热，加热功率为：

P_H(t)＝K_CH×P_Hmax

其中，P_H(t)为加热功率，K_CH为冷热系数，P_Hmax为加热系统的最大加热功率。

优选地，步骤S5中当冷热系数小于0时，启动制冷系统对环境试验设备进行制冷，制冷功率为：

P_C(t)＝|K_CH|×P_Cmax

其中，P_C(t)为制冷功率，K_CH为冷热系数，P_Cmax为制冷系统的最大制冷功率。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明实现了环境试验设备温度控制过程中制冷系统和加热系统之间的协调控制，取得的有益效果主要有以下几点：

第一，利于节能。由于对环境试验设备的制冷系统、加热系统进行统一控制，制冷系统和加热系统不会同时处于工作状态，不出现冷热对冲情况，降低能耗，节约能源。

第二，不会出现温度波动度偏大的现象。由于对环境试验设备的制冷系统、加热系统进行统一控制，制冷系统和加热系统彼此之间协调工作，使得试验箱内工作区域的温度在目标值附近轻微波动，温度波动度较小，最终趋于目标值稳态。

附图说明

图1为一种环境试验设备节能控制方法的流程图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

本实施例提供一种环境试验设备节能控制方法。

如图1所示，所述方法包括以下步骤：

S1：确定环境试验设备温度的给定输入值并测得实际输出值；

S2：根据S1给定的输入值和测得的输出值计算环境试验设备温度的偏差量；

S3：根据S2所得的偏差量计算环境试验设备温度的修正量；所述修正量表示需要修正的温度量。

S4：根据S3所得的修正量并结合最大修正量确定环境试验设备的冷热系数；

S5：判断冷热系数的值，若等于0，则不启动制冷系统和加热系统，若大于0，则启动加热系统对环境试验设备进行加热，若小于0，则启动制冷设备对环境试验设备进行制冷。

具体来说，所述方法如下：

对环境试验设备的制冷系统、加热系统进行统一控制；设制冷系统最大制冷功率为P_Cmax，加热系统最大加热功率为P_Hmax，确定一个冷热系数K_CH，K_CH的取值范围在–1～1之间，当K_CH＝0时，表示不加热也不制冷，当K_CH＝-1时，表示以最大功率制冷，当K_CH＝1时，表示以最大功率加热，这样，任意时刻t的制冷功率P_C(t)和加热功率P_H(t)可用分别用下式表示：

其中，0>K_CH≥-1时，此时K_CH小于0，要先取绝对值。

这样，只要确定冷热系数K_CH，就可以对环境试验设备的制冷系统、加热系统进行统一控制，使得试验箱内工作区域的温度在目标值附近轻微波动，最终趋于目标值稳态。

下面说明如何确定冷热系数K_CH。

常用的PID控制算法，包括比例调节(P)，积分调节(I)，微分调节(D)，以r(t)表示给定输入值(即目标值)，c(t)表示实际输出值，e(t)表示偏差量，偏差量为：

e(t)＝r(t)-c(t)

那么修正量u(t)为：

式中，K_P是比例系数，T_I是积分时间常数，T_D是微分时间常数。

比例调节是一种最简单的控制方式，按比例反映系统的偏差，一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用，减少偏差。积分调节随着时间的增加而变大，主要用于减少或消除稳态偏差。微分调节具有超前和预测的特性，在超调尚未出现之前，就能提前给出调节作用，这种“超前”的作用可以抵消滞后因素的影响。但是，如果微分调节太强，在偏差快速变化时，响应曲线上可能会出现“毛刺”。在很多环境试验中，都有快速温变的要求，控制过程容易出现偏差快速变化情况，所以，不能完全依靠常规的PID控制方法中的微分调节项去抵消制冷系统的滞后作用。

最大修正量用U_max表示，即修正量u(t)的最大值，则冷热系数为：

K_CH＝u(t)/|U_max|

在实际计算中，修正量u(t)要写成离散表达式，这里只是说明原理，采用式

的连续微积分表达式；通过优选取值，确定经验值K_P，T_I，T_D，使得K_CH的取值范围大约在–1～1之间，以下是计算冷热系数K_CH的补充规则：

(1)当u(t)/|U_max|≥1时，取K_CH＝1；

(2)当u(t)/|U_max|≤-1时，取K_CH＝-1；

(3)当-0.05≤u(t)/|U_max|≤0时，取K_CH＝0。

补充规则(1)实际上相当于加热调节作用的归一化，系统用最大的加热功率，也只能使得修正量达到最大修正量U_max，补充规则(2)相当于制冷调节作用的归一化，补充规则(3)是考虑到在环境试验温度控制中，不能完全依靠常规的PID控制方法中的微分调节项去抵消制冷系统的滞后作用，也就是说，在降温逐渐逼近目标值的过程中，当制冷功率降低到最大值的5％以下，就提前完全停止制冷。

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种环境试验设备节能控制方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

S1：确定环境试验设备温度的给定输入值并测得实际输出值；

S2：根据S1给定的输入值和测得的输出值计算环境试验设备温度的偏差量；

步骤S2中环境试验设备温度的偏差量为：

e(t)＝r(t)-c(t)

其中，e(t)为偏差量，r(t)为给定输入值，c(t)实际输出值，t为时间；

S3：根据S2所得的偏差量计算环境试验设备温度的修正量，所述修正量表示需要修正的温度量；

步骤S3中环境试验设备温度的修正量的计算公式为：

其中，u(t)为修正量，e(t)为偏差量，t为时间，K_P为比例系数、T_I为积分时间常数、T_D微分时间常数；

S4：根据S3所得的修正量并结合最大修正量确定环境试验设备的冷热系数；

步骤S4中环境试验设备的冷热系数为：

K_CH＝u(t)/|U_max|

其中，K_CH为冷热系数，u(t)为修正量，t为时间；U_max为最大修正量，即修正量u(t)的最大值；

K_CH还存在如下约束条件：

当u(t)/|U_max|≥1时，取K_CH＝1；

当u(t)/|U_max|≤-1时，取K_CH＝-1；

当-0.05≤u(t)/|U_max|≤0时，取K_CH＝0；

S5：判断冷热系数的值，若等于0，则不启动制冷系统和加热系统，若大于0，则启动加热系统对环境试验设备进行加热，若小于0，则启动制冷设备对环境试验设备进行制冷。

2.根据权利要求1所述的环境试验设备节能控制方法，其特征在于，步骤S5中当冷热系数大于0时，启动加热系统对环境试验设备进行加热，加热功率为：

P_H(t)＝K_CH×P_Hmax

其中，P_H(t)为加热功率，K_CH为冷热系数，P_Hmax为加热系统的最大加热功率。

3.根据权利要求1所述的环境试验设备节能控制方法，其特征在于，步骤S5中当冷热系数小于0时，启动制冷系统对环境试验设备进行制冷，制冷功率为：

P_C(t)＝|K_CH|×P_Cmax

其中，P_C(t)为制冷功率，K_CH为冷热系数，P_Cmax为制冷系统的最大制冷功率。

Images