CN2656984Y - 鲁棒跟踪控制法人工气候箱的气体发生装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种鲁棒跟踪控制法人工气候箱的气体发生装置，涉及一种用于检测大气环境气体或用于检测林产工业品、建筑材料、化工产品中所含挥发性有害气体的气体发生装置。该气体发生装置，不仅包括人工气候箱、恒温水箱、无油磁力泵电机、恒温露点水箱、冷凝机组、气候箱热交换器、蒸汽热交换器、汽泵电机以及操作控制显示装置、湿度传感器、温度传感器、带变送输出功能的温度显示仪表和湿度显示仪表以及喷汽装置等部件，而且还设置有运行鲁棒控制方案的可编程控制器PLC和温湿度信号转换模块以及操作计算机。该装置能在较快的时间内，产生符合检测有害气体要求的高精度温湿度气体，可广泛应用于检测含挥发性有害气体的物品。

Description

鲁棒跟踪控制法人工气候箱的气体发生装置

技术领域

本实用新型涉及一种温湿度气体发生装置，具体涉及一种用于检测大气环境气体或用于检测林产工业品、建筑材料、化工产品中所含挥发性有害气体的气体发生装置。

背景技术

林产工业品(如家具、胶合板、中密度板、纤维板等)、建筑材料、化工产品等是人们日常生活不可缺少的，但它们中的绝大部分产品生产中需要用到甲醛。因为甲醛是合成脲醛树脂胶粘剂的主要原料之一，是一种易挥发的物质。当空气中甲醛含量超过一定浓度时，会对人体产生严重伤害。例如：呼吸道粘膜和眼膜溃烂，内脏器官、神经系统的病变等。当每100g人造板甲醛释放量大于60～100mg时，室内空气中的甲醛就会对人的眼、鼻、呼吸系统造成明显伤害，或使人患皮肤病。动物实验结果显示，甲醛释放量超标会导致鼻癌及呼吸系统癌变。尽管如此，目前还没有发现有比甲醛更廉价、胶合性更优的合成单体替代它。针对这种情况，我国强制性国家标准《室内装饰、装修材料人造板及其制品中甲醛释放限量》于2002年1月1日起实施，过渡期半年，2002年7月1日起将禁止不符合该标准的一切产品在我国境内销售。为此，林产工业品，建筑装饰材料中有害气体的检测就显得非常重要了。

为了使上述材料的生产符合国家标准，产品中有害气体的检测是实现生产的安全、平稳、高效、优质的低耗的基本条件和重要保证，而为了环保的要求和对生产过程中产品的有害元素实施有效的控制，一个重要的前提就是要获得被控变量的准确信息。对于具体的检测过程来说，首先要获得一个稳定、精确的温度、湿度的气候环境。即人工气候箱，这个气候箱是时变的，在单位时间里由外部向箱内送入一定量且具有一定温、湿度的气体。同时，箱内向外部排出定量的气体，在这个前提条件下，箱内的温、湿度要在设定值所允许的误差范围内。

与本实用新型相关的现有技术，主要是目前根据国内外技术所采用的露点法制作的人工气体发生装置。它是在大气压力、相对温度、相对湿度、保和露点压力等7个条件不变的情况下，通过实验制作出一套表格。检测时，通过表格查到检测所用的温、湿度的值，进行人工调节有关控温水泵电机或控湿水泵电机的运行，达到调节温度和湿度的目的。

这种测量控制装置，无论从检测结果或调节方法上都存在着许多不足，如误差大、抗干扰能力弱并且测量结果滞后过大，不能达到适时跟踪的目的，调节也不方便。因此，实现高精度控制存在非常大的困难，其测量值的可信度也相当差。因而许多检测有害气体的气候箱的温、湿度都只有依赖于软测量的推断控制。

作为有害气体气候检测箱的温、湿度控制精度，直接影响含挥发有害气体产品的检测精度，因而也就对相关的工业生产及人们的日常生活的环境保护有着非常重要的意义。

目前国内外普遍采用的露点气候箱的气体发生装置，检测有害气体存在着下述问题：通常气候箱的温、湿度控制与多个可测变量或不可测变量之间的关系十分复杂，凭借简单的变量关系，很难取得较高的控制精度；由于露点检测气候箱是基于实验的数据表格确定其温、湿度设定值的，一旦设定了箱内温度及露点温度，则箱内的温、湿度只有靠很小的进气量去调节。达到检测条件所用的时间大约为4小时，导致能源消耗过大和检测效率低下。

由上述分析可以看到，开发简单实用、稳定可靠且高精度的人工气候箱的气体发生装置，是相当有意义的，并具有广泛的应用前景。

实用新型内容

本实用新型针对以上现有技术存在的问题，提供一种鲁棒跟踪控制法人工气候箱的气体发生装置，该气体发生装置利用鲁棒跟踪控制系统及其配套的控制装置，对人工气候箱内气体的温湿度进行适时控制，能有效的保证气体温湿度的精度，并能有效的缩短达到稳态检测条件的时间。

本实用新型提供以下技术方案，一种鲁棒跟踪控制法人工气候箱的气体发生装置，包括人工气候箱、恒温水箱、恒温无油磁力泵电机、恒温露点水箱、恒温露点无油磁力泵电机、气候箱热交换器、蒸汽热交换器、汽泵电机以及操作控制显示装置等部件，气候箱热交换器设置在人工气候箱内，恒温水箱内设置有恒温水箱加热电阻，恒温露点水箱连接冷凝机组，恒温无油磁力泵电机通过管道连接气候箱热交换器和恒温水箱，恒温露点无油磁力泵电机通过管道连接蒸汽热交换器和恒温露点水箱，汽泵电机连接蒸汽热交换器的进汽口，蒸汽热交换器的出汽口通过针形阀连接喷汽装置，喷汽装置设置在人工气候箱内，气候箱内还设置有湿度传感器和温度传感器，操作控制显示装置上设置有带有变送输出功能的温度显示仪表和湿度显示仪表，温度显示仪表和湿度显示仪表分别连接温度传感器和湿度传感器，该气体发生装置还设置有鲁棒跟踪控制系统，该鲁棒跟踪控制系统包括相互连接的鲁棒控制电气柜和操作计算机，鲁棒控制电气柜还连接操作控制显示装置以及汽泵电机、恒温无油磁力泵电机和恒温露点无油磁力泵电机，鲁棒控制电气柜还连接有恒温水箱加热电阻，鲁棒控制电气柜内设置有可编程控制器PLC和温湿度信号转换模块。

所述湿度传感器是高分子湿敏电容器。

所述温度传感器是Pt100温度传感器。

由于本实用新型设置了鲁棒跟踪控制系统，鲁棒跟踪控制系统可以对人工气候箱内的温湿度进行适时监测和调节，温度传感器和湿度传感器用于检测箱内的在线温度和湿度，并通过温湿度信号转换模块的转换，最后传送给可编程控制器PLC，PLC经过对信号处理后便得到了系统温度、湿度的采样值，与设定的标准值比较后，执行鲁棒跟踪程序，同时适时控制恒温水箱加热电阻、冷凝机组以及调节汽泵电机、恒温无油磁力泵电机和恒温露点无油磁力泵电机的运行，直至箱内温、湿度达到设定要求，整个操作控制监测系统以计算机作为人机操作界面，操作、监测、使用、直至打印出监测结果非常方便，从屏幕上直接观察气候箱内的温湿度精度曲线，便于掌握气体的稳定状态，其适时调节和跟踪控制的特点，提高了气候箱的温湿度气体的精度，缩短了气候箱达到检测所用稳定的温湿度气体条件的时间，其检测到的效果图如图3所示，气体的温湿度稳定过程，由以前的4小时缩短到1.5-2小时即可以达到检测要求。

以下结合附图对本实用新型进行详细说明。

附图说明

图1为本实用新型各部件的相互连接位置关系示意图。

图2为本实用新型的电气原理框图。

图3为本实用新型气候箱内气体的温湿度达到检测要求时的稳定曲线图。

具体实施方式

如图1所示，一种鲁棒跟踪控制法人工气候箱的气体发生装置，包括人工气候箱1、恒温水箱3、恒温无油磁力泵电机5、恒温露点水箱4、恒温露点无油磁力泵电机6、气候箱热交换器2、蒸汽热交换器7、汽泵电机8以及操作控制显示装置9等部件，气候箱热交换器2设置在人工气候箱1内，恒温水箱3内设置有恒温水箱加热电阻，恒温露点水箱4连接冷凝机组10，恒温无油磁力泵电机5通过管道连接气候箱热交换器2和恒温水箱3，恒温露点无油磁力泵电机6通过管道连接蒸汽热交换器7和恒温露点水箱4，汽泵电机8连接蒸汽热交换器7的进汽口，蒸汽热交换器7的出汽口通过针形阀11连接喷汽装置12，喷汽装置12设置在人工气候箱1内，人工气候箱1内还设置有湿度传感器和温度传感器，操作控制显示装置9上设置有带有变送输出功能的温度显示仪表和湿度显示仪表，温度显示仪表和湿度显示仪表分别连接温度传感器和湿度传感器，该气体发生装置还设置有鲁棒跟踪控制系统，该鲁棒跟踪控制系统包括相互连接的鲁棒控制电气柜13和操作计算机14，鲁棒控制电气柜13还连接操作控制显示装置9以及汽泵电机8、恒温无油磁力泵电机5和恒温露点无油磁力泵电机6，鲁棒控制电气柜13还连接有恒温水箱加热电阻，鲁棒控制电气柜13内设置有可编程控制器PLC和温湿度信号转换模块，温度显示仪表和湿度显示仪表连接温湿度信号转换模块。

所述湿度传感器是高分子湿敏电容器。

所述温度传感器是Pt100温度传感器。

在本实用新型的方案中，恒温水箱3给人工气候箱1提供一定温度的循环热水，保证气候箱气体的温度，冷凝机组保证恒温露点水箱的水温，以保证汽体热交换器7给气候箱1提供一定湿度的汽体，保证气候箱体气体的湿度。

本实用新型鲁棒控制方法是这样一种方案，是一种检测有害气体的人工气候箱的温、湿度跟踪控制方法，在考虑外界环境、条件、大气压力及干扰等因素时，从人工气候箱温、湿度控制系统抽象出的一类含不确定因素的多变量非线性不确定系统的模型：

$\stackrel{.}{x}=f\left(x\right)+q(x,\mathrm{\θ}\left(t\right))+[g\left(x\right)+g\left(x\right)Q(x,\mathrm{\θ}\left(t\right))]\mathrm{uLL}\left(1.1a\right)$

            y＝h(x)                      LL(1.1b)

其中：状态变量x∈Rⁿ，输入u∈R，输出y∈R，未知参变量θ(t)为时变的分段连续的，且取值于一紧集Ω上，f(x)和g(x)为标称或未被扰动的解析向量，且g(x)≠0，对x∈Rⁿ，h(x)是Rⁿ上的实函数，Q(x，θ)是定号的非零函数，即有：Q(x，θ(t))＞0或Q(x，θ(t))＜0，对θ∈Ω，x∈Rⁿ，假设q(x，θ(t))为向量函数，且与函数Q(x，θ(t))包含了系统的所有不确定性。我们的控制目的就是寻找一个光滑的半全局(局部)状态反馈控制器，使得对于给定的理想输出y_d有 $\underset{+\→\∞}{\mathrm{Lim}}(y-y_d)=0,$ 同时保证闭环系统是有界的，且对于θ∈Ω都成立。

本实用新型得到了如下结果：

1)当未知参变量为时变的，取值于一未知紧集Ω上，且以线性形式出现，参数严格反馈条件成立，标称可输入-输出线性化，对于给定的理想输出，给出了局部鲁棒渐进跟踪的自校正控制器的设计。

2)当未知参变量为时变的，以非线性形式出现且取值于一已知紧集Ω，其它条件如I，给出了局部鲁棒渐进跟踪的静态控制器的设计。按上述理论作为指导，本实用新型在实际的技术方案中，采用高分子湿敏电容器为湿度传感器，Pt100为温度传感器；温、湿度传感器放在气候箱内用于检测箱内在线温、湿度。箱内的温、湿度传感器检测到的标准信号通过屏蔽电缆传送到两块DM640带变送输出的仪表上；仪表将箱内的温、湿度信号的变送输出给SIEMANS EM231输入模块后由EM231将信号传递给PLC224，PLC经过对信号处理后便得到了系统温度、湿度的采样值。当用户从计算机中确定了箱内的测试的温、湿度的值并通过组态程序传递给PLC后，PLC会根据气候箱内的在线温、湿度的实际值与设定值进行比较后执行式(1.1a、1.1b)的鲁棒跟踪程序，并实时控制控温水箱、控湿水箱的温度，直至箱内温、湿度达到设定要求。PLC224还负责控制露点加湿气泵、冷冻机组、两台美国产的无油磁力泵的正常运行。PLC作为下微机接收计算机的控制信号，执行所需的判断、跟踪及程序运行，其连接关系如图1所示。

其温湿度显示变送仪表有：

(1)MD640温度显示及变送输出仪表：要求精度为3％，量程及零点在0～100℃，具体漂移要在使用时校正。

(2)MC640湿度显示及变送输出仪表：要求精度为3％，量程及零点在-5～55℃，具体漂移要在使用时校正。

(3)湿度变送输出：根据环境湿度的变化范围，选用适当量程的湿度变送器，误差在1％内，一般的高分子湿敏传感器即可达到要求。

(4)温度变送输出：根据环境湿度的变化范围，选用适当量程的温度变送器，误差在1％内，一般的热电阻、热电偶传感器即可达到要求。

本实用新型在测得上述气候箱内的温、湿度的基础上，在保证闭环系统是有界，且对于θ∈Ω都成立的情况下，利用下式进行判断、比较：

$\underset{+\→\∞}{\mathrm{Lim}}(Y-Y_d)=D$

其中Y_d为理想输出(设定值)；Y为实时测量值。然后实施如下算法：

$\stackrel{.}{x}=f\left(x\right)+q(x,\mathrm{\θ}\left(t\right))+[g\left(x\right)+g\left(x\right)Q(x,\mathrm{\θ}\left(t\right))]\mathrm{uLL}\left(1.1a\right)$

         y＝h(x)                              LL(1.1b)

其中：状态变量x∈Rⁿ，输入u∈R，输出y∈R，未知参变量θ(t)为时变的分段连续的，且取值于一紧集Ω上，f(x)和g(x)为标称或未被扰动的解析向量，且g(x)≠0，对x∈Rⁿ，h(x)是Rⁿ上的实函数，Q(x，θ)是定号非零函数，即有：Q(x，θ(t))＞0或Q(x，θ(t))＜0，对θ∈Ω，x∈Rⁿ，假设q(x，θ(t))为向量函数，且和函数Q(x，θ(t))包含了系统的所有不确定性。经过若干次运算后，当出现 $\underset{+\→\∞}{\mathrm{Lim}}(y-y_d)=0$ 时，程序将一直执行式(1.1)并保持这种状态。经过1.5-2小时后，气候箱达到检测要求，其结果曲线图如图3所示。

整个气体发生装置的操作控制系统，均通过计算机操作和监测，使用非常方便。

与现有温、湿度控制系统相比，本实用新型具有以下明显优势：

1)制精度高：气候箱内的温度控制精度可达到1％；湿度控制精度可达到3％。而现有的控制温度只能达到3％；湿度只能达到7％。

2)响应时间快：从开机到达到检测条件要求的时间需要1.5～2小时。而现有的达到检测条件的时间需要4～6小时。

3)性能稳定可靠：采用常规仪表及SIEMANS公司的CPU及模拟量输入模块，气候箱可常年工作。

4)适用范围广：本发明的温度可调范围为-5℃～55℃；湿度可调范围为20％～85％。

5)采用计算机控制：具有非常好的人机交互界面，操作相当简单。

6)有关检测数据通过表格，曲线表示出来。

7)能源消耗低：本发明制作的气候箱在正常工作的耗电量约为600W左右。

8)价格低：一套鲁棒跟踪控制系统的成本价大约为1.2万人民币。

Claims (3)

1.一种鲁棒跟踪控制法人工气候箱的气体发生装置，包括人工气候箱、恒温水箱、恒温无油磁力泵电机、恒温露点水箱、恒温露点无油磁力泵电机、气候箱热交换器、蒸汽热交换器、汽泵电机以及操作控制显示装置等部件，气候箱热交换器设置在人工气候箱内，恒温水箱内设置有恒温水箱加热电阻，恒温露点水箱连接冷凝机组，恒温无油磁力泵电机通过管道连接气候箱热交换器和恒温水箱，恒温露点无油磁力泵电机通过管道连接蒸汽热交换器和恒温露点水箱，汽泵电机连接蒸汽热交换器的进汽口，蒸汽热交换器的出汽口通过针形阀连接喷汽装置，喷汽装置设置在人工气候箱内，气候箱内还设置有湿度传感器和温度传感器，操作控制显示装置上设置有带有变送输出功能的温度显示仪表和湿度显示仪表，温度显示仪表和湿度显示仪表分别连接温度传感器和湿度传感器，其特征在于：该气体发生装置还设置有鲁棒跟踪控制系统，该鲁棒跟踪控制系统包括相互连接的鲁棒控制电气柜和操作计算机，鲁棒控制电气柜还连接操作控制显示装置以及汽泵电机、恒温无油磁力泵电机和恒温露点无油磁力泵电机，鲁棒控制电气柜还连接有恒温水箱加热电阻，鲁棒控制电气柜内设置有可编程控制器PLC和温湿度信号的转换模块，温度显示仪表和湿度显示仪表连接温湿度信号转换模块。

2.根据权利要求1所述的人工气候箱的气体发生装置，其特征在于：所述湿度传感器是高分子湿敏电容器。

3.根据权利要求1所述的人工气候箱的气体发生装置，其特征在于：所述温度传感器是Pt100温度传感器。

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