恒温箱温度调节及参数整定方法
在科学实验、医学化验、化学分析、食品工业成分等实验室领域内广泛使用着一种恒定温度的专用环境试验仪器设备———恒温箱,在恒温箱内的空间中放置试验样品,在一定的恒温环境中,通过规定的时间,经过测试化验即可得到所需样品指标参数及各种数据,进而可以分析出样品的物理、化学性能及多种成分组合。随着科学技术进步及相关标准的变更,对检测参数准确度要求越来越高,而对样品所处的环境条件,也要求越来越严,目前在实验室使用中的恒温箱或其他试验设备温度升温和保温、恒定需要时间长,调节控制方法落后,消耗能量大,已经不能满足计量检测工作需要,试验中所得数据参数重复性不好,因此如何使恒温箱的温度参数满足试验样品要求,且波动值最小,改进调节电路,构成闭环系统,选择最优参数设定,采用自动化仪表核心芯片组成的自动调节系统是一最佳方案。
1 PID调节规律的实现
为了克服位式调节存在的温度波动及接触器通、断带来的噪声等问题,提高调节质量,我们采用以比例P、积分I、微分D调节器组成的自动调节系统,其核心器件为具有自整定功能的集成芯片。它可控制输出与偏差信号△δ或PID关系的电流,使可控硅的导通程度改变,恒温箱的输入功率得到改变,温度参数向着减小偏差的方向变化,直至消除。
1.1 比例(P )调节规律
比例调节可用图1说明。
比例调节特性是输出信号(OUT)△I与输入信号( IN)△δ成比例关系,可用式(1)来说明:
△ I=-KP△ δ （1）式中,负号表示△I与△δ的方向变化相反。例如:温度参数受到扰动而降低时(△δ增加为负),调节器输出增大(△I)为正,偏差被逐渐克服,参数最终回到设定值上。
用比例调节器组成的自动调节系统,可以比较快的克服干扰所引起的各种参数波动,并且克服波动的能力还随着偏差的增大而加强。因此,只要针对恒温箱情况调整比例带,就可以获得比较满意的特性。
1.2 比例积分(PI)调节规律
积分调节器的特性是△I与△δ的积分成正比,可用式(2)表示:
△ I=-A∫△ δdt (2)式中,负号表示△I与△δ方向变化相反。当偏差为负时,电流为正, A表示积分速度, A值越大,△δ随时间积累的速度越快,△I的变化速度也越快。采用理想的积分器,可以消除被控温度与设定温度之间的差异(也称静差)。当△δ存在时,△I就存在,变化的结果总是要减小偏差,只有当△δ为零时,△I也为零,系统就知道稳定。而此时输出电流可稳定在输出范围的任一数值上,其大小主要由恒温箱加热功率所决定。实际上,积分调节都与比例调节结合构成PI调节器,可用式(3)表示:
△ I =-KP△ δ- (KP /Ti) ∫△ δdt (3)式中,Ti为积分时间常数。 式(3)表明: PI调节器的输出△I是比例输出与积分输出之和,设A= KP /Ti时,Ti与A成反比,KP是放大倍数,KP值的大小不但影响比例输出,而且影响积分输出。当KP增加后,不仅放大信号能力增大了,同时随时间积累IN的速度也增大了。
1.3 比例积分微分(PID)调节规律
从式(3)可以看出: PI调节规律有一定优点,但这种调节规律不能快速克服干扰对温度参数的影响。例如:对热惯性较大的恒温箱,当调节器感受△δ时,干扰已经存在一定时间,如果只有PI调节,则必然使偏差发展较大时,才能产生一定调节作用。为此,选择PID调节规律是目前对恒温箱参数进行调控的最佳方案。
理想PID调节器特性可用式(4)表示:
△ I=- KP△ δ- (KP/Ti)∫△ δdt- KP(d△ δ/dt) (4) 式(4)中三部分分别是比例作用、积分作用、微分作用所引起的电流输出。由式(4)可以看出微分作用的输出与偏差变化速度及其微分时间成正比。△δ越大,Td越长,其作用就越强,所以具有微分作用的调节器应用到恒温箱的自动调节系统中,由于干扰突然产生而恒温箱温度突然偏离设定值,就可以立即产生一个较大的微分输出,使执行机构快速朝着减小偏差的方向变化。
总之,将PID三种调节作用结合起来组成的调节器具有良好的温度调节控制特性。
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