胡志偉,任仁良
(中國(guó)民航大學(xué) a.航空自動(dòng)化學(xué)院;b.執(zhí)照考試管理中心,天津 300300)
由于航空電瓶的充放電特性與溫度有關(guān),因此多數(shù)航空電瓶安裝溫度控制元件,以防止電瓶超溫充放電而損壞電瓶或低溫放電時(shí)造成電瓶輸出容量不足;超溫時(shí)停止給電瓶充電,低溫時(shí)為電瓶加熱,以提高充電效率和放電容量。溫度傳感器主要有兩種:一種是熱敏開(kāi)關(guān)(超溫和低溫),另一種是熱敏電阻。溫度傳感器需要定期校驗(yàn)。
以SAFT40176-7電瓶上的傳感器為例,它是由超溫開(kāi)關(guān)和低溫開(kāi)關(guān)組成。目前,國(guó)內(nèi)各航空公司檢測(cè)該溫度傳感器的方法是利用歐姆表檢測(cè)其通斷。根據(jù)CMM手冊(cè)規(guī)定,檢測(cè)過(guò)程中有4個(gè)溫度點(diǎn)需恒定5 min,分別是60℃(超溫開(kāi)關(guān)閉合值)、51.6℃(超溫開(kāi)關(guān)打開(kāi)值),-1.1℃(低溫開(kāi)關(guān)閉合值)、10℃(低溫開(kāi)關(guān)打開(kāi)值)[1]。而調(diào)節(jié)這4個(gè)恒溫點(diǎn)的方法是人工兌入冷、熱水并不斷目測(cè)溫度計(jì)來(lái)達(dá)到,其中-1.1℃這個(gè)溫度點(diǎn)需要加入干冰來(lái)調(diào)整。
從上述測(cè)試過(guò)程可以看出,傳統(tǒng)方法不但十分繁瑣,而且難以達(dá)到準(zhǔn)確度,人為因素不可避免。為此,需要研制一臺(tái)航空電瓶溫度傳感器校驗(yàn)儀,以滿(mǎn)足溫度傳感器精確校驗(yàn)需要。
實(shí)際使用表明,該溫度傳感器校驗(yàn)儀可以全自動(dòng)地校驗(yàn)出CMM手冊(cè)中要求的各溫度點(diǎn)傳感器的動(dòng)作情況,并且具有很高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。
該校驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)主要分兩個(gè)部分。一部分是半導(dǎo)體制冷制熱阱的設(shè)計(jì),它將半導(dǎo)體制冷制熱片安裝在阱的周?chē)V评鋾r(shí),冷端吸熱使阱內(nèi)部溫度降低,熱端通過(guò)散熱片和直流風(fēng)扇將吸收的熱量散出;制熱時(shí),冷端發(fā)熱以達(dá)到加熱的目的。另一部分是溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),它以STC89C58單片機(jī)為控制核心,輔以溫度采樣電路、溫度傳感器檢測(cè)電路和電流輸出電路對(duì)半導(dǎo)體制冷制熱器件進(jìn)行控制。溫度控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制形式,其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。具體工作過(guò)程為:將溫度設(shè)定值與溫度反饋值送入控制電路,然后經(jīng)過(guò)軟件控制算法得到輸出控制量,輸出控制量通過(guò)PWM方式驅(qū)動(dòng)DC-SSR對(duì)電流進(jìn)行控制,電流的大小和方向決定制冷量或制熱量,從而控制被控對(duì)象的溫度。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Diagram of system structure
半導(dǎo)體制冷又稱(chēng)熱電制冷,其利用“賽貝克效應(yīng)”的逆效應(yīng)“珀耳帖效應(yīng)”達(dá)到制冷目的。其基本原理如圖2所示,它是由金屬板和1對(duì)電偶臂(由1塊P型半導(dǎo)體和1塊N型半導(dǎo)體構(gòu)成)組成的熱電偶。通上直流電后,電場(chǎng)使N中的電子和P中的空穴反向流動(dòng),它們產(chǎn)生的能量來(lái)自晶格的熱能,使得冷端的熱量被移到熱端,導(dǎo)致冷端溫度降低、熱端溫度升高。同理,若顛倒直流電源正負(fù)極,則冷、熱端顛倒,從而實(shí)現(xiàn)制熱功能[2-3]。
圖2 半導(dǎo)體制冷制熱原理示意圖Fig.2 Diagram of semiconductor refrigeration and heating theory
若流入(流出)半導(dǎo)體制冷制熱器件的熱量為Q,其向周?chē)l(fā)(吸收)的熱量為Q0,則根據(jù)熱力學(xué)定律可得如下關(guān)系
式中:C是熱容量。
半導(dǎo)體制冷制熱器件溫度T的大小取決于電流流過(guò)時(shí)所產(chǎn)生的電功率,并且與電流i有非線(xiàn)性關(guān)系,若只考慮工作點(diǎn)附近的變化,可將其線(xiàn)性化處理。最終推出溫度T和電流i的傳遞函數(shù)形式為[4]
本系統(tǒng)中半導(dǎo)體制冷制熱器允許通過(guò)的最大電流Imax=25.0 A,最大電壓Vmax=5.0 V,最大制冷制熱量Qmax=125 W。受環(huán)境及熱損耗的影響,實(shí)際應(yīng)用中可調(diào)節(jié)的溫度范圍在-10~70℃之間。
本系統(tǒng)溫度采集單元所用的溫度傳感器為鉑電阻Pt100,它精度高、穩(wěn)定性好、應(yīng)用范圍廣,是中低溫(-200~600℃)最常用的一種溫度傳感器。如圖3所示,本系統(tǒng)中的鉑電阻(Rt)采用三線(xiàn)制接法接入電橋,可有效消除引線(xiàn)電阻和接觸電阻(r1、r2、r3)對(duì)溫度測(cè)量的影響。信號(hào)放大部分采用的是ANALOG DEVICES AD620。它由3個(gè)放大器構(gòu)成,比一般差分放大器精確度更高、抑制溫飄效果更好,放大器的放大倍數(shù)由R4確定。這樣的放大電路可抑制測(cè)量誤差,從而準(zhǔn)確測(cè)出鉑電阻上的電壓。放大后的電路經(jīng)過(guò)信號(hào)濾波后輸入到A/D采樣電路。
本系統(tǒng)采用PWM控制方式控制直流固態(tài)繼電器(DC-SSR)以控制電流的輸出。由于DC-SSR的輸入控制電流小,用TTL、COMS等集成電路可以直接驅(qū)動(dòng),而且與普通電磁繼電器相比無(wú)機(jī)械噪聲、無(wú)抖動(dòng)和回跳,因此特別適用于在本單片機(jī)控制系統(tǒng)中作為輸出通道的控制原件。本系統(tǒng)中單片機(jī)I/O輸出的PWM信號(hào)經(jīng)同相器SN7407N后直接驅(qū)動(dòng)DC-SSR,以控制輸出電流的大小,其原理如圖4所示。顯示單元采用的是FYD12864液晶顯示,選用這種顯示方式,一方面節(jié)省單片機(jī)I/O口,更主要是它集成了驅(qū)動(dòng)和自帶字庫(kù),不僅簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì),更達(dá)到了人機(jī)交互的效果。
本溫度控制系統(tǒng)校驗(yàn)航空電瓶溫度傳感器的流程完全遵循CMM手冊(cè)要求,整個(gè)升溫、降溫及恒溫控制完全由軟件實(shí)現(xiàn),其中恒溫5 min定時(shí),采用的是單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器。其具體過(guò)程如圖5所示。
圖5 傳感器校驗(yàn)流程圖Fig.5 Flowchart of sensor inspection
由圖5可以看出,本系統(tǒng)溫控分兩個(gè)部分:一個(gè)是持續(xù)的升溫、降溫部分,不需要對(duì)其進(jìn)行控制;另一個(gè)是恒溫5 min的部分,這時(shí)需要用控制算法對(duì)其進(jìn)行控制。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),本系統(tǒng)的溫度控制存在大慣性、大滯后環(huán)節(jié),受外界環(huán)境等諸多因素的影響,這些因素的變化雖然不大,但它們是不確定的。所以很難給出一個(gè)確定的數(shù)學(xué)模型,用常規(guī)的PID控制技術(shù)加以控制??紤]到控制對(duì)象的模糊不確定性,本系統(tǒng)采用了模糊-PID控制。
模糊-PID控制由可控式PID和模糊控制系統(tǒng)兩部分組成,其結(jié)構(gòu)如圖6所示[5-6]。
圖6 模糊-PID控制器結(jié)構(gòu)圖Fig6.Diagram of fuzzy-PID controller
采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的PID控制算法,其離散PID控制規(guī)律為
1)輸入輸出量的模糊語(yǔ)言描述
在升溫、降溫過(guò)程中,當(dāng)實(shí)測(cè)溫度值與設(shè)定恒溫值之差的絕對(duì)值,開(kāi)始進(jìn)行模糊-PID控制。設(shè)定輸入變化E和EC語(yǔ)言值的模糊子集為{負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,0,正小,正大 },并記為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},將誤差E和誤差變化率EC量化到(-3,3)區(qū)域內(nèi)。同樣,設(shè)計(jì)輸出量 KP、KI、KD的模糊子集為{ZO,PS,PM,PB},并將其量化到(0,3)內(nèi)。為了計(jì)算處理和實(shí)現(xiàn)的方便,輸入偏差E、輸入偏差變化率EC和輸出隸屬函數(shù)均采用線(xiàn)性函數(shù)。輸入輸出變量的隸屬函數(shù)曲線(xiàn)如圖 7~圖 9所示[7-8]。
圖7 輸入變化量EFig.7 Input variable E
圖8 輸入變化量ECFig.8 Input variable EC
圖9 輸出變量 Km(m=P,I,D)Fig.9 Output variable Km(m=P,I,D)
2)模糊控制規(guī)則表
根據(jù)PID參數(shù)整定規(guī)則和大量實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn),可列出 KP、KI、KD控制規(guī)則如表 1 所示[9]。
表1 模糊控制規(guī)則Tab.1 Fuzzy control rule
系統(tǒng)采用C語(yǔ)言在單片機(jī)上編程實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)模糊自整定算法[10-11],控制設(shè)計(jì)核心部分流程如圖10所示,最后確定的控制輸出量Ui即為PWM的脈寬。
通過(guò)上述方法已經(jīng)研制成功了1臺(tái)航空電瓶溫度傳感器校驗(yàn)儀。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明,該校驗(yàn)儀操作簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高,可以校驗(yàn)所有航空電瓶上熱敏開(kāi)關(guān)和熱敏電阻類(lèi)傳感器(如SAFT4579、SAFT40176-7電瓶上用的溫度傳感器)。
模糊-PID控制算法的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了校驗(yàn)過(guò)程中的恒溫控制,4個(gè)恒溫點(diǎn)的控制精度分別是±0.2℃、±0.4℃、±0.5℃、±0.5℃。因此,與傳統(tǒng)校驗(yàn)方法相比(傳統(tǒng)方法精度很難穩(wěn)定在1℃以?xún)?nèi)),整個(gè)校驗(yàn)過(guò)程精度可以有效地穩(wěn)定在0.5℃的范圍之內(nèi)。
圖10 控制程序流程圖Fig.10 Flowchart of control process
半導(dǎo)體制冷制熱技術(shù)的應(yīng)用保證了傳感器校驗(yàn)過(guò)程中所需的高、低溫環(huán)境,解決了人工測(cè)試繁瑣的問(wèn)題。
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