謝超超, 孫雨凡, 羅建文, 張永輝, 鄭茂盛

(西北大學(xué) 化工學(xué)院, 陜西 西安 710069)

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·化學(xué)與化學(xué)工程·

太陽能干燥裝置的PID和雙金屬片控制對比分析

謝超超, 孫雨凡, 羅建文, 張永輝, 鄭茂盛

(西北大學(xué) 化工學(xué)院, 陜西 西安 710069)

從控制精度、穩(wěn)定性、抗干擾性和經(jīng)濟(jì)性等方面對比了用PID和雙金屬片溫度控制的太陽能干燥裝置的控制差異,分別進(jìn)行了實(shí)際測試,并進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明,PID智能控制的平均控溫誤差是1.8℃,溫度波動為1.3%;雙金屬片溫度控制(動作溫度)的平均控溫誤差為8.0℃,溫度波動為39.5%。PID控制的精度高,穩(wěn)定性好,抗干擾能力強(qiáng),但成本高,適用于精確控制;雙金屬片控制簡單價(jià)廉,適用于控溫精度要求低的場合。

太陽能干燥;溫度控制;PID;雙金屬片;性能測試

太陽能干燥裝置節(jié)能環(huán)保,減少常規(guī)能源消耗,且方便快捷,減少了風(fēng)沙、灰塵、蠅蟲帶來的污染[1],保證農(nóng)產(chǎn)品的衛(wèi)生和優(yōu)良品質(zhì),同時(shí)能縮短制作周期,創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。太陽能干燥裝置由太陽能供氣系統(tǒng)、熱氣供給系統(tǒng)組成,包括集熱器、干燥箱、動力設(shè)備(鼓風(fēng)機(jī))、熱氣供給裝置、連接管等。鼓風(fēng)機(jī)將空氣送入集熱器,集熱板將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能并加熱其內(nèi)部空氣。太陽能輻射能量不足時(shí),熱氣供給裝置啟動,電加熱器將空氣加熱到足夠溫度,并使其維持在可接受范圍內(nèi),保證干燥箱內(nèi)的溫度穩(wěn)定。

為解決在連續(xù)陰雨天氣下太陽能的不穩(wěn)定性問題,以及避免蓄熱裝置儲熱量不足的情況,太陽能系統(tǒng)通常需要設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)和加入輔助熱源。常見的溫度控制有智能溫控(PID控制)和非智能溫控。非智能控制根據(jù)工作原理不同,分為壓力式、變阻式、感溫囊式[2]、和雙金屬片式溫控器。

王勝利等人設(shè)計(jì)太陽能、熱能互補(bǔ)型干燥器,并研制了以AT89C51單片機(jī)為核心的智能控制系統(tǒng)[3], 徐明娜提出在太陽能干燥控制中使用以PLC為核心的PID閉環(huán)控制方法,通過與PLC通信來調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和干燥箱溫度[4]。張帆等人基于模糊控制理論設(shè)計(jì)了以LPC2210和DS18B20為核心的太陽能干燥溫控系統(tǒng)，提高了控制精度與可靠性[5]。羅會龍等人設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一種空氣熱源泵輔助的太陽能干燥系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)降低了干燥能耗，有較大的節(jié)能潛力[6]。董繼先等人設(shè)計(jì)了槽式太陽能與常規(guī)能源相結(jié)合為熱源的大棗組合干燥裝置，節(jié)能環(huán)保，降低成本[7]。李汴生等人研制了具有集熱、貯能、輔助加熱功能的小型全天候太陽能干燥機(jī)，提高了干燥效率[8]。雙金屬溫度計(jì)可以直接測量、現(xiàn)場顯示低溫液化氣體、液體蒸汽或氣體溫度，品種齊全，直觀方便，安全可靠，使用壽命長，適用于現(xiàn)場的安裝需要[9]，并且動作干脆、不拉弧，壽命長，性能穩(wěn)定[10]，控溫較準(zhǔn)確、電氣性能優(yōu)良, 廣泛應(yīng)用于小家電 、電機(jī) 、整流設(shè)備和日用電器之中，主要用于調(diào)溫 、控溫及過熱保護(hù)等[11]。

本文對比分析了PID和雙金屬片溫度控制的太陽能干燥箱裝置的控制行為,以期為其實(shí)際應(yīng)用提供必要的技術(shù)支持。

1 控制原理

1.1 PID控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)PID控制算法廣泛用于工業(yè)過程控制的各個(gè)領(lǐng)域,具有簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)[12],在工業(yè)控制領(lǐng)域中占90%以上[13],它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值的偏差,將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量來指揮執(zhí)行器的通斷,控制被控對象[14]。本文為太陽能干燥裝置設(shè)計(jì)的PID溫控系統(tǒng),其實(shí)物圖與內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,其組成構(gòu)成部分有:智能數(shù)顯溫控器、雙向高壓可控硅與過零雙向可控硅光耦、Pt100、輔助電加熱器。

①智能數(shù)顯溫控儀；②雙向高壓可控硅與過零雙向可控硅光耦；③Pt100；④電加熱器圖1 PID控制面板和內(nèi)部實(shí)物圖Fig.1 The appearance and structure of PID controller

本系統(tǒng)選擇三線制的鉑電阻Pt100為溫度傳感器,可消除測量誤差并保證高檢測精度和穩(wěn)定性[15]?？刂破鬟x擇型號為NG-5412-2的智能型數(shù)顯溫控器。因電阻加熱的功率和耗電量大、對電阻絲的均勻度要求高[16],而對流易實(shí)現(xiàn)、效果好,且氣體對流現(xiàn)象更明顯,選擇750W輔助電加熱器進(jìn)行對流傳熱。選擇雙向高壓可控硅BTA16-1000C,通過其導(dǎo)通角的變化來改變電路中的有效功率。選擇MOC3041光電耦合雙向可控硅驅(qū)動器來有效抑制尖峰脈沖及各種噪聲干擾,隔離控制系統(tǒng)與外圍接口,提高檢測電路的抗干擾能力[15]。圖2為PID閉環(huán)控制系統(tǒng)回路框圖及各組成部分。

用Pt100檢測干燥箱內(nèi)溫度,將測得的模擬量轉(zhuǎn)換成電壓信號后送入控制器,電壓信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器后變?yōu)閿?shù)字量,通過數(shù)字濾波顯示在控制面板上?？刂破魍ㄟ^PID計(jì)算偏差值的大小,改變雙向可控硅控制周期內(nèi)的通斷占空比,間接改變加熱平均功率,進(jìn)而控制干燥箱內(nèi)的溫度。

圖2 閉環(huán)控制回路Fig.2 Control circuit of closed loop

1.2 雙金屬片控制系統(tǒng)

雙金屬是由兩層或兩層以上具有不同膨脹系數(shù)的金屬組元沿著層間接觸面以原子鍵合的形式牢固結(jié)合在一起而形成的一種復(fù)合材料[17]。加熱時(shí)主動層的形變大,達(dá)到預(yù)定溫度時(shí),主動層形變受限制,整體向被動層的方向彎曲,產(chǎn)生推力和位移后反向突跳,雙金屬片迅速動作,使觸點(diǎn)分離,電路斷開;冷卻降溫時(shí)雙金屬片快速恢復(fù),觸點(diǎn)閉合,電路自動閉合,從而達(dá)到控溫目的。

雙金屬片溫控器可對電路和電器進(jìn)行保溫、恒流、限流和過熱保護(hù)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)電路、電機(jī)、家用電器和汽車等領(lǐng)域[18]，按動作方式可分為慢動式、閃動式和突跳式3種。突跳式溫控器是近年來新興的溫度控制器，由于控溫精度高，結(jié)構(gòu)簡單[19]，本文選取雙金屬片式溫控器中型號為KSD302的突跳式常閉型溫控器。這是種定溫溫控器，常溫狀態(tài)下電路接通，溫度上升(下降)時(shí)觸點(diǎn)斷開(接通)。

2 2種控制系統(tǒng)的效果對比

2種控制系統(tǒng)在控制精度、穩(wěn)定性、抗干擾等方面有所區(qū)別,為此,設(shè)計(jì)了室內(nèi)與室外實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。將集熱器、干燥箱、CZR離心式鼓風(fēng)機(jī)、LX-101B數(shù)字式照度計(jì)、水銀溫度計(jì)、XMTD-3002 Cu50電子溫控儀、K型熱電偶和PID控制裝置按圖3放置。

圖3 太陽能干燥裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure picture of solar dryer

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試PID系統(tǒng)時(shí),太陽能供給的熱氣下口進(jìn)上口出,并進(jìn)行熱氣循環(huán)。將溫度分別設(shè)定為70℃，65℃，60℃,用K型熱電偶、Pt100測量干燥箱內(nèi)溫度,用Cu50測量集熱器上方出口的溫度。啟動裝置后每隔1min記錄一次儀表溫度,每20min一組。測試雙金屬片系統(tǒng)時(shí),由于集熱器供給的熱氣足以使干燥箱內(nèi)溫度始終維持在37.5℃以上,故選出廠溫度為55℃的KSD302控溫器與K型熱電偶放在同一位置,測量晴天、多云和陰天時(shí)干燥箱內(nèi)的溫度。由于晴天和多云時(shí)溫度均高于控制溫度,集熱器完全提供熱量,溫控裝置無反應(yīng),陰天時(shí)控制系統(tǒng)工作,將陰天所測數(shù)據(jù)整理并得圖4與表1。

表1 PID系統(tǒng)在3種設(shè)定溫度下K熱電偶的溫度

Tab.1 The temperature of K-type thermocouple in PID systems at 3 setting temperatures

℃

2.1 控制精度

PID系統(tǒng)采用了三線制的鉑電阻Pt100,可消除測量誤差,并保證高檢測精度。同時(shí),智能溫控儀表能及時(shí)通過PID算法調(diào)整雙向可控硅的通斷占空比,間接改變加熱平均功率來保證控溫精度。雙金屬片系統(tǒng)中,溫度上升時(shí)的突跳溫度要高于在溫度下降時(shí)的突跳溫度,形成動作溫差(平均動斷溫差14.5℃)。溫度參照點(diǎn)設(shè)置在周圍環(huán)境,溫度在碟片上的滯后效應(yīng)會引起突跳溫度分離[20],影響其控溫的準(zhǔn)確度。從表1得出,PID系統(tǒng)的平均控溫誤差為1.8℃。圖4(d)顯示,雙金屬片系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的平均控溫誤差為8℃。經(jīng)對比,雙金屬片有一定的控制作用,但PID控制精度更高、效果更好。

2.2 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性

由圖4,PID系統(tǒng)中的溫度在設(shè)定值很小范圍內(nèi)波動,溫度變化曲線平穩(wěn)。由表1可知溫度在設(shè)定值0～3℃內(nèi)小幅波動,波動率為1.3%;雙金屬片系統(tǒng)的溫度波動大,溫度變化曲線振蕩。由圖4(d),溫度在42.1℃～62.9℃波動,波動率為39.5%。經(jīng)對比,PID控制的溫度波動小,系統(tǒng)穩(wěn)定性更好。

2.3 抗干擾能力

PID系統(tǒng)中設(shè)置有光電耦合雙向可控硅驅(qū)動器,其內(nèi)部有過零檢測器,能保證當(dāng)電源電壓過零時(shí),負(fù)載端才導(dǎo)通且波形完整,可以有效地抑制尖鋒脈沖及各種噪聲干擾,提高信噪比,隔離控制系統(tǒng)與外圍接口,保證了低噪聲和低浪涌電流過流負(fù)載,提高了檢測電路的抗干擾能力。而雙金屬片系統(tǒng)沒有相關(guān)的設(shè)計(jì),PID系統(tǒng)的抗干擾能力更強(qiáng)。

3 兩種控制系統(tǒng)的維修保養(yǎng)與經(jīng)濟(jì)性能比較

兩種控制系統(tǒng)在維護(hù)保養(yǎng)和經(jīng)濟(jì)性能方面也存在差異。

雙金屬片系統(tǒng)中,KSD302僅作為溫度開關(guān),其斷開溫度固定不可調(diào),使用時(shí)需根據(jù)要求更換不同出廠溫度的溫控器[17],且使用過程中易損壞、需常更換,但價(jià)格低廉、操作便捷、安裝方便、更換容易、便于推廣。因精確性不如PID智能控制系統(tǒng),在許多不需要精確控溫或只作為超溫報(bào)警及斷電場合有廣泛應(yīng)用,也常與熱熔斷器串接使用,作為各種電熱產(chǎn)品所需的過熱一級保護(hù)以防燒壞電熱元件與火災(zāi)事故[21]。

PID溫控系統(tǒng)的控溫精度高,效果好,使用壽命長,不易損壞。但維修麻煩,且價(jià)格相對雙金屬片較高,適用于精確溫控的工況。

4 結(jié) 語

通過對PID控溫系統(tǒng)和雙金屬片控溫系統(tǒng)的工作原理、控制效果及維護(hù)保養(yǎng)、經(jīng)濟(jì)性能等方面對比分析可見,兩種控制系統(tǒng)都具有一定的控制效果,但從控制精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾等方面看,PID控制系統(tǒng)的控制效果更好、系統(tǒng)更穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)。在實(shí)際生產(chǎn)中,PID控溫系統(tǒng)適用于精度較高的工況,雙金屬片適用于不需精確控溫的工況。

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(編 輯 陳鐿文)

The comparative analysis of PID and bimetallic strip controlled solar dryer

XIE Chaochao, SUN Yufan, LUO Jianwen, ZHANG Yonghui, ZHENG Maosheng

(College of Chemical Engineering, Northwest University, Xi′an 710069， China)

The PID and bimetallic strip controlled solar dryer were compared in terms of control accuracy, stability, resistance to disturbance and economic performance, and the practical tests were conducted separately and some comparative analyses were made. The results showed that: in PID control, the control temperature′s average error is 1.8℃, the temperature′s fluctuation ratio is 1.3%. In bimetallic system, the control temperature′s average error (operating temperature)is 8.0℃, the temperature′s fluctuation ratios is 39.5%. The results show that PID control has good control accuracy, stability, resistance, high cost and suits for precise temperature control. Bimetallic control is easy and cheap, which is suitable for the occasions of low accuracy requirement.

solar energy drying; temperature control; PID; bimetallic strips; property test and analysis

2016-09-14

陜西省工業(yè)攻關(guān)基金資助項(xiàng)目(2016GY-155)

謝超超，女，湖南衡陽人，從事能源技術(shù)與材料研究。

TK511

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-06-011