某温度、湿度、振动综合试验箱智能控制及试验精度

沈朝晖

（中国工程物理研究院电子工程研究所，绵阳 621900）

某温度、湿度、振动综合试验箱智能控制及试验精度

沈朝晖

（中国工程物理研究院电子工程研究所，绵阳 621900）

介绍了某温度、湿度、振动综合试验箱（简称为“CERT”设备）系统核心智能控制系统，包括线性控制器PID、微处理器自整定控制器、自适应控制器、程序设定技术在环境试验中的应用、可控的循环气流风速确保试验精度。

智能控制系统；PID；自整定；自适应；风速；精度

引言

用于环境试验中的某温度、湿度、振动综合试验箱，既能做恒温恒湿试验，又能进行程序控温的快温变试验，连接上振动台还能进行温度、湿度、振动综合试验。设备温度控制能力为低温下限-75℃，高温上限+180℃，温度循环的温度范围为-75℃~180℃，最大升、降温速率10℃/min。设备湿度控制能力为湿度下限20%RH，湿度上限95%RH[1]。该设备主要用于各类装备、整机及重要部件测试“MTBF”值的可靠性试验（CERT 中使用的加载应力是一次性规定的“实际任务环境应力”），能够满足可靠性试验的需求。

1 控制系统核心

这套系统的核心部份是智能控制系统。包括线性控制器PID、微处理器自整定控制器、自适应控制器、程序设定控制。

1.1 线性控制器PID

自动控制器把对象输出的实际值与给定值(目标值)进行比较，确定误差，产生一个使误差减小至零或微小值的控制信号，进行控制。

某温、湿度、振动综合试验箱的控制机理是基于经典的“比例－微分－积分” PID控制模式[2]。

控制系统如图1。

系统中的“比较环节”将给定量(目标值)V(t)与实际输出值B(t)相比较得到偏差值G(t)。

比例、微分、积分三个校正环节构成“同向并联”线性控制系统，它将偏差值的比例结果(P)、积分结果

图1 PID控制器原理

E nvironmental Test Equipment

环境试验设备(I)、微分结果(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。这里的“被控对象”即设备中加热降温单元和湿度调控单元。

其控制规律(系统方程)为：

式中KP—比例系数

TI—积分时间常数

TD—微分时间常数

常规PID控制器是在获取对象数学模型的基础上，根据某一整定原则来确定PID参数，而实际工业生产过程中常常是具有非线性、时间变化不确定性，难以建立精确的数学模型。因此，常规PID控制在实际工作中，往往是整定不良，性能欠佳，运行适应性很差。同时PID参数的设定、整定过程是非常复杂繁琐的。自整定、自适应PID控制很好的解决了这个问题。

1.2 微处理器自整定控制器

控制器中的自整定算法是一个单一冲击调谐器。为了对某个新过程状态进行重新设置，调谐器可随时手动启动。当调整启动响应，并给出过程延迟时间的估算。然后激励接通/断开时间，确定过程的自然响应，这样新的控制参数就计算出来了，并且自动地进行设置。

1.3 自适应控制器

本系统所用的控制器的响应速度非常快，稳态精度较高。它的具体实现是：当设定好的温度值改变，或出现外界干扰，造成调节偏差超出范围，那么自适应PID立即运行，找到最佳补偿方式，抑制系统的超调和欠调；当运行温度达到设定值后，系统即进入常规的PID调节，以保证温度为所设定的值。自适应控制器功能原理图[3]如图2。

图2 自适应控制器功能原理

2 程序控制和PID调节解决的问题

一般产品在快温变高、低温循环试验过程中表面会产生控温不准和产生凝露。例如：有一个快温变循环试验，试验过程中产生温度过冲和产品表面凝露现象。

以前是采用密封塑料袋对产品进行密封保护以隔离凝露对产品工作态温度试验的影响，和减小温度过冲对产品的影响，但此方法延迟了试验箱温度传递到产品表面的时间。

现在采用程序控制和PID调节技术控制风速、干风吹扫风量、制冷量、加热量，使控温精度提高，解决不用塑料袋包装产品，产品表面不会产生凝露，避免使产品温度响应延迟，并且提高控温精度。

采用干风吹扫除霜技术能有效去除产品表面的凝露现象。因此，产品温度循环试验的正确做法应去除密封塑料薄膜包装。

产品相互间隔在150mm以上时对箱内空气的热交换的影响较小。因此，要合理安放产品数量。多台产品同时作温度循环试验相互间间隔要大于150mm。

表1 程序设定控制器用中文设定试验程序

采用可控的循环气流风速，在可靠性试验中，为了达到较高的温度变化速率，必须有较高的循环气流风速。环境应力筛选实施指南中明确要求提高箱内循环气流的速度，使被试产品的温度能更快和更接近于试验箱内的空气温度。该CERT试验箱内的风速可调整在2m/s～3m/s范围，试验箱的变温速率越高，试验箱内循环气流的额定风速也要求越高。

该CERT试验箱还能用于一些高低温、湿热等环境试验，试验箱中配置有调整风速的装置，利用变频风机调速装置，满足不同试验规范对风速的不同要求。试验时在被试件周围的风速可调整在0.5m/s～2m/s 范围。

通过程序控制和合理的调节PID值进行如下试验进行验证：

本程序设定控制器用中文设定试验程序，能进行999次循环试验。例如：有一个快温变循环试验条件，要求从20℃开始，每分钟下降10℃，下降到-50℃保持2小时；然后每分钟上升10℃，上升到50℃保持2小时；再每分钟下降10℃，下降到20℃第一个温度循环结束；这个过程循环十次。那么就可以编写表1程序设定来实现。

通过程序控制和PID调节技术、可控的循环气流风速、并采用干风吹扫技术，解决控制精度和凝露问题。

3 结束语

该智能控制系统结构简单，操作使用方便，且性能稳定，抗干扰能力强。系统运行多年来，从未发生故障。该系统控制温、湿度的精度高，在-75℃～+180℃温度范围，控制温度精度为±0.5℃。在20%RH～ 95%RH湿度范围，控制湿度精度为+2%RH～-3%RH。满足JJF 1101-2003校准规范要求。在工作过程中，该控制系统操作方便，可靠性高，完全能够满足可靠性试验的需求。

[1] 生产厂家某型温、湿度综合试验箱控制说明书[Z].

[2] 满红,梁迎春等. 自动控制原理[M].北京:清华大学出版社,2011.

[3] 孔凡才.自动控制原理与系统[M].北京:机械工业出版社,2005.

沈朝晖，男，1969年1月出生，从事产品环境试验与技术应用。

标准应用与解读

(续上期)

Intelligent Control and Test Precision of A Temperature, Humidity and Vibration Combined Test Chamber

SHEN Zhao-hui
（The Institute of Electronic Engineering of CAEP, Mianyang 621900）

This paper introduces the system core intelligent control system in a temperature, humidity and vibration combined test chamber (CERT device for short), including the linearity controller PID, the MPU self-tuning controller, the self-adaptive controller, the application of programmed technology in the environment test, and the controllable circulation flow wind speed that ensures the test accuracy.

intelligent control system; PID; self-tuning; self-adaptive; wind speed; precision

O327

A

1004-7204(2014)05-0086-03