基于智能算法的平板导热系数测量仪

卢　萍

（辽宁工程职业学院，辽宁 铁岭 112008）

基于智能算法的平板导热系数测量仪

卢萍

（辽宁工程职业学院，辽宁 铁岭 112008）

摘要：平板式导热系数测量仪是根据傅立叶导热定律。能够提高导热系数的精度及测试的效率，加热器控制算法是来自改进遗传算法的PID。运用改进的遗传算法去寻优确定PID参数Kp、Ki、Kd。这样的话缩短了测试周期，并使导热仪的测试效率得到提高，更能让虚拟仪器平台提高了测量处理的自动化和智能化程度。结论：导热系数的测试精度与效率，在应用此测量仪得到提高。

导热系数；温度控制；电炉；虚拟仪器

物质的导热能力由导热系数所呈现，它的高低决定物质的热传导能力。导热系数高的材料有好的导热性。本文提出一种新型智能的稳态平板法导热系数测试仪，因为采用的温控系统和智能算法相结合，所以，大大提高了测试速度及精度。

一、测量原理

傅立叶导热定律：单位时间内通过给定截面的热量P与该截面的面积S和垂直于该截面的温度梯度dt/dH成正比，其数学关系式为：

式中：λ单位w/（m·k），P单位W，S单位m²，H单位m。

设冷板温度为t1，热板温度为t2，热板加热功率为P，被测试样厚度为H、热板截面积为S，当冷板与热板温差一定时即可求出导热系数λ。

二、系统采用硬件

本文采用的测量仪主要由几部分组成，分别是：恒流电源，热电偶信号放大和冷端补偿，A/D转换电路等等。其硬件结构如图1所示。

其中主副电炉的温度是由安装在单片机中的驱动电路控制的，加热电炉为试样提供恒定的加热功率。需要测试的材料是使用电阻炉的加热算法进行加热控制的，它的目的是使主加热板的温度迅速达到要求的恒定测量温度t2，使冷板的温度恒定在t1温度上。我们还使用了MAX6675芯片，主要是用它来信号增强、热电偶冷端补偿及A/D转换功能，最后由上位机计算出惹到系数的量。

图1　平板法导热系数测试仪框图

三、软件设计

根据导热系数公式，导热系数是由3方面决定的：（1）热板加热的功率大小P。（2）热板的恒定温度的t2和。（3）冷板的温度t1。如果加热功率恒定，那么导热系数由t1和t2决定。也就是说，t1与t2的稳定性决定导热系数的精确度。上位机的操作面板示意图如图2所示。

图2　上位机操作面板

四、电炉的温度控制

由于电阻炉是被控对象，他的特性是参数会随着炉温变化而变化，所以我们一半采用普通的PID控制算法来控制它。但是这种算法也有缺点，例如当工艺温度出现大范围波动时，就需要我们修改系统的PID参数，如果温度破洞比较剧烈，会导致控制效果变差，从而出现误差。那么为了弥补缺点，在本文中还引入了模糊控制这种算法。它是根据规则控制算法衍生而来的，它的控制规则是语言性控制规则，它主要依据现场操作人员的操作经验来与熟练的技能来实现，所以我们也不用建立精确的控制模型了。它的缺点是在随机干扰严重的复杂控制过程中，控制精度会大大降低。根据权衡以上的优点和缺点，在本文中使用参数自整定的模糊PID控制算法。其优点是可以充分利用模糊控制规则在线调整PID参数的同时，也可以大大增强对环境温度变化的应变能力。图3是PID与模糊PID仿真对比图，图中示意出模糊PID算法具有更好的动态性能。

单片机C语言编程时，将模糊PID寻优得到3个参数Kp，Ki，Kd代入PID程序。实际温度控制图如图4所示。

图3　普通PID与模糊PID仿真对比

图4　实际温度控制效果

结语

在测试仪的整机的架设中，因为希望节省成本，就采取了“上位机+下位机”的这种硬件模型，这种模型的优点是结构简单方便，对于瞬态法导热系数测试仪也有很好的兼容性。上位机所使用的是Labview虚拟控制面板，其优点是不但降低成本，还能提高仪器的灵活度。下位机是将模糊PID算法应用于电炉温控程序，他的优点是缩短测试时间，整体的测试效率有显著提升。

[1]许肇均.传热学[M].北京：机械工业出版社，1998.

[2]冯毅，梁满兵.稳态平板导热系数测定仪的误差分析[J].广州化工，2006，34（1）：56-58.

[3]孙平，汪梅芳.对不良导体导热系数测量原理的修正[J].物理与工程，2001，11（3）：31-34.

[4]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M].北京：电子工业出版社，2004.

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