冷热冲击试验中防凝露控制的研究

王 丹，顾 伟，褚建新

（上海海事大学 物流科学与工程研究院，上海 201306）

高低温冲击试验箱在仪器、仪表、机械、电工、电子产品的可靠性检测中被广泛应用，在高、低温的交替变化下检测样品的性能，从而筛选出结构上的缺陷[1]。在三箱式的高低温冲击试验中，由于冷热空气的频繁对流，特别是由当测试区温度由低温转换为高温，水分含量达到一定程度时，检测样品表面以及试验箱的内部会出现凝露，势必对检测样品的测试产生影响，造成绝缘能力下降，影响其力学、电气性能[2]。传统的防凝露方法无法做到完全防凝露，测试结果与预期存在差异。

目前国内外防凝露方法有主要以下几种：采用LK（TH）凝露监控器；采用SDK-NL型凝露控制器；采用KWN温度凝露控制器；等。然而，前2种凝露控制器均采用凝露传感器[3-4]，空气中的灰尘会损坏传感器的性能，降低其灵敏度，使加热器不能及时启动。KWN温度凝露控制器所采用的凝露传感器拐点为相对湿度93%，对整个控制起不到预防的作用，传感器本身也存在误差，这样对凝露的产生无法及时控制。对此，文中分析了凝露产生的原因，在模糊自整定PID控制的基础上加入预测控制，设计了防凝露控制系统；对试验采集的数据进行误差分析，完成测量误差的补偿，不断改进防凝露控制算法，以满足试验箱以及检测样品对防凝露的严格要求。

1 凝露问题

1.1 凝露产生的机理

凝露是指当检测样品或者试验箱表面温度低于周围空气的露点温度时，水蒸气在设备表面冷凝的现象。因此，凝露产生与否取决于检测样品表面温度和试验箱测试区的当前环境温度、相对湿度，检测样品表面温度低于露点温度时，空气中的水蒸气就会凝结成水珠。DHT11数字温湿度传感器的露点可以根据当前温度和相对湿度计算得出，计算公式[6]为

式中：t为当前环境温度，℃；U为相对湿度，%；td为露点温度，℃。露点温度与温湿度的函数关系如图1所示。

图1 露点温度与温湿度的关系Fig.1 Relationship between dew point temperature and temperature-humidity

由图可见，当前环境温度与露点温度的差值的变化与湿度的变化成反比，差值越小，湿度越大；差值越大，湿度越小；差值接近于0时，露点温度就是当前环境温度。

1.2 防凝露控制系统的设计

根据凝露机理，只要使检测样品表面的温度始终保持高于周围环境中空气的凝露点温度，就可以破坏凝露产生的条件[7]。设定检测样品表面温度为ts，露点温度为td。DHT11具有很好的线性输出，考虑传感器误差和可靠系数，根据大量试验数据，将露点温度差的阈值D0设定为0.5，得出的控制方式为

ts-td≤D0时，启动远红外加热器和排风扇；

ts-td>D0时，关闭远红外加热器和排风扇。

采用DHT11数字温湿度传感器代替受环境局限的凝露传感器，可以对露点直接控制，具有良好的控制曲线和平稳的控制性能。通过防凝露控制算法对传感器的数据进行分析，得出最优的控制策略，从而响应远红外加热器。防凝露控制系统原理结构如图2所示。

图2 防凝露控制系统原理结构Fig.2 Anti-condensation control system principle structure

2 防凝露控制策略

2.1 模糊自整定PID控制器

传统PID控制难以取得很好的控制效果。模糊控制理论结合传统的PID控制理论，在PID算法的基础上，以检测样品表面温度ts和露点温度td的差值e及其变化率Δe作为输入；PID的3个参数Kp，Ki，Kd作为输出。输入变量和输出变量选取 7个模糊子集｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝，分别对应着｛负大，负中，负小，负，正小，正中，正大｝。e，Δe 和Kp，Ki，Kd的模糊隶属函数均选择为三角形隶属函数。利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整，利用模糊规则在线对PID参数进行修改，以满足不同时刻的e和Δe对PID参数自整定的要求[8]，模糊决策采用Mamdani型算法，解模糊化采用重心法。

2.2 模糊自整定PID-Smith控制的防凝露控制器

考虑到高低温冲击试验箱有一些大滞后、非线性器件，执行机构接收信号后需要经过一定的延迟输出才能反馈到输入，从而对系统进行防凝露的控制。此过程需要付出较大的延迟时间代价，影响系统运行的稳定性和过度过程的平稳性。对此，在模糊自整定PID控制的基础上，加入了Smith预估控制，提出了一种嵌入式环境下模糊自整定PID控制和Smith预估控制相结合的防凝露控制系统，兼顾了Smith控制和模糊PID控制的优点，可以有效抑制大滞后的影响，使得系统及时响应控制策略，破坏凝露产生的条件。

模糊PID控制不需要精确的数学模型，避免了Smith对参数过于敏感的问题，将模糊PID控制与Smith预估控制方法结合起来，既可以解决系统延迟的问题，又完成了PID参数的自整定，可以极大程度地提高控制性能。该防凝露控制器的结构如图3所示。

图3 防凝露控制器结构Fig.3 Anti-condensation controller structure

3 试验及其分析

高低温冲击试验箱的温度是高温与低温交替变化，设定高温冲击的温度值为80℃，低温冲击的温度值为-40℃，系统的高温冲击时间和低温冲击时间均设定为500 s。防凝露控制器采用常规PID控制，采样周期为10 s，在高温冲击阶段和低温冲击阶段各采集100个数据，图4为检测样品表面温度和露点温度的变化趋势。

图4 常规PID控制系统响应Fig.4 Conventional PID control system response

由图可见，在常规PID控制下，高低温冲击试验箱测试区的温度由低温转换为高温时，检测样品的表面温度与露点温度的差值小于0，且差值较大，系统逐渐到达稳态时，露点温度差多数维持在0～0.5，这时远红外加热器会自动启动，增加电能的消耗。

为了更好地控制露点温度差，可以通过模糊控制实现控制器参数的自我整定，对防凝露控制器进行模糊自整定PID控制。图5为检测样品表面温度和露点温度的变化趋势。

图5 模糊PID控制系统响应Fig.5 Fuzzy PID control system response

由图可见，在模糊PID控制下，高低温冲击试验箱测试区的温度由低温转换为高温时，检测样品的表面温度与露点温度的差值小于0的情况出现的次数减少，且差值较小，但是露点温度差多数情况下仍然处于0～0.5，加热器一直处于运作状态，加热器的寿命也会受到影响。

考虑到高低温冲击试验箱为大滞后系统，模糊自整定PID控制具有一定的跟随延迟，将Smith预估控制加入控制回路中，对回路中的延迟进行补偿，对露点温度差进一步的优化。图6体现了检测样品表面温度和露点温度的变化趋势。

由图可见，在模糊PID的基础上加入Smith预估控制后，检测样品的表面温度与露点温度的差值多数维持在0.5以上，且几乎没有出现小于0的情况，有效地进行了防凝露的控制。

图6 模糊自整定PID-Smith控制响应Fig.6 Fuzzy self-tuning PID-Smith control response

4 结语

针对高低温冲击试验箱在检测样品时容易出现凝露的问题，将模糊自整定PID控制和Smith预估控制采用并联的方式结合，提出了一种自适应能力比较好的防凝露控制系统，并对防凝露控制系统进行试验及其分析。试验结果表明，设计的防凝露控制器在防凝露控制系统中是可行的，其自整定的能力对外界的干扰有较好的恢复能力。

参考文献：

[1]Ren Wanbin，Liang Huimin，ZhaiGuofu.Thermalanalysisof hermetically sealed electromagnetic relay in high and low temperature condition[C]//Proceedings of the 52nd IEEE Holm Conference on Electrical Contacts.IEEE，2007：110-116.

[2]Zhang J，Wang H，Cai X，et al.Thermal control method based on reactive circulating current for anti-condensation of wind power converter under wind speed variations[C]//Power Electronics and Application Conference and Exposition.IEEE，2015：152-156.

[3]Chan S P，Choi W K.Preview tracking condensation EOR digital controller[C]//Proceedings 14 Annual Conference of Industrial Electronics Society.Conference of the IEEE Industrial Electronics Society，1988：297-302.

[4]南征.SDK-NL型高压开关设备凝露控制器[J].高压电器，1995，31（2）：50-50.

[5]何超，刘未庆.KWN温度凝露控制器的研制[J].仪器仪表用户，2001，8（1）：19-21.

[6]王冬霞，张玉辉，洪耀球.温湿度传感器SHT15及其在嵌入式系统中的应用[J].电子设计工程，2011，19（2）：40-43.

[7]林伟，汪金刚.采用模糊控制技术的电气设备防凝露控制器[J].哈尔滨理工大学学报，2012，17（2）：36-39.

[8]葛楠，李铁鹰，王宇慧.变论域模糊PID算法在供热控制中的应用[J].科学技术与工程，2012，12（34）：9203-9206.