一种基于自适应控制的冷冻离心机温度控制算法

陈兆仁，刘婉贞

(1.湖南师范大学信息科学与工程学院，湖南 长沙 410006；2.长沙职业技术学院，湖南 长沙 410217)

国内外冷冻离心机的温度控制行业标准是正负2度范围内，例如设置温度为4度，则温度变化在2度到6度范围内.现有的冷冻离心机温度控制算法大多采用PID算法，这种算法在温度急剧变化的条件下，很难达到行业的标准，往往超温，即高于设置温度2度以上，影响检测结果.笔者通过长期实验，提出一种基于自适应控制的算法，对不同类型的冷冻离心机进行测试，结果表明温度控制精度范围在设置温度的正负1度范围内.

1 冷冻离心机的结构

1.1 冷冻离心机制冷系统结构

冷冻离心的机制冷系统结构是由压缩机、环型圆柱型的制冷缸、毛细管、加热管、转子等组成，加热管环绕在环型圆柱型缸中间.毛细管、加热管都是导热性高的铜管，圆柱型缸内侧是不锈钢，圆柱型缸外侧是铁，加热管夹在中间.

1.2 工作原理

在压缩机的压力驱动下，冷气在毛细管道中流动，环型圆柱型的缸内壁在冷气的作用下内壁温度急剧下降，由于转子高速旋转使缸内壁温度在缸体内迅速扩散，钢体内温度急速降低.同理，当加热管中加热气时，在1至5秒内钢体内温度急速升高.冷气和热气由控制电路控制电磁阀通断，分别控制冷气和热气流入毛细管道和加热管道.

2 温度变化规则及算法

2.1 缸内温度的数学模型

三年来通过分析冷冻离心机的温度数据，得到如下数学模型[1]：

f(t)= f(t-1)sin(t)( kxt1≤t≤kx t2)

(1)

其中为K正速数，t为时间域，单位为ms，为了便于计算处理，可将t的取值范围设为0～4096.在实际的控制过程中，由于采样时间限制，所以测量的温度值是离散的，因些函数f(t)在不同的时域内其峰值会不相同，其变化规则如图1(a)所示.

由(1)得Δf= f(t2)- f(t1)，Δt=t2- t1,

(2)

“粉销”的兴起：随着渠道为王的时代过去，分销模式也逐渐被企业遗弃，从分销向零售的转型在家电市场已不是一个陌生的话题，然后随着时间的推移，我们的研究发现“粉销”正在兴起。一个最简单的例子就双11期间，部分企业投入的大量资源购买流量，然而转化率并不理想。数据显示自发性品牌搜索和产品搜索的人群占比正在提升，而这部分群体也是消费升级的主要承载体。2019年，市场正在向优质品牌倾斜，希望做好高效率的营销，首先从完善品牌认知，强化产品品质开始。

由上述关系，得出缸内温度动态变化情况如图1(b)示，

由图1 可知，温度变化的范围宽.

图1(a) 缸内温度动态变化图

图1(b) 缸内初始温度急剧变化示意图

其中纵轴为温度，横轴为时间，f(S)为设置温度，f(H)为上限温度，f(L)为下限温度，行业标准f(H)≤f(s)+2, f(L)≥f(s)-2，A、B、C三点为加热控制点.由图1(a)可知，温度从室温开始急剧下降到f(s),然后继续往f(L)方向降温，在加热的控制下再往f(s)方向升温，如此循环往复，使温度在f(H)≤f(s)+2, f(L)≥f(s)-2范围内变化.图1(b)温度从室温开始降到f(L)下，再重复上述控制过程.

2.2 f(H)和f(L)制约因素

影响f(H) 和f(L)制约因素很多，其中最主要的是环境温度、转子大小、转子转速等，所以为了解决环境温度的影响，要求离心机在室温下运行.

2.3 温度控制点分析

图2 温度受控点

A点是温度下降控制点，当温度从高到低变化时，一旦变化到A点时，这个时候开始加热，当温度升至B点停止加热.

2.4 温度控制算法

第一步 设置温度控阈值f(o).

则加热.

第三步 如果f(a)-f(L)超过0.2则制冷，跳过第四步.

第五步 返回第一步.

注意， 第一步要根据PID算法设定动态的阈值f(o)[3].f(L)值根据统计学原理，再依据中值数字滤波法确定.

3 运行测试数据

该算法已应用于超大CDM7、TGL18、DDL6、TGL16E微量等冷冻机型，表1 至表4记录了不同条件下的运行结果.表1是该算法应用于超大CDM7冷冻机型的测试结果，运行15分钟，转速4000转/分，在环境温度10度左右测试的数据.

表1 应用于超大CDM7冷冻机型的测试结果

表2是该算法应用于超大CDM7冷冻机型的测试结果，运行15分钟，转速3000转/分，环境温度35度左右的测试数据.

表2 应用于超大CDM7冷冻机型的测试结果

表3是该算法应用于TGL16E冷冻机型的测试结果，运行15分钟，转速16000转/分，环境温度10度左右测试的数据.

表3 应用于TGL16E冷冻机型的测试结果

表4是该算法应用于TGL16E冷冻机型的测试结果，运行15分钟，转速14000转/分，环境温度35度左右测试的数据.

从上面表格的实际记录数据中，可以看出，不同类型的离心机在不同转速、不同的境温度的条件下，温度的控制精度的上限温度值和下限温度值均在设置温度(4度)的正负1度范围以内即f(H)≤f(s)+1, f(L)≥f(s)-1,高于行业标准f(H)≤f(s)+2, f(L)≥f(s)-2的控制精度要求，大大提高了冷冻离心机温度的控制精度.

表4 应用于TGL16E冷冻机型的测试结果