一种高温变率温湿度环境试验控制方法及装置

1.一种高温变率温湿度环境试验控制方法，其特征是在试验箱内，用大功率电加热组加热实现升温过程，用液氮装置注入液氮实现降温过程；用蒸气发生装置实现加湿过程，用液氮装置注入液氮实现除湿过程；所述除湿过程中，液氮先经加热装置加热除湿后再注入试验箱内；在所述试验箱内设置温度传感器和湿度传感器，温度传感器和湿度传感器检测到的试验箱内的实时温度、湿度数据通过信号转换模块传递给可编程控制器PLC，可编程控制器PLC将其采样值与设定值进行比较并执行补偿解耦与模糊控制程序：当采样温度低于设定值时，可编程控制器PLC通过数字输出端口的输出控制大功率电加热组加热；当采样温度高于设定值时，可编程控制器PLC通过数字输出端口的输出控制液氮装置上的制冷电磁阀开合，以控制液氮向试验箱内注入量；当采样湿度低于设定值时，可编程控制器PLC通过数字输出端口的输出控制水蒸气发生装置上的加湿电磁阀开合，以控制水蒸气向试验箱内的注入量；当采样湿度高于设定值时，可编程控制器PLC通过数字输出端口的输出控制除湿电磁阀的开合，以控制液氮向试验箱内注入量使试验箱内湿度降低，直到试验箱内的温湿度值满足要求。
2.一种高温变率温湿度环境试验控制装置，其特征是包括试验箱、温度和湿度控制系统；所述温度和湿度控制系统由可编程控制器PLC、温度传感器、湿度传感器、大功率电加热组、液氮装置、水蒸气发生装置、风扇组成；所述液氮装置通过制冷管和除湿管与试验箱内腔连通，蒸气发生装置通过加湿管与试验箱内腔连通，制冷管、除湿管和加湿管上分别设有制冷电磁阀、除湿电磁阀和加湿电磁阀，温度传感器和湿度传感器均设在试验箱内，风扇和大功率电加热组设在试验箱内的上部，温度传感器、湿度传感器、风扇、除湿电磁阀、制冷电磁阀、加湿电磁阀和大功率电加热组均与可编程控制器PLC连接。
3.根据权利要求2所述的高温变率温湿度环境试验控制装置，其特征是所述试验箱内设有上下开口的用于气流循环的风道，所述风扇和大功率电加热组设在试验箱内顶部的风道内。
4.根据权利要求2或3所述的高温变率温湿度环境试验控制装置，其特征是所述除湿管上设有加热装置。

一种高温变率温湿度环境试验控制方法及装置\n技术领域\n[0001] 本发明属于人工环境控制技术，具体涉及一种温湿度控制的方法及装置，尤其是能够实现高温变率的条件下温湿度的精确控制方法及装置。\n背景技术\n[0002] 目前，公知的人工环境温湿度控制方法是由控制器、测量电路以及干燥器、风机等执行部件组成，多应用于人工气候箱、烤房等温湿度环境变化缓慢的情况。但是温度和湿度的关系非常紧密。在一个指定的环境中，温度的变化会影响湿度；同样的，湿度的波动也会对环境中的温度产生影响。因此，在大温变率的条件下实现温湿度的控制问题，常规的温湿度控制方法存在着很大的困难。\n发明内容\n[0003] 为了解决在大温变率的条件下温湿度之间的控制问题，本发明的目的是提出一种高温变率温湿度环境试验控制方法及装置，该方法和装置能够在大温变率的条件下很好地克服温、湿度环境之间的相互干扰，实现试验内温、湿度之间的解耦控制。\n[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：为了实现温度、湿度的大范围变化，本发明方法是在试验箱内，用大功率电加热组加热实现升温过程，用液氮装置注入液氮实现降温过程；用蒸气发生装置实现加湿过程，用液氮装置注入液氮实现除湿过程。\n[0005] 所述除湿过程中，液氮先经加热装置加热除湿后再注入试验箱内。\n[0006] 进一步的方法是：在试验箱内设置温度传感器和湿度传感器，温度传感器和湿度传感器检测到的试验箱内的实时温度、湿度数据通过信号转换模块传递给可编程控制器PLC，可编程控制器PLC将其采样值与设定值进行比较并执行补偿解耦与模糊控制程序：当采样温度低于设定值时，可编程控制器PLC通过数字输出端口的输出控制大功率电加热组加热；当采样温度高于设定值时，可编程控制器PLC通过数字输出端口的输出控制液氮装置上的制冷电磁阀开合，以控制液氮向试验箱内注入量；当采样湿度低于设定值时，可编程控制器PLC通过数字输出端口的输出控制水蒸气发生装置上的加湿电磁阀开合，以控制水蒸气向试验箱内的注入量；当采样湿度高于设定值时，可编程控制器PLC通过数字输出端口的输出控制除湿电磁阀的开合，以控制液氮向试验箱内注入量使试验箱内湿度降低，直到试验箱内的温湿度值满足要求。\n[0007] 根据上述方法采用的本发明装置，包括试验箱、温度和湿度控制系统；所述温度和湿度控制系统由可编程控制器PLC、温度传感器、湿度传感器、大功率电加热组、液氮装置、水蒸气发生装置、风扇组成；所述液氮装置通过制冷管和除湿管与试验箱内腔连通，蒸气发生装置通过加湿管与试验箱内腔连通，制冷管、除湿管和加湿管上分别设有制冷电磁阀、除湿电磁阀和加湿电磁阀，温度传感器和湿度传感器均设在试验箱内，风扇和大功率电加热组设在试验箱内的上部，温度传感器、湿度传感器、风扇、除湿电磁阀、制冷电磁阀、加湿电磁阀和大功率电加热组均与可编程控制器PLC连接。\n[0008] 本发明装置的试验箱内还设有上下开口的用于气流循环的风道，所述风扇和大功率电加热组设在试验箱内顶部的风道内。\n[0009] 所述除湿管上设有加热装置。\n[0010] 用本发明方法和装置，可以在大温变率的条件下，很好的实现试验环境内部的温、湿度之间的解耦控制，满足可靠性强化试验设备温、湿度控制系统的需求。\n附图说明\n[0011] 图1是本发明装置的原理框图。\n[0012] 图2是本发明装置的结构示意图。\n[0013] 图3是本发明方法的补偿式解耦控制方案图。\n具体实施方式\n[0014] 高温变率温湿度环境试验控制方法，是在试验箱内，用大功率加热组加热实现升温过程，用液氮装置注入液氮实现降温过程；用蒸气发生装置实现加湿过程，用液氮装置注入经加热装置加热除湿后的液氮实现除湿过程。\n[0015] 所述方法可采用自动控制方式实现，所采用的本发明装置如图1、图2所示，包括试验箱18、设在试验箱18内的温度和湿度控制系统；所述温度和湿度控制系统由可编程控制器PLC、温度传感器16、湿度传感器17、大功率电加热组15、液氮罐1、蒸气发生器8、风扇\n12组成；液氮罐1由主管2分成制冷管3和除湿管5与试验箱18内腔连通，蒸气发生器8通过加湿管22与试验箱18内腔连通，除湿管上设有加热装置7，制冷管3、除湿管5上分别设有制冷电磁阀4、除湿电磁阀6，加湿管22上设有加湿电磁阀21、限压开关20和限温开关\n19，温度传感器16和湿度传感器17均设在试验箱18内，试验箱18内设有上下开口13、23的用于气流循环的风道9，两台风扇12和大功率电加热组15设在试验箱1内顶部的风道9内，温度传感器16、湿度传感器17通过A/D信号转换模块与可编程控制器PLC连接，风扇\n12、制冷电磁阀4、除湿电磁阀6和加湿电磁阀21通过数字模块与可编程控制器PLC连接，大功率电加热组15由5组功率为150kw的电加热组组成，通过光控晶闸管、数字模块与可编程控制器PLC连接；试验箱18箱壁上设有观察窗10，底部设有排水管11，内部设有试验台14。\n[0016] 本发明装置工作时，风扇12使试验箱18内腔的气流经风道9形成上下循环对流，温度传感器16和湿度传感器17检测到的试验箱18内的实时温度、湿度数据通过A/D信号转换模块传递给可编程控制器PLC，可编程控制器PLC将其采样值与设定值进行比较并执行补偿解耦与模糊控制程序：当采样温度低于设定值时，可编程控制器PLC通过数字输出模块和控制光控晶闸管的输出大功率电加热组15加热；当采样温度高于设定值时，可编程控制器PLC通过数字输出模块的输出控制液氮装置上的制冷电磁阀4开合，以控制液氮向试验箱内注入量；当采样湿度低于设定值时，可编程控制器PLC通过数字输出模块的输出控制蒸气发生装置上的加湿电磁阀21开合，以控制水蒸气向试验箱内的注入量；当采样湿度高于设定值时，可编程控制器PLC通过数字输出模块的输出控制除湿电磁阀6的开合，以控制液氮向试验箱内注入量使试验箱内湿度降低，直到试验箱内的温湿度值满足要求。实际运行时，温度的控制范围-110～200℃，温变率＞70℃/min，温度控制精度＜±1℃，湿度的控制范围5～95％，湿度控制精度＜±2％。\n[0017] 本发明方法的补偿式解耦控制方案如图3所示，温度波动时，直接采用波动较大的试验箱内的温度去补偿和调整湿度；湿度波动时，根据注入水蒸气的量或注入液氮的量来补偿调整温度。对湿度进行调节时，注入的氮气或水蒸气会对试验箱内的温度环境带来扰动，由热力学知识和箱体特性等可以得到注入的氮气量或水蒸气量与温度之间的关系，从而确定温度补偿控制器的参数。为了提高系统响应速度，同时获得较好的系统动、静态性能，温度主控制器采用了双模双段(P-Fuzzy PID)的模糊控制方法，先设定一个相应的阈值，当试验箱内的温度传感器实测的温度值与设定的温度值之差大于这个阈值时，采用比例控制，以适应系统大温变率的需求；当测得的温度差值小于这个阈值时，采用模糊PID控制，以减小超调，减小大温变率过程中温度过冲的问题。温度主控制器与温度补偿控制器输出的控制量之合，即为系统当前的温度控制量。同样地，在试验箱内含湿量一定的情况下，当温度调整时，会对试验箱内的湿度产生较大的影响，因此由初始温度值和当前的实时温度值得到温度的波动值，由热力学知识和箱体的特性等可以得到温度波动对湿度定量的影响结果，从而确定湿度补偿控制器的参数。由于对系统湿度的要求较低，没有变化率方面的需求，控制精度的需求也不高，湿度主控制器采用模糊PID控制。湿度主控制器输出的控制量与湿度补偿控制器输出的控制量之和为当前的湿度控制量。其中，温度主控制器、温度补偿控制器、湿度主控制器、湿度补偿控制器均是在可编程控制器PLC中编程实现。