基于模糊PID控制的材料导热仪设计

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Design of MaterialS Thermal Conductivity Detection System Based on Fuzzy PIDLIU Chun.qia -.YANG Shi.feng(1.College of Electronic Information and Automation，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300222，China；2.Department of Electronic Technology，Tianjin Electronic Information Vocational College，Tianjin 300350，China)Abstract：Therm al conductivity is one of important index of materialS quality evaluation.In this paper，MaterialStherm al conductivity detection system based on fuzzy PID algorithm was designed and made.The system hardwarewas made mainly by the temperature sensor and detecting circuit，computer temperature control system and automatictemperature control device.Data colecting and processing，result display and control functions were completed by thesystem software based on virtual instrument development platform otLabwindows/CVI and PID control algorithm，tomake up for the previous degree of intelligence was not high，therm d conductivity meter，single function，the lack oflow accuracy.Application shows that this system has advantages of reliable operation，precise temperature control，highthermal conductivity detection accuracy。

Key words：heat retaining plate method；therm al conductivity；zzy PID；Labwindows/CVI随着社会和科技的进步和发展，新材料及合成新材料不断涌现，如何评价新材料的性能已成为重要的研究课题。导热仪是通过测量导热系数来测定材料导热性能的仪器.目前导热系数的获得主要是通过理论分析和试验得到，因理论分析特别复杂且具有不确定性，所以现今绝大多数材料通过实验得到。

目前我国已经对热导体、硅胶、金属材料、非金属材料、绝缘材料、岩土、石墨等多种材料导热系数的测试方法和测试设备进行了研究 .并研究出了相应 的多种测试方法 ，比如热线法 、水流量平板法 、非稳态法、护热平板法、平板稳态法、热流法、修正型热源法 ]等等。然而这些测试方式普遍存在着智能化成度不高、功能单-、测量精度低、数据的检测处理不是以微处理器为核心的智能测控系统，人机对话界面过于粗糙等问题。

本文在护热平板法的基础上进行了改进.研制收稿 日期 ：2013-02-07：修订 日期 ：2013-05-21作者简介：刘春恰(1981-)，女，在读博士研究生，讲师，研究方向为轻工过程与装备 ；杨世风(1960-)，男，博士，教授，博士生导师。研究方向为智能化 自动化系统与装置等。

自动化与仪表2013。《9) 田了-种新型双平板式导热系数检测系统，检测对象主要为以建筑材料为代表的低导热系数的隔热材料 ，系统以微控制 器 Atmegal6为核心 ，以防护热板装置及合适的检测装置为基础，以模糊PID算法及Labwind0ws/CVI为手段设计了测量精度高、硬件电路简单、智能化程度高、人机界面灵活的导热系数检测系统，提高了测试效率.大大降低了系统成本。

1 导热仪系统硬件设计导热仪硬件系统由炉体部分和智能测控部分组成。炉体部分要满足测量原理的要求.从装置结构上保证实现精确测量的必要条件：智能测控部分的设计则具体实现人机对话、测量和控制工作。

1.1 炉体结构仪器炉体部分的构造示意图如图 1所示。在两个几乎相同的试件样品中夹-个加热单元(中心主加热器和边缘副加热器 )，试件 的外侧各设置-个冷却单元(制冷器)。热流由加热单元分别经两侧试件传给两侧的冷却单元。为了散热均匀和减少接触热阻 ，以保证在试件表面上温差为零 、无热流通过 ，在加热单元与试件之间有-层薄薄的铜板(称为主热板和保护热板)，在冷却单元和试件之问也有-层薄薄的铜板(称为冷板)。

绝热层及防护外套绝热层及防护外套制冷器 冷板加热器冷板I 蔓1 . 兰 . 1 篓l保护热板 l 主热板 l保护热板防护加热器l主加热器(主电炉)l防护加热器保护热板 l 主热板 l保护热板冷板制冷器 冷板加 热器绝热层及防护外套绝热层及防护外套图 1 仪器炉体部分构造示意 图Fig.1 Chan of protective panel structure工作时，仪器控制两个冷板在同-温度下，两个热板在更高的温度下，并保证围绕主热板的保护热板和主热板处于相同的温度下，以减小侧面的热流量。使用测量通过样品的温度差，通过样品的热流量 Q等于主加热器的功率P，温度和电压读数稳定时则代表了热平衡状态仪器炉体的机械结构主要分为两大部分.加热单元和冷却单元。这两部分的设计满足了测量原理和技术要求，从装置结构上保证了测量的必要条件1.2 智能测控系统测控系统总体部分设计如图 2所示，核心器件是 由 ATMEL公司生产 的具有增强型 AVR内核的MCU芯片[2-31(两片 ATmega162和-片 ATmegal6)组成。根据测温精度要求，采用 Maxim的DS18B20f41温度传感器[51。计量和保护加热器和两个冷凝器郁南光电隔离单相交流调压拈 LTVDS-220V-40A控制，而控制调压拈的是四路 DCA输出的电压信号(0～5 V)。加热功率是通过测量加热板计量单元的加热丝电流，由霍尔型电流传感器测得，并经过放大后连接到 ATmega162的 ADCt J单元。下位机-方面通过嵌入式系统的彩色液晶拈实时显示各类参数 ，另-方面通过串口把测量数据发送到上位机上，由上位机上的相应程序计算导热系数并在平衡后实时显示在上位机上。测试结果最终以 Word文档形式打印出来。

左侧热板温度 礁 右侧 冷板lJIJ热 单兀憾 - 左侧冷板加热单元妪 瑟 - 主热板加热单元防护热板加热单元餐莨鋈≤ 扯 稚 有侧冷板冷凝器左侧冷板温度 迎赠右侧热板温度 ∞右侧冷板温度 召左侧冷板冷凝器热板加热单元电流l 吕 旧 .J ..J、 - -芊霉 地 爝 上夹紧电磁阀 捌 左右央犀I霍尔电流传感器I 纛 磊 h 位机《图 2 测控系统总体设计Fig.2 Overal design ofthe measurement and control system2 系统的检测原理与控制算法2.1 系统的检测原理根据护热平板法的傅里叶导热定律.如不考虑试件没有侧面热量损失，试件中的温度梯度是竖直向下的，假设 代表加热区电压，尺代表热 区加热器电阻， 代表试件厚度， 代表试件的测量面积，P代表试件耗费的功率总和。导热系数 A的计算公式为- . 曼 - ： - R A(t2-t) A(2-t)Automation＆Instrumentation 2013(9) 因为双平板导热仪器有两个相同试件和两个冷板.而热区释放的能量由两个试件共同传导，因此式 (1)应改写为、 r，2 占 P. ，，、、-R 而 因为平板侧面绝热难以保证 ，因此式(2)导热系数的计算存在误差 ，必须进行修正，本课题研究的双平板侧面存在的热对流属于大空间自然对流换热 ，自然对流换热实质上属于边界层流动的换热，假设A空气为空气导热系数，g为重力加速度，卢为空气的体积膨胀系数 ， 为空气的运行粘度，a为空气的热扩散率，细为稳态时试件侧面的平均温度 ，t室为实验室室温，根据努谢尔特准则、格拉晓夫准则和普朗特准则∩得空气试件间的对流换热系数 h为上hO.1A空a1i ( ) (3) 侧 审)40.j/根据牛顿冷却公式，试件侧面散热热量为1 1， 1AOmhAtA-o- A空 ( )。( 熹 ) (4)式中：t侧、t室均能通过实验得到； 室对应的A空气、 和a可通过查阅《干空气的热物理性质表》得到。

综上，热区释放的热量总和为 PAO侧，再根据式(2)得到试件精确的导热系统计算公式为A u2 (PA0侧) (5)式中：P可通过装置测量得到；A0侧通过式(4)计算得到； 、A都是常数；t2和 t。通过控制可以得到，这样。就能够计算出试件精确的导热系数。

2.2 模糊 自适应 PID控制器设计因炉体中温度参数具有非线性 、慢时变、大滞后等特点.难以建立精确的数学模型 ，所以采用模糊 自适应 PID[7 01控制，既具有了良好的动态跟踪品质和较高的稳态精度 。又能保证鲁棒性强、响应时间短、超调小等优点。本课题模糊 自适应 PID控制器原理框图如图 3所示。

兰兰温度DS1传感8B20器H 炉丝 ll～图 3 模糊 PID控制器原理框 图Fig.3 Fuzzy PID controler structure figure自动化s仪表 2013(9)本文采用模糊增益调制 PID控制器 ，K 、K 、为最初整定好的参数，AKp、AKI、△ 分别为通过模糊推理得到的参数增量值，两者相加后再作用于受控对象 ，初始 K 、K 、K。 要根据大量相关实验经验来设定大小，即：KPKpt△ (6)KIKI △KI (7)KDKD △KD (8)模糊控制器的输入量为热板(或冷板)温度的偏差e和偏差变化率ec，以及三个输出AK 、AK，、AK。，对应的模糊语 言变量分别为 E，EC，KP、KI、KD；E，EC，KP、K 、K。的模糊论域定义为6，6)，对应的模糊子集由7个语言变量组成，记为NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB 1，选温度偏差e基本论域为(-5，5)℃，ec的基本论域为(-2，2)oc，则可得到量化因子 6/51.2，kec6/23，隶属度函数均为三角形，均匀分布和全交叠隶属度函数。

模糊控制器的关键是模糊规则。针对不同的e和ec，通过了解大量成功的控制策略经验与恒温控制特点，并结合 PID参数整定原则嘲，总结出 △ 、AK 、△K。的模糊推理规则，如表 1、表 2和表 3所示。

表 1 △Kp的模糊控制规则表Tab.1 Fuzzy-PID Regular table of△f(口ECNB NM NS Z0 PS PM PB表 2 △ 的模糊控制规则表Tab.2 Fuzzy-PID Regular table of ZXK，ECNB NM NS Z0 PS PM PBZ0Z0PSNSPBPBPB囫№肼 №黔 l宝 M肋眦 肼 肋阳 船 附 眦雎眦阳 雎!全 趵雎l宝 阳 表 3 △ 的模糊 控制规则表Tab.3 Fuzzy-PID Regular table of△KDECNB NM NS Z0 PS PM PBNB PS NSNM PS NSNS ZO NSZ0 NM NSPS NM NSPM PB PMPB PB PMNB NBNM NMNS NBNS Z0Z0 PsPM PMPM PMNB NS PSNS NS NSNS NS Z0PS PM PMPS PM PBPS PB PBPS PS PB模糊规则确立 以后 .本课题采用 Mamdani模糊推理法得到输出变量的隶属度，然后采用加权平均法得到精确的数字控制量.应用模糊合成推理设计PID修正参数矩阵表，在线查出修正参数后，带人式(6)、式(7)或式(8)，得到整定后的参数KP、K，、K。。

在线运行时通过模糊规则处理、运算和查表，完成对 PID参数动态调整，PID根据整定后的参数(xk，P，i)计算控制量，其工作流程图如图4所示。

l设定PID初始参数I 温度采样 温度传感器l e( -1)e( )I e( )r( )y( )I ec( ) ( )-e( -1)热板或冷板加热炉 丝e(k)，ec(k)模糊化模糊整定△ 、AK 、AK。

- 制器 交流单相调压拈图 4 PID在线整定工作流程图Fig.4 Flow chart of PID online tuning3 系统软件实现3.1 上下位机通信上位机的功能是将采集到的电流有效值计算成功率从而得到导热系数.并将其实时地显示在屏口幕上 。本系统选用的开发平 台是美 国 NI公司开发的 32位面 向计算 机测控领域的软件开发平台Labwindows/CVI。

在与下位机的通信中，是通过调用 Labwind ，ws/CVI自带的RS2321库中的各类接口函数来实现的，Labwind0ws/CVI自带的 RS232181库 中的各类接 口函数可以方便的进行各种基于 RS232总线的通信操作，在上下位机通信协议中，先将下位机需要传送的温度数据加上包头和包尾(就是加在传输数据头和尾的两组特殊字符，它可以用来检查接受或传送完毕与否 ，并且可以判断接受或者传送 的是否为- 个完整的数据包)，构成-个完整的数据协议，上位机采用中断的接受方式，即只要输入缓冲区有未读取的字节 ，立即产生中断。反过来 ，上位机将需要输出控制的参数 ，如 ：经过模糊 PID程序处理后的D/A数据，继电器的开关动作等，也打好包 ，再传送至下位机。

3.2 软件实现流程及人机界面人机界面的主要功能在于提供用 户与机器设备间适当的沟通渠道，以简化机械的操作，达到机械正常使用的目的。-般机器设备的人机界面，其功能可分为三个部分：原件图形化 、相关参数设定与读韧相关信息的显示与存储。系统的界面彤式采用直接操作界面形式.导热系数测试曲线图如图5所示图 5 测试工作状态Fig.5 Test stutas在该界面中，利用虚拟仪器软件的面板，刚厂l可以很直观地观察工作曲线和相关数据，而且可以很方便地对系统进行控制。

4 结语基于模糊 PID控制的导热仪可准确可靠地对Automation＆ Instrumentation 2013(91建筑保温材料的导热系数进行检测，同时又大大减少了因人为误差带来的误差 ，本导热仪以微控制器Atmega16为核心，智能化程度较高、合理元器件的选择及模糊 自适应 PID控制的应用保证了O.5级的i贝0量精度，采用虚拟仪器开发平台Labwindows/CVI作为本系统软件的开发平台。使人机对话界面十分人性化。本导热仪为检测中如何更好地切实反映材料的导热性能提供依据，也为隔热材料向着轻质、高效的目标发展提供了方向。本系统已成功应用于天津某试验机厂的导热系数检测产品中，实践证明，测量精度可达 0.5级，完全满足用户对材料导热系数检测的要求。