散熱器檢測系統(tǒng)新控制策略的試驗研究

1 散熱器檢測系統(tǒng)

散熱器檢測的主要任務(wù)是保持散熱器水流量一定時，在高中低溫三種工況下分別測量其進出口水溫和周圍空氣溫度，由此計算并擬合出散熱量的計算公式。測量的準確性主要取決于上述三個參數(shù)的控制精度，國家散熱器檢測標準[1]要求把進口水溫度的波動控制在±0.2℃的范圍內(nèi)，而散熱器所在檢測小室的空氣溫度要控制在±0.1℃內(nèi)。高中低三個工況下的水溫要分別維持在95±0.2℃，75±0.2℃和55±0.2℃；空氣溫度則為18±0.1℃。這樣的精度要求是很高的。

系統(tǒng)如圖1所示。供水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括一次和二次兩個加熱水箱。一次加熱器把流出散熱器的低溫水加熱到比較高的溫度，二次加熱器將水加熱到最終溫度。散熱器所在小室為鐵殼，而小室所在房間絕熱。鐵殼與房間內(nèi)的環(huán)境用通過蒸發(fā)器和加熱器的送風(fēng)來控制，調(diào)節(jié)加熱器功率可改變送風(fēng)溫度，從而將散熱器周圍空氣溫度維持在要求值。

2 原有控制方案及存在的問題

原有控制系統(tǒng)根據(jù)一次加熱水箱的出口水溫通斷控制一次加熱絲，使其維持在比工況設(shè)定值低5℃的溫度上下波動；而二次加熱絲依據(jù)散熱器的入口水溫實施PID調(diào)節(jié)，最終將水溫控制在設(shè)定值±0.2℃的范圍內(nèi)。空氣系統(tǒng)根據(jù)小室溫度PID調(diào)節(jié)空氣加熱絲的加熱量，將其調(diào)整到18±0.1℃。這一方法，能把很好地控制小室空氣溫度。對于流量適中的散熱片，也能將供水溫度控制在±0.2℃范圍內(nèi)的目標。但當換上流量很小或者很大的散熱器時，供水溫度難以穩(wěn)定，無法完成測量。這嚴重限制了散熱器檢測室的檢測能力。雖然經(jīng)過反復(fù)的參數(shù)調(diào)試，問題仍然沒有得到解決。

3 系統(tǒng)分析

對于散熱器檢測臺來說，散熱片最小流量值為20Kg/hr，最大可達200Kg/hr，流量變化比達到10。一組PID參數(shù)值很難在如此大流量范圍變化時保持魯棒性。加上原控制系統(tǒng)中沒有流量測點，無法實現(xiàn)按流量變化調(diào)節(jié)PID參數(shù)的算法，所以導(dǎo)致流量較大和較小的散熱器無法穩(wěn)定。而且多組PID參數(shù)的調(diào)試工作量很大，這也直接降低了該方法的實用性。

為了進一步分析問題所在并找到合理的解決方法，我們重點分析了水系統(tǒng)中的調(diào)溫設(shè)備－加熱箱。如圖2所示，因為一二次加熱箱不大，可以采用集總參數(shù)法。設(shè)加熱絲在單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量為，水的比熱為，流量為，箱內(nèi)水質(zhì)量為，入口低溫水溫度為，出口高溫水溫度為，加熱箱對周圍環(huán)境散熱為。因為兩個加熱箱都做了很好的保溫，近似將視為0，可列微分方程如下：

（1）

其中是主要擾動，是調(diào)節(jié)手段，而則為輸出量。列出傳遞函數(shù)[2]可得：

（2）

由特征方程的根可知，微分方程的通解在靜態(tài)時趨于0；因為非周期函數(shù)可以看作是幅值無窮小而具有一切頻率成分的無窮多個諧波之和，所以將入口水溫作傅里葉變換后，對于輸入量的每項諧波，輸出量都有相同頻率的諧波與之對應(yīng)，出口溫度也是由這無窮多個諧波疊加而成。

輸入輸出量中的同頻率諧波均為正弦函數(shù)，可用復(fù)數(shù)符號來表示，可令：

（3）

為擾動通道的幅頻特性函數(shù)，而其幅值特性函數(shù)為：

（4）

由此可見，對于特定頻率的入口水溫擾動，當流量一定時，如果恰當選擇值，可以實現(xiàn)對入口溫度的波幅的縮小，從而可將出口溫度的波幅限制在我們所需的范圍內(nèi)。

在散熱器檢測系統(tǒng)中，加熱器容積約為100升，按照最大流量200 Kg/hr計算，＝1800。而入口水溫波動的頻率不高，一般周期為10分鐘，可得：

。所以，如果恒定加熱絲的加熱量后，要使出水口溫度穩(wěn)定在±0.2℃內(nèi)，只要進口水溫在±3.8℃內(nèi)波動即可。因為對一次加熱器實行通斷控制很容易將一次出水溫度維持±3.8℃甚至更小的的波幅內(nèi)，這樣的熱水進入二次加熱器后，再利用上面的特性即可實現(xiàn)對供水溫度的精確控制。

另外，水系統(tǒng)還用一臺冷水機組將散熱片出口的高溫水降至常溫，從而引入檢測室內(nèi)的小水流量計，測定流量。水冷機組根據(jù)被冷卻出水溫度啟停。對于水系統(tǒng)來說，這是一個主要的擾動。但是因為對于每一工況，散熱器出口水溫和過冷水機組后的水溫基本不變，所以這一部分冷負荷可以采用前饋思想，根據(jù)不同的工況由二次加熱器給定值補償，從而進一步減小供水溫度的靜差，保證將供水溫度嚴格控制在設(shè)定值±0.2℃的范圍內(nèi)。

4 模擬和實驗數(shù)據(jù)

上面的理論推導(dǎo)和結(jié)論，同時得到了數(shù)值模擬和實際運行數(shù)據(jù)的支持。圖3所示為Matlab對穩(wěn)定后的加熱器進出口水溫的模擬[3]。虛線進口水溫波動線是幅值為3.8的正弦曲線，當加熱量為定值時，代表出水溫度的實線的波動范圍被控制在了±0.2℃內(nèi)。這很好了證明了理論分析的正確性。

另外，在流量為150kg/hr時，用上面的邏輯控制檢測系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，現(xiàn)場用惠普數(shù)采儀每隔10秒對一次加熱器出口水溫和散熱器進口水溫進行采集，分別繪制溫度圖如下：

從圖中看出，一次加熱器出口水溫度的波幅約為0.4℃，當二次加熱量控制為定值時，散熱器入口溫度的波動幅度只有0.03℃，遠遠超過了國家標準要求的精度。當流量在大范圍內(nèi)改變時，系統(tǒng)同樣能很好地穩(wěn)定，所以數(shù)值模擬和實驗數(shù)據(jù)都證明了上述控制方法的有效性。

5 總結(jié)和通用控制策略的提出

散熱器檢測臺的風(fēng)系統(tǒng)一旦設(shè)計完成后，運行狀態(tài)下的風(fēng)量都一定，不隨散熱器工況的切換而變化，所以只要PID控制參數(shù)在調(diào)試階段確定好，一般不會出現(xiàn)控制不穩(wěn)的情況；但不同散熱片要求的水流量不同使得時間常數(shù)值變化劇烈，改變了系統(tǒng)特性。在沒有流量測點的情況下，一般的PID參數(shù)都是針對中等流量的散熱片整定得到的，所以在檢測流量特大和特小的散熱器時，難免會發(fā)生無法控制的情況。

針對類似的散熱器檢測水系統(tǒng)，上面的控制策略不僅調(diào)試簡單，避免了繁瑣的PID參數(shù)調(diào)節(jié)過程，調(diào)節(jié)精度很高，而且大流量范圍內(nèi)的魯棒性好，無需增加流量測量裝置?？刂撇呗钥梢愿爬ㄈ缦拢?/p>