人工模擬環(huán)境試驗中溫濕度改進控制算法研究★

陳剛 ， 謝勇期 孔玉梅 ， 歐永

(1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；2.廣州市電子信息產(chǎn)品可靠性與環(huán)境工程重點實驗室，廣東 廣州 510610；3.電子信息產(chǎn)品可靠性分析與測試國家地方聯(lián)合工程研究中心，廣東 廣州 510610；4.泰州賽寶工業(yè)技術研究院有限公司，江蘇 泰州 225500)

0 引言

電工電子產(chǎn)品的應用領域日益廣闊，其所經(jīng)受的環(huán)境條件也愈來愈復雜和多樣，所涉及的環(huán)境因素主要包括溫度、濕度、振動、霉菌、鹽霧和光照等，只有合理地規(guī)定產(chǎn)品的環(huán)境條件，正確地選擇產(chǎn)品的環(huán)境防護措施，才能保證產(chǎn)品在全壽命周期中的安全與可靠，因而，對電工電子產(chǎn)品進行人工模擬環(huán)境試驗成為了保證其質量的必不可少的重要環(huán)節(jié)。

溫度和濕度環(huán)境應力引起的失效占所有環(huán)境應力引起的失效的大部分，其中溫度環(huán)境應力所引起的失效占整個失效的比重為40%，濕度引起的失效占整個失效的比重為18%，溫度變化引起的失效占整個失效的比重為2%，整個溫濕度環(huán)境應力引起的失效占到所有失效的60%左右，因此，開展溫濕度為主的環(huán)境試驗就成為了產(chǎn)品環(huán)境適應性設計和驗證的重點。

在工業(yè)環(huán)境中，溫度、濕度的靜態(tài)和動態(tài)過程非常多，表現(xiàn)出復雜性和多樣性，例如：急速溫度升高可能導致焊錫回流；啟動馬達時周圍器件的溫度會急速地上升，關閉馬達后周圍器件的溫度會急速地下降；設備從溫度較高的室內移至溫度相對較低的室外，或者從溫度較低的室外移至溫度較高的室內都會引起設備溫度的改變；設備在較低的溫度下接電時，設備內部會有一個很大的溫度變化梯度；設備可能因為突降大雨而導致其溫度下降，濕度改變；航空器在起飛或降落時，其表面材料也可能會出現(xiàn)溫度和濕度急劇變化的情況，高溫高濕條件及溫濕度的變化作用于試驗樣品上，可以構成水氣吸附、吸收和擴散等物理和化學過程，材料在吸濕后會發(fā)生膨脹、性能也隨之發(fā)生變化，并引起物質強度降低及其他主要機械性能的下降，同時吸附了水氣的絕緣材料的電性能也會下降，主要包括膨脹、潮解、變性、短路、開路和腐蝕等。

因此，在實際開展環(huán)境模擬試驗時，完成溫度、濕度的靜態(tài)和動態(tài)模擬控制，即人工模擬溫度濕度場，定性和定量地再現(xiàn)實際的氣候環(huán)境應力至關重要。為了模擬真實或更加嚴酷的試驗條件，試驗過程中不同等級的溫濕度應力的轉換、持續(xù)加電、通斷加電、開箱門進行操作、察看樣品、調整樣品的數(shù)量和種類等，這些都會對試驗箱內的溫濕度控制指標形成擾動，對系統(tǒng)的制冷量提出不同的要求。另外，溫度、濕度類試驗一般所需的時間很長，對試驗穩(wěn)定性和不可中斷性的要求很高，試驗時對于降低成本、實現(xiàn)經(jīng)濟運行和節(jié)水節(jié)電的要求也很高，針對以上要求，本文就環(huán)境試驗中加熱量、加濕量和制冷量的控制算法提出了一種新的改進方法。

1 傳統(tǒng)的控制模式的介紹

人工模擬溫濕度環(huán)境試驗系統(tǒng)非常復雜，同時有加熱、加濕和制冷 (除濕量)3個主要變量會對溫度和相對濕度產(chǎn)生影響，傳統(tǒng)的控制方式只是對溫度和相對濕度進行控制，幾個變量之間沒有形成關聯(lián)，例如：溫度控制回路中，一般是溫度采用PID控制，控制對象為箱內溫度，在人機界面上完成設定修改，傳感器實時采樣環(huán)境試驗箱內的溫度值完成反饋形成閉環(huán)，完成PID運算并將控制周期和計算輸出值送到PLC中，通過PLC進行運算輸出，采用固態(tài)繼電器 (SSR：Solid-state relay)無觸點通斷控制加熱器的導通時間，即通過調節(jié)等脈寬的時間占空比來控制加熱器在單位時間內的發(fā)熱功率，一個控制周期內加熱器導通時間越長，發(fā)熱量越大，反之，發(fā)熱量越小。其相對濕度控制模式與溫度控制模式相同。對制冷機組的控制基本上是采用ON-OFF控制模式，制冷量控制上也不能實現(xiàn)柔性控制和合理實時匹配。

2 改進的控制算法

控制改進是基于在制冷系統(tǒng)中引入電子膨脹閥節(jié)流裝置這一關鍵部件來實現(xiàn)的。在完成了系統(tǒng)硬件改造升級后，在制定控制算法時，要根據(jù)實際的應用特點，并總結傳統(tǒng)的控制方法的得失，制定一套新的控制方式，基本控制思路如圖1所示，具體的實施步驟如下所述。

圖1 控制流程圖

a)尋求制冷系統(tǒng)安全運行的條件

采用試驗數(shù)據(jù)分析法，收集不同工況下采集的數(shù)據(jù)并匯總所有的電子膨脹閥開度數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗濾去部分異常數(shù)據(jù)后，就可以擬合出不同環(huán)境溫度和工況下的安全邊界線。

b)尋求環(huán)境試驗中不同條件對冷量的需求規(guī)律，并設計控制表

在整個系統(tǒng)中，由于加熱、加濕和制冷 (除濕)3個變量都會對溫度和相對濕度產(chǎn)生影響，因而仍將加熱量控制回路、加濕量控制回路作為控制主線，基于所反饋的溫度和濕度偏差，采用PID控制，直接作用于溫度和濕度；制冷量控制回路則作為輔線。

在試驗系統(tǒng)單獨控制溫度時，制冷量控制輸出采用基于經(jīng)驗和規(guī)則的模糊控制算法，即以經(jīng)驗和試驗參考數(shù)據(jù)為基礎來設計控制算法，這樣一來，就沒有必要去精確地了解對象的模型，具體的做法是：采用常規(guī)模糊控制方法中的查表法，首先，通過事先的離線計算，根據(jù)一般的模糊控制方法，包括選擇隸屬函數(shù)、確定模糊控制范圍和模糊與反模糊化等步驟，得到模糊控制表；然后，計算出試驗設備各試驗狀態(tài)的制冷控制量；最后，取得一個模糊控制表，將控制表存放到計算機中，實際控制中，由控制表的第i行與第j列找到控制量tp，乘以比例因子，就可以直接作用于電子膨脹閥了。單獨控制溫度時，以箱內實測溫差e、箱內實測溫度變化速率△e作為輸入語言變量，以控制制冷量的電子膨脹閥開度控制量tp作為輸出語言變量，屬于雙輸入單輸出模糊控制。

根據(jù)試驗條件狀態(tài)的不同，必須要建立不同層次的制冷量需求等級，才能滿足實際試驗時的各種溫濕度應力變化要求。

根據(jù)單獨控制溫度時溫度變化速率及穩(wěn)態(tài)時制冷系統(tǒng)特性的實際要求，建立模糊控制表：1)模糊控制表1 Low_per_tabl如圖2所示；2)模糊控制表2 Mid_per_table如圖3所示；3)模糊控制表3 High_per_table如圖4所示。

溫濕度組合控制時，采用基于經(jīng)驗的直接階梯形預置電子膨脹閥開度的方法，并通過實時的動態(tài)自尋優(yōu)運算，調整電子膨脹閥開度。溫濕度組合控制時，以試驗的溫濕度狀態(tài)：設定溫度Ts和設定濕度RHs作為輸入邏輯變量，以控制制冷量的電子膨脹閥開度控制量tp作為唯一對應的邏輯輸出，屬于雙輸入單輸出直接邏輯控制，如表1所示。

1)輸入條件

設定溫度為Ts、設定濕度為RHs。

2)討論范圍

溫度： 10～85℃；

濕度： 5%RH～100%RH。

圖2 模糊控制表1

圖3 模糊控制表2

圖4 模糊控制表3

3)邏輯區(qū)間劃分

temp1溫度非常低：Ts≤17℃；

temp2溫度低：17℃≤Ts＜37℃；

temp3中等溫度：37℃≤Ts＜57℃；

temp4溫度高： 57℃≤Ts＜83℃；

temp5溫度非常高：Ts≥83℃；

humi1濕度非常低：RHs＜21%RH；

humi2濕度低： 21%RH≤RHs＜46%RH；

humi3中等濕度：46%RH≤RHs＜71%RH；

humi4濕度高： 71%RH≤RHs＜84%RH；

humi5濕度非常高：RHs≥84%RH。

4)電子膨脹閥開度分級

電子膨脹閥開度分5×5=25級：tp1、tp2、tp3、tp4……tp25。

5)控制規(guī)則

歸納如下：IF temp*AND Humi*THEN電子膨脹閥開度tp*。

6)溫度邏輯控制表

溫濕度組合控制時，建立濕度邏輯控制表Humi_per_table，如表1所示。

表1 濕度邏輯控制表

c)自尋優(yōu)修正運算設計

在溫度和濕度的控制過程中，根據(jù)溫濕度偏差大小，對加熱器、加濕器采用PID控制和ON-OFF控制相結合的控制方式，PID控制方法簡單，計算量小，便于實現(xiàn)，這在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中已經(jīng)運用得很成熟了。由于外界條件的不確定性，例如：負載變化、環(huán)境溫度變化等，通過查詢控制表計算所得的控制量通常并不是最合適的，必須根據(jù)實際情況進行調整以匹配這種變化。通過加熱控制回路和加濕控制回路的輸出量及其變化情況，可以得出系統(tǒng)對制冷量的需求方向；知道了系統(tǒng)的需求方向，就可以計算出校正量來調節(jié)制冷量。雖然其調節(jié)總是滯后于加熱量控制回路和加濕量控制回路的變化，但這種滯后總的來說是可以克服的，對系統(tǒng)控制并無顯著的影響。

為了在試樣負載突變或者外界環(huán)境溫度變化時，制冷量的調節(jié)能夠適應這種變化，能夠根據(jù)外界或負載的變化來實時地調節(jié)電子膨脹閥的開度，提高設備的負荷能力和對周圍環(huán)境的適應能力，在控制算法中引入性能辨識環(huán)節(jié)，以加熱控制回路的輸出Ur和加濕控制回路的輸出Ut′作為性能辨識環(huán)節(jié)的輸入條件，如圖5所示，通過建立一定的運算規(guī)則，計算出一個校正控制量，迭加在查表得出的控制輸出量上進行校正，即根據(jù)性能測量環(huán)節(jié)得到的校正量來計算最終控制量的值，這樣就使系統(tǒng)具備了自適應機制，具有自尋優(yōu)調節(jié)制冷劑流量的功能。

圖5 改進控制算法結構圖

圖2中：Ts——設定溫度，參與溫度控制回路計算、溫濕度控制回路的解耦計算和制冷控制回路的規(guī)則運算；

K1——溫濕度控制回路的解耦系數(shù)；

To——實測溫度，控制反饋，參與制冷控制回路的輸入條件；

RHs——設定濕度，參與濕度控制回路計算，制冷控制回路的輸入條件；

Rho——實測濕度，控制反饋；

Ur——溫度控制回路控制輸出，參與制冷控制回路的自尋優(yōu)規(guī)則運算；

Ut′——濕度控制回路控制輸出，參與制冷控制回路的自尋優(yōu)規(guī)則運算。

3 溫濕度控制性能對比

開展溫度濕度組合試驗時，采用基于專家經(jīng)驗的預置電子膨脹閥開度的方法，并通過實時的動態(tài)自尋優(yōu)運算，控制制冷系統(tǒng)節(jié)流裝置電子膨脹閥的開度，也就是說，制冷量總是自動地匹配于溫度濕度的組合試驗點，高濕時有高濕所需求的制冷除濕量，低濕時有低濕所需求的制冷除濕量，并且可以根據(jù)樣品負載大小的轉換和箱內濕度的變化進行自動修正，舊的系統(tǒng)由于硬件和控制算法的局限，系統(tǒng)的制冷、除濕量要兼顧不同的環(huán)境試驗溫濕度點，這樣，有的溫度濕度組合試驗就不能完成控制，表現(xiàn)為試驗能力不夠和控制范圍狹小。系統(tǒng)改進前后的溫度濕度控制性能對比情況如圖3所示。

圖6 溫度濕度控制性能對比

4 結束語

改進了控制算法以后，通過實際的試驗數(shù)據(jù)的對比發(fā)現(xiàn)，溫度、濕度的穩(wěn)態(tài)控制性能超過了原來的控制水平，另外在系統(tǒng)其他綜合試驗性能方面也有了很大的改進，除溫度濕度控制范圍有大的提升以外，系統(tǒng)綜合性能的提高主要還體現(xiàn)在以下幾個方面：

a)動態(tài)控制性能有了很大的提高，快速或者慢速線性降溫的溫度變化曲線線性度優(yōu)于傳統(tǒng)的系統(tǒng)；

b)制冷機組的制冷效率得到了改善，降溫速率得到了提高；

c)帶樣品負載的能力有了大幅度的提高；

d)系統(tǒng)受環(huán)境溫度的變化的影響減小；

e)溫濕度控制因操作人員開關門維護受試驗樣品造成的波動減小且恢復得很快；

f)系統(tǒng)的故障率明顯地降低，使用壽命也將延長；

g)在濕熱試驗和動態(tài)降溫試驗時，系統(tǒng)在節(jié)能和省水方面的優(yōu)勢比較明顯。

以上綜合性能的提升，對環(huán)境試驗系統(tǒng)本身的綜合品質來說是一個質的飛躍，因而這些性能的改善，為順利地開展人工模擬環(huán)境試驗提供了有力的保障。