鄒鉞 李書政 劉赟

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

暖體假人溫控系統(tǒng)方案的研究

鄒鉞 李書政 劉赟

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

暖體假人是模擬人體與環(huán)境之間熱濕交換的儀器設(shè)備，在服裝功效研究方面有重要的應(yīng)用價(jià)值。為了找出控制假人溫度的最佳方案，本文提出了兩種暖體假人表面溫度的控制方案，PID控制和固態(tài)繼電器通斷控制，運(yùn)用Labview軟件編程及相應(yīng)的硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)暖體假人表面溫度的控制，簡(jiǎn)單分析比較了兩種方案的控制效果，發(fā)現(xiàn)PID控制可以更有效并自動(dòng)地對(duì)假人溫度進(jìn)行控制。文章最后還提出了PID控制的改進(jìn)優(yōu)化方案。

暖體假人 溫度控制 PID固態(tài)繼電器

0 引言

暖體假人是一種模擬人體散熱的設(shè)備，它能在設(shè)定的環(huán)境條件下，模擬人體、服裝和環(huán)境間的熱交換過程，方便地測(cè)試服裝整體或局部的熱學(xué)性能參數(shù)。暖體假人按其制作材料可分為：銅質(zhì)暖體假人、鑄鋁暖體假人、玻璃鋼暖體假人。按其用途可分為：干熱暖體假人、出汗暖體假人、可呼吸暖體假人和可浸水暖體假人[1]。

暖體假人系統(tǒng)由假人本身和溫度控制系統(tǒng)組成。暖體假人全身應(yīng)分為頭、軀干、四肢等解剖段至少6段，在每個(gè)解剖段上分別密纏加熱絲，在加熱絲上敷設(shè)有利于溫度均勻性的鋁膜，然后布置溫度探頭，與溫控系統(tǒng)連接[2]。暖體假人對(duì)假人表面溫度均勻性要求非常高，就暖體假人系統(tǒng)來說，影響假人表面溫度均勻性的因素，一方面是假人表面電熱絲及模擬皮膚的敷設(shè)，另一方面是對(duì)加熱絲的加熱控制（溫度控制），其中將假人溫度控制在設(shè)定溫度（模擬人體體表溫度）并保持溫度波動(dòng)在±0.2℃以內(nèi)是整個(gè)假人表面溫度均勻的基礎(chǔ)[3]。本文就暖體假人的溫度控制提出兩種不同的控制方式，PID控制和固態(tài)繼電器控制。

暖體假人的溫度控制系統(tǒng)作為下位機(jī)與上位PC機(jī)連接，通過RS485-232轉(zhuǎn)換卡實(shí)現(xiàn)與溫度采集卡的通訊[4]。暖體假人的上位機(jī)程序是由美國(guó)某公司開發(fā)的Labview軟件開發(fā)平臺(tái)編寫，是一種圖形化的編程語言（G語言）和開發(fā)環(huán)境[5]。暖體假人的下位機(jī)是以實(shí)時(shí)控制溫度和功率測(cè)量為核心任務(wù)的軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)。由于各解剖段的工作原理都一樣，只有溫度采樣和控制量輸出的通道地址不同，本文就單獨(dú)一個(gè)通道的溫度控制來對(duì)兩種控制方式進(jìn)行分析比較。

1 PID溫度控制

1.1 PID控制

PID控制算法是目前工業(yè)控制中應(yīng)用最普遍的控制算法，即比例積分微分控制。PID控制法是一種線性控制方法，它根據(jù)設(shè)定值SP(t)與實(shí)際輸出值PV(t)構(gòu)成控制偏差e(t)，下列公式表示出各參數(shù)之間的關(guān)系：

將偏差e(t)的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，因此稱為PID控制。

PID控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 PID控制系統(tǒng)原理圖

1.2 PID控制系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)備包括：PT100熱電阻、溫度采集模塊、RS485-232轉(zhuǎn)換卡、NI USB-6008、直流電機(jī)調(diào)速器、24V供電電源、36V加熱電源。

NI USB-6008可提供8個(gè)模擬輸入（AI）通道、2個(gè)模擬輸出（AO）通道、12個(gè)數(shù)字輸入/輸出（DIO）通道以及一個(gè)帶全速USB接口的32位計(jì)數(shù)器。在此控制方案中只需用到一個(gè)模擬輸出（AO）通道來輸出連續(xù)的電壓信號(hào)。

圖2 PID溫度控制系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)中使用的直流電機(jī)調(diào)速器是電壓控制型的，控制電壓0～5V，與NI USB-6008輸出的電壓信號(hào)配合可以實(shí)現(xiàn)加熱電壓36V的0%～100%的無極變化，完美控制加熱。

PID溫度控制系統(tǒng)的原理圖如圖2所示。

通過Labview軟件編程，PID控制根據(jù)溫度采集卡獲得的溫度數(shù)據(jù)PV算得控制輸出output，利用NI-DAQmx與NI USB-6008結(jié)合的數(shù)據(jù)采集與輸出實(shí)現(xiàn)0～5V電壓的實(shí)時(shí)輸出，再通過直流變速器轉(zhuǎn)換為0～36V電壓的實(shí)時(shí)輸出，從而實(shí)現(xiàn)假人表面溫度的精確控制。實(shí)際溫度控制實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 PID溫度控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

2 固態(tài)繼電器通斷控制

2.1 固態(tài)繼電器

固態(tài)繼電器是一種無觸點(diǎn)電子開關(guān)，由分立元器件、膜固定電阻網(wǎng)絡(luò)和芯片組成，采用混合工藝組裝來實(shí)現(xiàn)控制回路（輸入電路）與負(fù)載回路（輸出電路）的電隔離及信號(hào)耦合，由固態(tài)器件實(shí)現(xiàn)負(fù)載的通斷切換功能，內(nèi)部無任何可動(dòng)部件。主要由輸入（控制）電路、驅(qū)動(dòng)電路和輸出（負(fù)載）電路三部分組成[6]。

固態(tài)繼電器是小功率控制高功率的電子器件。由于光耦合器的應(yīng)用，使控制信號(hào)所需的功率極低(約十余毫瓦就可正常工作)，而且Vsr所需的工作電平與TTL、HTL、CMOS等常用集成電路兼容，可以實(shí)現(xiàn)直接聯(lián)接。這使SSR在數(shù)控和自控設(shè)備等方面得到廣泛應(yīng)用。耦合電路用的元件是光耦合器，它動(dòng)作靈敏、響應(yīng)速度高、輸入/輸出端間的絕緣（耐壓）等級(jí)高。由于輸入端的負(fù)載是發(fā)光二極管，這使SSR的輸入端很容易做到與輸入信號(hào)電平相匹配，在使用時(shí)可直接與計(jì)算機(jī)輸出接口相接，即受1與0的邏輯電平控制[7]。

2.2 固態(tài)繼電器通斷控制

整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)備包括：PT100熱電阻、溫度采集模塊、RS485-232轉(zhuǎn)換卡、NI USB-6008/6501、固態(tài)繼電器、24V供電電源、36V加熱電源。NI USB-6501可提供24個(gè)數(shù)字輸入/輸出(DIO)通道以及一個(gè)帶全速USB接口的32位計(jì)數(shù)器。在此控制方案中用到一個(gè)數(shù)字輸出通道執(zhí)行通斷輸出，用于驅(qū)動(dòng)直流固態(tài)繼電器，當(dāng)模塊發(fā)出電壓信號(hào)時(shí)，固態(tài)繼電器負(fù)載開關(guān)閉合，無信號(hào)時(shí)，固態(tài)繼電器負(fù)載開關(guān)斷開，以此方式來控制電源加熱的通斷。

固態(tài)繼電器通斷溫度控制系統(tǒng)的原理圖如圖4所示。

圖4 固態(tài)繼電器溫度控制系統(tǒng)原理圖

同樣通過Labview軟件編程，利用NI-DAQmx與NI USB-6008/6501結(jié)合的數(shù)據(jù)采集與輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的通斷控制，從而控制了加熱電源的加熱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫度的控制。實(shí)際溫度控制實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 固態(tài)繼電器溫度控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

PID控制方案是連續(xù)量輸出，而固態(tài)繼電器控制是開關(guān)量輸出，基于Labview的PID控制是完全的自動(dòng)控制，既可以實(shí)現(xiàn)外界環(huán)境變動(dòng)情況下的智能溫度控制，而固態(tài)繼電器控制的通斷周期必須由用戶手動(dòng)輸入才可實(shí)現(xiàn)控制，一旦外界環(huán)境發(fā)生變動(dòng)，其通斷周期不會(huì)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，必須經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)才可求得最佳通斷比，這會(huì)大大影響溫度的控制效率。PID控制方案的功率輸出有功功率占得比例小，成本較高，且功率計(jì)算時(shí)需進(jìn)行積分計(jì)算。固態(tài)繼電器控制是通過控制導(dǎo)通時(shí)間占輸出周期的比例就來控制加熱功率大小的，功率計(jì)算方便。兩種控制方式的功率輸出示意圖如圖6所示。根據(jù)溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以非常直觀地看出在溫度相對(duì)穩(wěn)定后PID控制比繼電器控制更接近設(shè)置溫度，更符合溫差±0.2℃的要求。

圖6 固態(tài)繼電器控制和PID控制輸出

4 結(jié)語

總體來看，PID控制方案要優(yōu)于固態(tài)繼電器控制方案。在今后的研究中PID控制的功率輸出可以通過Labview中的計(jì)算算法來進(jìn)行處理，在不影響控制效果的情況下獲得一條更穩(wěn)定的輸出曲線，從而使功率輸出更接近于某個(gè)平均值，相比通斷控制更能直觀地看出功率輸出的大小。另外，本文中PID控制中的最佳比例控制Kp、積分控制Ti及微分控制Td系數(shù)是在常溫狀態(tài)下經(jīng)過多次試驗(yàn)，得到最佳的控制效果之后挑選出來的，在今后的研究中可以利用Labview軟件編程來實(shí)現(xiàn)Kp、Ti、Td的自動(dòng)選擇，這樣計(jì)算機(jī)可以在不同的環(huán)境條件下自動(dòng)挑選出最佳的控制系數(shù)來進(jìn)行溫度控制，省去了很多人工挑選時(shí)間，而且比人工選擇更全面更準(zhǔn)確。

暖體假人的發(fā)展比較迅速，并且非常具有實(shí)際意義，真實(shí)人體不可能完成的各項(xiàng)測(cè)試能由假人來代替完成。尤其是在近幾年，國(guó)內(nèi)的研究在某些領(lǐng)域已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。今后暖體假人的研究側(cè)重于：計(jì)算服裝的局部熱阻；模擬人體非均勻出汗的暖體假人以及如何更真實(shí)地模擬人體動(dòng)態(tài)各部位不同的溫度以及出汗情況等[8]。因此在完善控制系統(tǒng)后，就可以整體制作假人并進(jìn)行服裝熱阻的簡(jiǎn)單測(cè)試了，本文后期研究中已經(jīng)制作了一個(gè)簡(jiǎn)體假人，為今后進(jìn)行服裝熱阻測(cè)試奠定了基礎(chǔ)，其測(cè)試的精度要達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)則需進(jìn)一步的研究探索。

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Re s e a rc h on the The rm a l Ma nikin’s Te m pe ra ture Control Sys te m

ZOU Yue,LI Shu-zheng,LIU Yun
College of Environmental and Engineering,Donghua University

Thermal manikin is equipment simulating the heat and moisture exchange between the human body and the environment,which is important application of costume efficacy study.In order to find out the best program of the thermal manikin’s temperature control system,two program of the thermal manikin’s temperature control system are introduced,PID control and solid state relay make-and-break control,and Labview software and appropriate hardware devices are implemented on the thermal manikin surface temperature control,and the control effect of the two kinds of program are simply analyzed.It is found that PID control can be more effectively and automatically controlled temperature for thermal manikin.Finally,it also suggests improvement and optimization of PID control scheme to lay an important foundation for further research on this topic.

thermal manikin,temperature control,PID,solid state relay

1003-0344（2015）03-070-4

2013-12-9

鄒鉞（1969～），男，博士，副教授；上海市東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院（201620）；E-mail:lishuzhengtongxue@163.com