谢超超, 孙雨凡, 罗建文, 张永辉, 郑茂盛

(西北大学 化工学院, 陕西 西安 710069)



·化学与化学工程·

太阳能干燥装置的PID和双金属片控制对比分析

谢超超, 孙雨凡, 罗建文, 张永辉, 郑茂盛

(西北大学 化工学院, 陕西 西安 710069)

从控制精度、稳定性、抗干扰性和经济性等方面对比了用PID和双金属片温度控制的太阳能干燥装置的控制差异,分别进行了实际测试,并进行了对比分析。结果表明,PID智能控制的平均控温误差是1.8℃,温度波动为1.3%;双金属片温度控制(动作温度)的平均控温误差为8.0℃,温度波动为39.5%。PID控制的精度高,稳定性好,抗干扰能力强,但成本高,适用于精确控制;双金属片控制简单价廉,适用于控温精度要求低的场合。

太阳能干燥;温度控制;PID;双金属片;性能测试

太阳能干燥装置节能环保,减少常规能源消耗,且方便快捷,减少了风沙、灰尘、蝇虫带来的污染[1],保证农产品的卫生和优良品质,同时能缩短制作周期,创造经济效益。太阳能干燥装置由太阳能供气系统、热气供给系统组成,包括集热器、干燥箱、动力设备(鼓风机)、热气供给装置、连接管等。鼓风机将空气送入集热器,集热板将太阳能转化为热能并加热其内部空气。太阳能辐射能量不足时,热气供给装置启动,电加热器将空气加热到足够温度,并使其维持在可接受范围内,保证干燥箱内的温度稳定。

为解决在连续阴雨天气下太阳能的不稳定性问题,以及避免蓄热装置储热量不足的情况,太阳能系统通常需要设计温度控制系统和加入辅助热源。常见的温度控制有智能温控(PID控制)和非智能温控。非智能控制根据工作原理不同,分为压力式、变阻式、感温囊式[2]、和双金属片式温控器。

王胜利等人设计太阳能、热能互补型干燥器,并研制了以AT89C51单片机为核心的智能控制系统[3], 徐明娜提出在太阳能干燥控制中使用以PLC为核心的PID闭环控制方法,通过与PLC通信来调节变频器输出频率、风机转速和干燥箱温度[4]。张帆等人基于模糊控制理论设计了以LPC2210和DS18B20为核心的太阳能干燥温控系统，提高了控制精度与可靠性[5]。罗会龙等人设计并构建了一种空气热源泵辅助的太阳能干燥系统，实现系统稳定运行的同时降低了干燥能耗，有较大的节能潜力[6]。董继先等人设计了槽式太阳能与常规能源相结合为热源的大枣组合干燥装置，节能环保，降低成本[7]。李汴生等人研制了具有集热、贮能、辅助加热功能的小型全天候太阳能干燥机，提高了干燥效率[8]。双金属温度计可以直接测量、现场显示低温液化气体、液体蒸汽或气体温度，品种齐全，直观方便，安全可靠，使用寿命长，适用于现场的安装需要[9]，并且动作干脆、不拉弧，寿命长，性能稳定[10]，控温较准确、电气性能优良, 广泛应用于小家电 、电机 、整流设备和日用电器之中，主要用于调温 、控温及过热保护等[11]。

本文对比分析了PID和双金属片温度控制的太阳能干燥箱装置的控制行为,以期为其实际应用提供必要的技术支持。

1 控制原理

1.1 PID控制系统

传统PID控制算法广泛用于工业过程控制的各个领域,具有简单、稳定性好、可靠性高、实时性强等特点[12],在工业控制领域中占90%以上[13],它根据给定值与实际输出值的偏差,将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量来指挥执行器的通断,控制被控对象[14]。本文为太阳能干燥装置设计的PID温控系统,其实物图与内部结构图如图1所示,其组成构成部分有:智能数显温控器、双向高压可控硅与过零双向可控硅光耦、Pt100、辅助电加热器。

①智能数显温控仪；②双向高压可控硅与过零双向可控硅光耦；③Pt100；④电加热器图1 PID控制面板和内部实物图Fig.1 The appearance and structure of PID controller

本系统选择三线制的铂电阻Pt100为温度传感器,可消除测量误差并保证高检测精度和稳定性[15]。控制器选择型号为NG-5412-2的智能型数显温控器。因电阻加热的功率和耗电量大、对电阻丝的均匀度要求高[16],而对流易实现、效果好,且气体对流现象更明显,选择750W辅助电加热器进行对流传热。选择双向高压可控硅BTA16-1000C,通过其导通角的变化来改变电路中的有效功率。选择MOC3041光电耦合双向可控硅驱动器来有效抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰,隔离控制系统与外围接口,提高检测电路的抗干扰能力[15]。图2为PID闭环控制系统回路框图及各组成部分。

用Pt100检测干燥箱内温度,将测得的模拟量转换成电压信号后送入控制器,电压信号经A/D转换器后变为数字量,通过数字滤波显示在控制面板上。控制器通过PID计算偏差值的大小,改变双向可控硅控制周期内的通断占空比,间接改变加热平均功率,进而控制干燥箱内的温度。

图2 闭环控制回路Fig.2 Control circuit of closed loop

1.2 双金属片控制系统

双金属是由两层或两层以上具有不同膨胀系数的金属组元沿着层间接触面以原子键合的形式牢固结合在一起而形成的一种复合材料[17]。加热时主动层的形变大,达到预定温度时,主动层形变受限制,整体向被动层的方向弯曲,产生推力和位移后反向突跳,双金属片迅速动作,使触点分离,电路断开;冷却降温时双金属片快速恢复,触点闭合,电路自动闭合,从而达到控温目的。

双金属片温控器可对电路和电器进行保温、恒流、限流和过热保护，广泛应用于工业电路、电机、家用电器和汽车等领域[18]，按动作方式可分为慢动式、闪动式和突跳式3种。突跳式温控器是近年来新兴的温度控制器，由于控温精度高，结构简单[19]，本文选取双金属片式温控器中型号为KSD302的突跳式常闭型温控器。这是种定温温控器，常温状态下电路接通，温度上升(下降)时触点断开(接通)。

2 2种控制系统的效果对比

2种控制系统在控制精度、稳定性、抗干扰等方面有所区别,为此,设计了室内与室外实验进行验证。将集热器、干燥箱、CZR离心式鼓风机、LX-101B数字式照度计、水银温度计、XMTD-3002 Cu50电子温控仪、K型热电偶和PID控制装置按图3放置。

图3 太阳能干燥装置结构图Fig.3 The structure picture of solar dryer

进行实验测试PID系统时,太阳能供给的热气下口进上口出,并进行热气循环。将温度分别设定为70℃，65℃，60℃,用K型热电偶、Pt100测量干燥箱内温度,用Cu50测量集热器上方出口的温度。启动装置后每隔1min记录一次仪表温度,每20min一组。测试双金属片系统时,由于集热器供给的热气足以使干燥箱内温度始终维持在37.5℃以上,故选出厂温度为55℃的KSD302控温器与K型热电偶放在同一位置,测量晴天、多云和阴天时干燥箱内的温度。由于晴天和多云时温度均高于控制温度,集热器完全提供热量,温控装置无反应,阴天时控制系统工作,将阴天所测数据整理并得图4与表1。

表1 PID系统在3种设定温度下K热电偶的温度

Tab.1 The temperature of K-type thermocouple in PID systems at 3 setting temperatures

℃

2.1 控制精度

PID系统采用了三线制的铂电阻Pt100,可消除测量误差,并保证高检测精度。同时,智能温控仪表能及时通过PID算法调整双向可控硅的通断占空比,间接改变加热平均功率来保证控温精度。双金属片系统中,温度上升时的突跳温度要高于在温度下降时的突跳温度,形成动作温差(平均动断温差14.5℃)。温度参照点设置在周围环境,温度在碟片上的滞后效应会引起突跳温度分离[20],影响其控温的准确度。从表1得出,PID系统的平均控温误差为1.8℃。图4(d)显示,双金属片系统实验的平均控温误差为8℃。经对比,双金属片有一定的控制作用,但PID控制精度更高、效果更好。

2.2 控制系统的稳定性

由图4,PID系统中的温度在设定值很小范围内波动,温度变化曲线平稳。由表1可知温度在设定值0～3℃内小幅波动,波动率为1.3%;双金属片系统的温度波动大,温度变化曲线振荡。由图4(d),温度在42.1℃～62.9℃波动,波动率为39.5%。经对比,PID控制的温度波动小,系统稳定性更好。

2.3 抗干扰能力

PID系统中设置有光电耦合双向可控硅驱动器,其内部有过零检测器,能保证当电源电压过零时,负载端才导通且波形完整,可以有效地抑制尖锋脉冲及各种噪声干扰,提高信噪比,隔离控制系统与外围接口,保证了低噪声和低浪涌电流过流负载,提高了检测电路的抗干扰能力。而双金属片系统没有相关的设计,PID系统的抗干扰能力更强。

3 两种控制系统的维修保养与经济性能比较

两种控制系统在维护保养和经济性能方面也存在差异。

双金属片系统中,KSD302仅作为温度开关,其断开温度固定不可调,使用时需根据要求更换不同出厂温度的温控器[17],且使用过程中易损坏、需常更换,但价格低廉、操作便捷、安装方便、更换容易、便于推广。因精确性不如PID智能控制系统,在许多不需要精确控温或只作为超温报警及断电场合有广泛应用,也常与热熔断器串接使用,作为各种电热产品所需的过热一级保护以防烧坏电热元件与火灾事故[21]。

PID温控系统的控温精度高,效果好,使用寿命长,不易损坏。但维修麻烦,且价格相对双金属片较高,适用于精确温控的工况。

4 结 语

通过对PID控温系统和双金属片控温系统的工作原理、控制效果及维护保养、经济性能等方面对比分析可见,两种控制系统都具有一定的控制效果,但从控制精度、系统稳定性和抗干扰等方面看,PID控制系统的控制效果更好、系统更稳定、抗干扰能力强。在实际生产中,PID控温系统适用于精度较高的工况,双金属片适用于不需精确控温的工况。

[1] 张谦，过利敏.太阳能干燥技术在我国果蔬干制中的应用[J].新疆农业科学，2011，48(12)：2331-2336.

[2] 孔正宏. 常用温度控制器[N].电子报，2009-12-20(14).

[3] 王胜利，付立思，徐昕，等.基于单片机的太阳能干燥器的智能控制[J].工业控制与应用，2004，23(10):39-41.

[4] 徐明娜.基于PLC的苜蓿太阳能干燥控制系统的研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2009.

[5] 张帆，钱珊珠，常亮.基于LPC2210的太阳能干燥控制系统[J].内蒙古农业大学学报，2010，31(3)：231-235.

[6] 罗会龙，彭金辉，张利波，等.空气源热泵辅助供热太阳能干燥系统性能研究[J].太阳能学报，2012,33(6)：963-967.

[7] 董继先，李敏敏，饶嘉琪.大枣太阳能组合干燥装置的设计[J].农机化研究，2014,36(3)：229-233；238.

[8] 李汴生，申晓曦，刘伟涛，等.小型全天候太阳能干燥机的设计与应用[J].农业工程学报，2011,27(5)：336-341.

[9] 冯思思.浅析双金属温度计的特点及其检定方法[J].中国石油与化工标准与质量，2016，36(10)：34-35.

[10] 蔡雄略.家用电器中机械式温度控制器探究[J].科技创业，2012，25(8)：179-181.

[11] 梁仲华.双金属片温控器种类及特性[N].电子报，2004-09-26(6).

[12] 朱建公，张俊俊.变参数PID控制器设计[J].西北大学学报(自然科学版)，2003，33(4)：397-400.

[13] 文定都.Fuzzy-Dahlin 智能控制及其在电加热炉温度控制中的应用[D].长沙：中南大学，2007.

[14] 樊国平.智能PID控制系统的设计与研究[D].杭州：浙江工业大学，2005.

[15] 王海宁.基于单片机的温度控制系统的研究[D].合肥：合肥工业大学，2008.

[16] 刘浩.电加热温度控制系统设计与实验研究[D].杭州：中国计量学院，2013.

[17] 秦锋.连续式固相复合双金属及其应用[J].西安邮电学院学报，2011，16(4)：78-81.

[18] 朱保全.蝶形双金属片受热变形分析[J].电站系统工程，2010，26(3):28+31.

[19] 陈文华，朱旭洋，陈晓英，等.突跳式温控器的失效分析[J].工程设计学报，2013,20(4)：287-292.

[20] 高福勇.突跳式温控器[N].电子报，2010-04-11(14).

[21] 艾清平.纯电阻加热的常用温控方法综述[J].科技与企业，2015(11)：229-230.

(编 辑 陈镱文)

The comparative analysis of PID and bimetallic strip controlled solar dryer

XIE Chaochao, SUN Yufan, LUO Jianwen, ZHANG Yonghui, ZHENG Maosheng

(College of Chemical Engineering, Northwest University, Xi′an 710069， China)

The PID and bimetallic strip controlled solar dryer were compared in terms of control accuracy, stability, resistance to disturbance and economic performance, and the practical tests were conducted separately and some comparative analyses were made. The results showed that: in PID control, the control temperature′s average error is 1.8℃, the temperature′s fluctuation ratio is 1.3%. In bimetallic system, the control temperature′s average error (operating temperature)is 8.0℃, the temperature′s fluctuation ratios is 39.5%. The results show that PID control has good control accuracy, stability, resistance, high cost and suits for precise temperature control. Bimetallic control is easy and cheap, which is suitable for the occasions of low accuracy requirement.

solar energy drying; temperature control; PID; bimetallic strips; property test and analysis

2016-09-14

陕西省工业攻关基金资助项目(2016GY-155)

谢超超，女，湖南衡阳人，从事能源技术与材料研究。

TK511

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-06-011