專利名稱：多功能熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)斷電采集溫度的測(cè)量采樣方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及溫度測(cè)量采集方式，特別涉及一種利用每周期可控硅導(dǎo)通前約20°相 位角的短暫周期來斷電采集溫度的非常規(guī)測(cè)量采樣方法。
背景技術(shù)：
多功能熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)(專利號(hào)為021327858)的加熱系統(tǒng)利用焊接在試樣表面 的熱電偶測(cè)量試樣的實(shí)際溫度，作為控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)，其準(zhǔn)確性是高精度控制的前提 和基礎(chǔ)。將熱電偶的微弱電壓變化信號(hào)通過溫度變送器變換成溫度信號(hào)后與設(shè)定溫度相比 較，經(jīng)過控制算法后從PXI高速模擬量輸出通道輸出電壓信號(hào)，控制可控硅的觸發(fā)角，從而 控制試樣兩端的電壓值，進(jìn)而導(dǎo)致試樣發(fā)熱；同時(shí)流過試樣兩端夾頭的冷卻水將帶走熱量， 當(dāng)試樣兩端的電壓升高產(chǎn)生的熱量大于冷卻水流動(dòng)帶走的熱量時(shí)，試樣的溫度就升高，當(dāng) 二者相等時(shí)，試樣的溫度就保持不變，反之試樣的溫度就會(huì)下降。 由于在直接電阻加熱試樣時(shí)，有上萬安培的交流電流過試樣，這樣將在試樣及其 周圍空間形成相當(dāng)強(qiáng)的電磁場(chǎng)，這種強(qiáng)磁場(chǎng)在熱電偶回路及測(cè)試儀器中產(chǎn)生的干擾信號(hào)非 常大，能夠產(chǎn)生干擾測(cè)溫?zé)犭娕嫉碾娢徊钸_(dá)0.01 0. 1V，嚴(yán)重影響溫度的測(cè)量精度，導(dǎo)致溫 度控制精度差，不能測(cè)量到正確的溫度信號(hào)。
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種克服試樣及其周圍空間形成強(qiáng)電磁場(chǎng) 所造成的溫度信號(hào)干擾，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量和采集溫度的多功能熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)斷電采集溫度 的測(cè)量采樣方法。 斷電采集溫度的測(cè)量采樣方法。 本發(fā)明裝置包括計(jì)算機(jī)控制器、溫度變送器、熱電偶、操作箱、加熱變壓器、可控 硅、導(dǎo)電銅排、電加熱板、弧型銅排、導(dǎo)電裝置，它們與I軸、夾具系統(tǒng)、試樣及II軸共同構(gòu)成 一個(gè)導(dǎo)電回路，對(duì)試樣進(jìn)行控制加熱。本發(fā)明裝置在多功能熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。
計(jì)算機(jī)控制器作為下位計(jì)算機(jī)，分別與另一臺(tái)作為上位機(jī)的計(jì)算機(jī)和熱力模擬實(shí) 驗(yàn)機(jī)相連，在計(jì)算機(jī)控制器中，嵌入溫度加熱控制模塊和PID控制模塊。在試樣中心點(diǎn)焊熱 電偶，在熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)的操作箱內(nèi)安裝試樣，并將熱電偶連接到溫度采集通道。
其中，計(jì)算機(jī)控制器中嵌入的溫度加熱控制模塊，按如下方法執(zhí)行
步驟1 :初始化上位計(jì)算機(jī)，輸入溫度設(shè)定參數(shù)； 步驟2 :利用熱電偶采集試樣的實(shí)際溫度，并將結(jié)果傳至計(jì)算機(jī)控制器； 步驟3 :計(jì)算機(jī)控制器的PID控制模塊對(duì)步驟2得到的每個(gè)控制周期的實(shí)測(cè)溫度
與溫度設(shè)定值進(jìn)行運(yùn)算，并將運(yùn)算出的電壓數(shù)據(jù)輸出給可控硅； 步驟4 :可控硅根據(jù)步驟3的電壓數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)觸發(fā)角，控制加熱變壓器的電壓輸出 值，并控制試樣兩端的電壓值，利用每周期可控硅導(dǎo)通前20。相位角的短暫周期來斷電采 集溫度值，其中，采集溫度值即實(shí)測(cè)溫度值須滿足落在可控硅20°觸發(fā)角的采集區(qū)內(nèi)，判斷作差，若絕對(duì)值大于5t:，則采集點(diǎn)落在可控硅2(r觸發(fā)角
的采集區(qū)外，對(duì)接下來n+2次周期的采集信號(hào)的觸發(fā)時(shí)間重置，公式如下 其中，t表示采樣溫度，n表示周期。
調(diào)整方法如下 步驟4-1-1 :棄用第n+l次周期的實(shí)測(cè)溫度tn+1 ; 步驟4-1-2 :將第n次周期的實(shí)測(cè)溫度tn作為第n+l次周期的實(shí)測(cè)溫度，反饋給計(jì) 算機(jī)控制器； 步驟4-1-3 :將第n+2次周期的實(shí)測(cè)溫度作為第n+2次周期的反饋溫度信號(hào)輸出 給計(jì)算機(jī)控制器； 步驟4所述的觸發(fā)時(shí)間重置，當(dāng)重置次數(shù)增多后，采集信號(hào)周期與控制信號(hào)周期 不匹配，調(diào)整的方法如下 假定在第k次周期時(shí)，經(jīng)過m次觸發(fā)時(shí)間重置，且第m次觸發(fā)重置發(fā)生在第k次周 期，確定每次觸發(fā)時(shí)間重置后與重置前的時(shí)間差A(yù)1\， AT2，…，ATm，則第k次周期時(shí)總的 時(shí)間差為 E ATk= A I\+A T2+... + A Tm (2) 步驟4-2-1 :當(dāng)S:A7;〉10-i時(shí)，重置后的采集點(diǎn)向右移動(dòng)并"溢出"了當(dāng)前周期，
落入第k+i周期區(qū)域，該采集點(diǎn)與控制周期不匹配，將該采集點(diǎn)所采集的溫度值tk作為下
一周期的實(shí)測(cè)值tw，反饋給計(jì)算機(jī)控制器；本周期的實(shí)測(cè)值，采用向上推兩個(gè)周期的實(shí)測(cè) 值，即第k_2次周期實(shí)測(cè)值為tk—2， tk—2被第k_2次、k-1次和k周期重復(fù)應(yīng)用三次； 步驟4-2-2 :當(dāng)2>7; < -4時(shí)，重置后的采集點(diǎn)向左移動(dòng)并"溢出"了當(dāng)前周期，落
入前一周期區(qū)域即第k-i周期，將該采集點(diǎn)所采集的溫度值tk棄用，將下一周期的實(shí)測(cè)值 tk+1作為本周期的實(shí)測(cè)值反饋給計(jì)算機(jī)控制器，以后周期類推。 有益效果本發(fā)明方法利用每周期可控硅導(dǎo)通前20。相位角的短暫周期來斷電 采集溫度值，克服了交流電產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)所帶來的干擾信號(hào)，使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確，保證溫度 控制的精度。
圖1為多功能熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)加熱及冷卻系統(tǒng)示意圖；
圖2為溫度觸發(fā)采集原理圖；
圖3為同步電壓獲取示意圖；
圖4為溫度加熱控制模塊流程圖； 圖2中，1-水站；2-過濾器；3-單向截流閥；4_增壓缸；5_電磁開關(guān)閥；6_數(shù)控開 關(guān)閥；7-流量計(jì)；8_加熱變壓器；9_可控硅；10-操作箱；11_試樣；12_熱電偶；13_11軸； 14-1軸；15-環(huán)型淬火噴射器；16-水氣混合器；17-導(dǎo)電銅排；18-溫度變送器；19-計(jì)算機(jī) 控制器；20-水流指示器；21-上位計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。 圖1為多功能熱力模擬試驗(yàn)加熱及冷卻系統(tǒng)示意圖，核心硬件如下在計(jì)算機(jī)控 制器19中，嵌入溫度加熱控制模塊和PID控制模塊，在需要進(jìn)行試驗(yàn)的試樣11中心點(diǎn)焊接 熱電偶12，在熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)的操作箱10內(nèi)安裝試樣ll，并將熱電偶12連接到相應(yīng)的溫 斷電采集溫度的測(cè)量采樣方法包括如下步驟 步驟1 :初始化上位計(jì)算機(jī)，由操作者在上位計(jì)算機(jī)輸入加熱過程參數(shù)，包括"時(shí)
間"、"溫度"和"采樣速率"，確認(rèn)無誤后，將這些參數(shù)下載到計(jì)算機(jī)控制器19中； 步驟2 :按下操作柜按鈕，計(jì)算機(jī)控制器19發(fā)出命令，利用熱電偶12采集試樣11
實(shí)際溫度值，第一次溫度的觸發(fā)采集時(shí)刻和重置的觸發(fā)采集時(shí)刻都是根據(jù)同步變壓器產(chǎn)生
一個(gè)主回路的同步電壓信號(hào)來確定的，如圖3所示，同步電壓的獲取是通過在加熱變壓器
的下面接一個(gè)比較小的同步變壓器，讓此變壓器的原側(cè)和加熱變壓器的原側(cè)接在一起來實(shí)
現(xiàn)； 步驟3 :計(jì)算機(jī)控制器19中的PID模塊對(duì)步驟2采集到的試樣實(shí)測(cè)溫度與溫度設(shè) 定值進(jìn)行運(yùn)算，并將運(yùn)算出的電壓數(shù)據(jù)輸出給可控硅9 ; 步驟4 :可控硅9利用電壓數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)觸發(fā)角，控制加熱變壓器8的電壓輸出值，并 控制試樣11兩端的電壓值，利用每周期可控硅9導(dǎo)通前20。相位角的短暫周期斷電采集溫 溫度觸發(fā)采集原理如圖2所示。交流電工頻為50Hz，周期為20ms，在經(jīng)過可控硅
整流觸發(fā)后，將正弦交流電變?yōu)槊}動(dòng)直流電(正半周)，使周期變?yōu)?0ms。 假設(shè)交流電始終向右運(yùn)動(dòng)，每次向前波動(dòng)1Hz，采樣周期為10ms，第一次采集溫度
值在可控硅觸發(fā)角為IO。時(shí)開始。由此可計(jì)算出20。觸發(fā)角所占用的時(shí)間為
180° 9
觸發(fā)角為IO。時(shí)所占用的時(shí)間就等于
^ + 2 = ^ms (4) 9 9
向前波動(dòng)1Hz變換成時(shí)間就是
丄xl0".2ms (5) 50
當(dāng)采集次數(shù)為* + 0.2 3次時(shí)，采集點(diǎn)有可能超出設(shè)定的20°采集區(qū)之外。交流電
的頻率變化是不規(guī)則的，可能前一個(gè)周期向前運(yùn)動(dòng)，而后一個(gè)周期向后運(yùn)動(dòng)，這樣其作用可 以相互抵消，所以在實(shí)際采集時(shí)，至少要經(jīng)過成百上千次采集之后，其采集點(diǎn)才會(huì)落在采集 區(qū)之外。為保證溫度控制的精度，必須知道采集點(diǎn)是否落在斷電區(qū)域外，判斷的方法為根 據(jù)前兩個(gè)周期實(shí)測(cè)溫度值和根據(jù)具體試驗(yàn)的加熱規(guī)律對(duì)下一個(gè)周期的溫度值進(jìn)行預(yù)測(cè)，將 預(yù)測(cè)溫度值與實(shí)測(cè)溫度值進(jìn)行比較，當(dāng)其差值大于一定的偏差(AT = 5°C )時(shí)，采集點(diǎn)可能 落在了斷電區(qū)域外，必須在接下來的一個(gè)周期(即第n+2次周期)將采集信號(hào)觸發(fā)時(shí)間重
6新設(shè)置為 r = r +1+^ms (i) 其中，Tn+1為第n+2次周期可控硅觸發(fā)角為0°時(shí)的時(shí)刻值。 這時(shí)，第n+1周期實(shí)際測(cè)量的溫度tn+1由于可能是偽信號(hào)而棄用，用第n周期的 實(shí)測(cè)溫度tn作為第n+1周期實(shí)測(cè)溫度反饋給控制系統(tǒng)，即令tn+1 = tn。而第n+2周期實(shí)測(cè) 的溫度，由于已經(jīng)進(jìn)行了觸發(fā)時(shí)間重置，可以作為正常本周期的反饋溫度信號(hào)給控制系統(tǒng)。 然而，這種采集信號(hào)觸發(fā)時(shí)間的重置，會(huì)帶來控制系統(tǒng)的另一個(gè)問題重置次數(shù)增多后，采 集信號(hào)周期與控制周期不匹配，采集信號(hào)已經(jīng)不是與某控制周期所對(duì)應(yīng)的周期內(nèi)的采集信 號(hào)，發(fā)生了"溢出"，解決方法如下 假定在第k次周期時(shí)，經(jīng)過了 m次觸發(fā)時(shí)間重置，并且第m次觸發(fā)重置發(fā)生在第k 次周期，計(jì)算出每次的觸發(fā)時(shí)間重置后與重置前的時(shí)間差A(yù)T" AT2，， ATm。則第k次 周期時(shí)總的時(shí)間差為 E ATk= A I\+A T2+... + A Tm (2)
分兩種情況進(jìn)行分析。
(i)當(dāng)i:a7; >io-i時(shí)，重置后的采集點(diǎn)向右移動(dòng)并"溢出"了當(dāng)前周期，落入了第
k+l周期區(qū)域，該采集點(diǎn)與控制周期不匹配，需要進(jìn)行處理。處理的原則為將該采集點(diǎn)所 采集的溫度值tk作為下一周期的實(shí)測(cè)值tk+1反饋給控制系統(tǒng)(即令tk+1 = tk)，以后周期類 推；而本周期的實(shí)測(cè)值(反饋值)采用往上推兩個(gè)周期的實(shí)測(cè)值，即第k-2周期實(shí)測(cè)值tk—2， 也就是說，tk—2被第k_2、 k-1和k周期重復(fù)應(yīng)用三次。(2)當(dāng)i:at; <-|時(shí)，重置后的采集點(diǎn)向左移動(dòng)并"溢出"了當(dāng)前周期，落入了前一
周期區(qū)域即第k-l周期，也就是說，該重置后的采集時(shí)刻超前到已經(jīng)過去的上一周期之內(nèi)，
該與控制周期不匹配，需要進(jìn)行處理。處理的原則為將該采集點(diǎn)所采集的溫度值tk棄用，
將下一周期的實(shí)測(cè)值tk+1作為本周期的實(shí)測(cè)值反饋給控制系統(tǒng)，以后周期類推。 步驟4中所述的每周期可控硅9導(dǎo)通前20°相位角的短暫周期斷電采集溫度值，
在計(jì)算機(jī)控制器的溫度加熱控制模塊中實(shí)現(xiàn)，具體流程如圖4所示，其中各參數(shù)的定義如
下 tn為本周期的實(shí)際溫度；tn+1為下一周期的實(shí)際溫度；^為根據(jù)加熱制度預(yù)測(cè)的 下一周期的目標(biāo)溫度；tn+2為下兩個(gè)周期的實(shí)際溫度；tn+3為下三個(gè)周期的實(shí)際溫度；ATk 為第k次周期時(shí)觸發(fā)時(shí)間重置后與重置前的時(shí)間差；E A Tk為第k次周期時(shí)，經(jīng)過m次觸 發(fā)重置后總的時(shí)間差。
權(quán)利要求
多功能熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)斷電采集溫度的測(cè)量采樣方法，其特征在于包括計(jì)算機(jī)控制器、熱電偶、可控硅和試樣，計(jì)算機(jī)控制器作為下位機(jī)，與熱力模擬試驗(yàn)機(jī)相連，在計(jì)算機(jī)控制器中，嵌入溫度加熱控制模塊和PID控制模塊，在試樣中心點(diǎn)焊熱電偶，在熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)的操作箱內(nèi)安裝試樣，并將熱電偶連接到操作箱內(nèi)的溫度采集通道上；多功能熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)斷電采集溫度的測(cè)量采樣方法包括如下步驟步驟1初始化上位計(jì)算機(jī)，輸入溫度設(shè)定參數(shù)；步驟2利用熱電偶采集試樣的實(shí)際溫度，并將結(jié)果傳至計(jì)算機(jī)控制器；步驟3計(jì)算機(jī)控制器的PID控制模塊對(duì)步驟2得到的每個(gè)控制周期的實(shí)測(cè)溫度與溫度設(shè)定值進(jìn)行運(yùn)算，并將運(yùn)算出的電壓數(shù)據(jù)輸出給可控硅；步驟4可控硅根據(jù)步驟3的電壓數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)觸發(fā)角，控制加熱變壓器的電壓輸出值，并控制試樣兩端的電壓值，利用每周期可控硅導(dǎo)通前20°相位角的短暫周期來斷電采集溫度值，其中，采集溫度值即實(shí)測(cè)溫度值須滿足落在可控硅20°觸發(fā)角的采集區(qū)內(nèi)，判斷方法為溫度設(shè)定值與實(shí)測(cè)溫度作差，若絕對(duì)值大于5°，則采集點(diǎn)落在可控硅20°觸發(fā)角的采集區(qū)外，對(duì)接下來n+2次周期的采集信號(hào)的觸發(fā)時(shí)間重新設(shè)置，公式如下 <mrow><mi>t</mi><mo>=</mo><msub> <mi>t</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>+</mo><mfrac> <mn>5</mn> <mn>9</mn></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，t表示采樣溫度，n表示周期；調(diào)整方法如下步驟4-1-1棄用第n+1次周期的實(shí)測(cè)溫度tn+1；步驟4-1-2將第n次周期的實(shí)測(cè)溫度tn作為第n+1次周期的實(shí)測(cè)溫度，反饋給計(jì)算機(jī)控制器；步驟4-1-3將第n+2次周期的實(shí)測(cè)溫度作為第n+2次周期的反饋溫度信號(hào)輸出給計(jì)算機(jī)控制器；步驟4所述的觸發(fā)時(shí)間重置，假定在第k次周期時(shí)，經(jīng)過m次觸發(fā)時(shí)間重置，且第m次觸發(fā)重置發(fā)生在第k次周期，確定每次觸發(fā)時(shí)間重置后與重置前的時(shí)間差ΔT1，ΔT2，…，ΔTm，則第k次周期時(shí)總的時(shí)間差為∑ΔTk＝ΔT1+ΔT2+…+ΔTm(2)步驟4-2-1當(dāng) <mrow><mi>ΣΔ</mi><msub> <mi>T</mi> <mi>k</mi></msub><mo>></mo><mn>10</mn><mo>-</mo><mfrac> <mn>5</mn> <mn>9</mn></mfrac> </mrow>時(shí)，重置后的采集點(diǎn)向右移動(dòng)并“溢出”了當(dāng)前周期，落入第k+1周期區(qū)域，該采集點(diǎn)與控制周期不匹配，將該采集點(diǎn)所采集的溫度值tk作為下一周期的實(shí)測(cè)值tk+1，反饋給計(jì)算機(jī)控制器；本周期的實(shí)測(cè)值，采用向上推兩個(gè)周期的實(shí)測(cè)值，即第k-2次周期實(shí)測(cè)值為tk-2，tk-2被第k-2次、k-1次和k周期重復(fù)應(yīng)用三次；步驟4-2-2當(dāng) <mrow><mi>ΣΔ</mi><msub> <mi>T</mi> <mi>k</mi></msub><mo><</mo><mo>-</mo><mfrac> <mn>5</mn> <mn>9</mn></mfrac> </mrow>時(shí)，重置后的采集點(diǎn)向左移動(dòng)并“溢出”了當(dāng)前周期，落入前一周期區(qū)域即第k-1周期，將該采集點(diǎn)所采集的溫度值tk棄用，將下一周期的實(shí)測(cè)值tk+1作為本周期的實(shí)測(cè)值反饋給計(jì)算機(jī)控制器，以后周期類推。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能熱力模擬試驗(yàn)機(jī)斷電采集溫度的測(cè)量采樣方法，其特征在于步驟4中所述的可控硅的觸發(fā)角，應(yīng)滿足不小于20。；在實(shí)際控制中，若可控硅的觸發(fā)角大于2(T ，則滿足斷電采集溫度的要求，若可控硅的觸發(fā)角小于2(T ，則要強(qiáng)制將可控硅的觸發(fā)角調(diào)至2(T
全文摘要
多功能熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)斷電采集溫度的測(cè)量采樣方法，涉及溫度測(cè)量采集方式。計(jì)算機(jī)控制器作為下位機(jī)，與熱力模擬試驗(yàn)機(jī)相連，在計(jì)算機(jī)控制器中，嵌入溫度加熱控制模塊和PID控制模塊，試樣中心點(diǎn)焊有熱電偶，在熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)的操作箱內(nèi)安裝試樣，并將熱電偶連接到操作箱內(nèi)的溫度采集通道上。測(cè)量采樣方法為輸入溫度參數(shù)；采集試樣的實(shí)際溫度；對(duì)實(shí)測(cè)溫度與溫度設(shè)定值進(jìn)行PID運(yùn)算，將結(jié)果輸出給可控硅；可控硅調(diào)節(jié)觸發(fā)角，進(jìn)而控制試樣兩端的電壓值。本發(fā)明方法利用每周期可控硅導(dǎo)通前20°相位角的短暫周期來斷電采集溫度值，克服了交流電產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)所帶來的干擾信號(hào)，使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確，保證溫度控制的精度。
文檔編號(hào)G05D23/22GK101770244SQ200910220269
公開日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2009年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月30日
發(fā)明者馮瑩瑩, 張殿華, 王國(guó)棟, 蘇海龍, 駱宗安 申請(qǐng)人:東北大學(xué)