热流计校准装置自适应温度控制方法研究

　　1 引言

　　标定或校准热流传感器需要建立稳定的一维热流场，其热流密度的数值要能够准确给出，也就是说需要一个标准热流发生器。根据测定热流密度的方式，标定方法分成绝对法和比较法两大类。绝对校准法最常用的是保护热板法。保护热板法是国际上最通用的测量绝热材料导热系数的标准方法之一。美、英、德等国家都制订有保护热板法测量绝热材料导热系数的国家标准，我国也制订了保护热板法的标准。保护热板法是基于无限大平板的单向稳定传热原理，根据傅里叶定律可以计算出通过平板的热流密度。因此保护热板式导热仪可以作为标定热流传感器用的标准热流发生器。

　　用比较法标定热流测头也与用比较法测定绝热材料的导热系数相似。把待标定的热流测头与标准试件放在表面温度保持均匀的热板和冷板之间。通过标准试样的导热系数、厚度和热板与冷板温差推导出热流密度值。本文就是采用比较法对热流计进行热流计校准[1]。当试样的材料确定后，导热系数 λ 和厚度 δ是已知值。通常情况下，通过采用恒温冷却水套，可以得到一个稳定的冷板温度值 t2。所以热流计校准关键在于热板温度控制 t1。

　　在大多数温控领域，比较成熟的控制算法是PID 算法，PID 控制中的一个关键问题是 PID 参数的整定。在实际的温度控制系统中，控制过程机理复杂，具有时变、非线性、不稳定性和纯滞后等特点，又加之外界干扰等原因，找到一组适合整个温度范围的 PID 参数有一定难度[2]。模糊控制器可以补偿系统中非线性因素的影响，获得良好的动态特性，但是静态误差难以消除，因此把模糊控制引入到常规 PID 控制中，使用自适应模糊PID 控制可以使系统获得良好的动态特性和静态特性[3]。BP 网络具有很好的逼近非线性映射的能力，可通过自身的学习过程了解复杂系统的结构、不确定性和非线性，并给出更适合系统的控制规律。

　　2 仪器装置及模型

　　2.1 热流计校准装置

　　热流计校准装置如图 1 所示，为了减少侧面热流损失，我们热流计校准装置放到一个密封的装置中，并通过数据采集卡采集温度信息，然后由计算机进行处理及显示，并通过可控硅实现对主加热器算法控制。

　　因为校准装置是在密封的装置中，这样我们可以认为热板和冷板之间有稳定的一维热流，根据傅里叶定律，通过试样的的热流密度为:

　　2.2 热板温升数学模型

　　设热板被加热时，在 dt 微小时间段内温度的微小变化量为 dT，电热丝提供的热量为 Q，需要给热板累积的热量为 Q1，热板和空气对流损失的热量为 Q2，则: