气候环境温湿组合试验箱温度控制原理解析

温度传感器

• 温度传感器是温度控制系统的感知部件，常用的有热电偶和热电阻传感器。热电偶基于热电效应，当两种不同金属的连接点处于不同温度时会产生电动势，其电动势大小与温度差成正比。热电阻则是利用金属或半导体材料的电阻值随温度变化的特性，如铂电阻，在一定温度范围内电阻值与温度具有良好的线性关系。这些传感器分布在试验箱内的关键位置，实时监测箱内温度，并将温度信号转换为电信号传输给控制器。

控制器

• 控制器是温度控制系统的核心大脑，通常采用可编程逻辑控制器（PLC）或微电脑控制器。它接收来自温度传感器的电信号，与设定的目标温度值进行比较，根据偏差值运用特定的控制算法计算出控制信号。控制器具备数据处理能力，能够存储和分析温度数据，还可以通过人机界面（HMI）与用户进行交互，方便用户设置温度参数、查看温度曲线和系统状态等信息。

加热装置

• 加热装置用于升高试验箱内的温度。常见的加热方式有电阻丝加热和红外加热。电阻丝加热是通过电流流过电阻丝，电阻丝产生热量，热量通过热传导和热辐射传递到箱内空气和试件。红外加热则是利用红外线的热效应，使物体吸收红外线能量而升温。加热装置的功率大小根据试验箱的容积和所需的升温速率等因素确定，并且由控制器控制其通断或功率调节，以实现精确的温度控制。

制冷装置

• 制冷装置负责降低试验箱内的温度。一般采用压缩机制冷循环系统，主要由压缩机、冷凝器、蒸发器和节流装置组成。压缩机将制冷剂气体压缩成高温高压气体，然后进入冷凝器，在冷凝器中通过散热将热量释放给外界环境，制冷剂气体冷凝成高压液体。高压液体经过节流装置降压后进入蒸发器，在蒸发器中制冷剂液体迅速蒸发吸收热量，使箱内空气温度降低。制冷装置的制冷量可以通过调节压缩机的转速、制冷剂的流量等方式进行控制，同样由控制器根据温度需求进行调节。

温度设定与初始化

• 用户通过人机界面在控制器上设定所需的目标温度值，同时可以设置温度控制的相关参数，如温度波动范围、升温速率、降温速率等。控制器在接收到设定值后，首先对系统进行初始化，检查加热装置、制冷装置、温度传感器等部件的工作状态是否正常，若有异常则发出警报提示用户进行处理。

温度采集与比较

• 温度传感器实时采集试验箱内的温度数据，并将其传输给控制器。控制器将采集到的实际温度值与设定的目标温度值进行比较，计算出温度偏差值。如果实际温度低于目标温度，控制器将启动加热装置；如果实际温度高于目标温度，控制器将启动制冷装置。

控制信号输出与执行

• 根据温度偏差值和预设的控制算法，控制器计算出控制信号并输出给加热装置或制冷装置。对于加热装置，控制器可以控制加热丝的通电时间或调节加热功率的大小，以实现合适的加热速率。对于制冷装置，控制器可以控制压缩机的启停、调节制冷剂的流量或改变风机的转速，来调整制冷量和箱内空气的循环速度，从而使箱内温度逐渐趋近目标温度。

温度稳定与动态调整

• 当箱内温度接近目标温度时，控制器会根据温度偏差的大小和变化趋势，逐渐减小加热或制冷装置的输出功率，以避免温度超调。在温度稳定阶段，控制器持续监测温度变化，一旦温度出现波动超出设定的波动范围，控制器会立即调整加热或制冷装置的运行状态，使温度重新回到稳定状态。同时，控制器还会根据试验箱的热负荷变化情况（如试件的发热或吸热、箱门的开闭等）动态调整加热或制冷功率，以维持稳定的目标温度环境。

比例控制（P 控制）

• 比例控制是最基本的控制算法，其控制输出与温度偏差成正比。当温度偏差较大时，控制器输出较大的控制信号，使加热或制冷装置快速工作以改变箱内温度。但是，比例控制存在稳态误差，即当温度接近目标温度时，由于控制输出与偏差成比例，可能无法完消除偏差，导致温度稳定在略高于或低于目标温度的某一值。

比例积分控制（PI 控制）

• 为了克服比例控制的稳态误差，引入积分控制。积分控制的输出与偏差的积分成正比，它能够对过去一段时间内的偏差进行累积计算。随着时间的推移，积分项会逐渐增大，即使偏差较小，也能产生足够的控制输出，从而消除稳态误差。PI 控制结合了比例控制的快速响应和积分控制的无稳态误差特性，在温度控制中得到广泛应用。

比例积分微分控制（PID 控制）

• 微分控制的输出与温度偏差的变化率成正比。当温度变化较快时，微分控制能够根据偏差变化率提前预测温度的变化趋势，及时调整控制输出，抑制温度的快速波动，提高系统的动态响应性能。PID 控制综合了比例、积分和微分三种控制作用，能够在不同的温度控制阶段发挥优势，实现快速、准确且稳定的温度控制。控制器可以根据试验箱的特性和实际控制效果，调整 PID 控制算法中的比例系数（P）、积分时间（I）和微分时间（D）等参数，以达到最佳的温度控制性能。

合理的风道设计

• 试验箱内的风道系统对温度均匀性起着关键作用。通过精心设计风道的形状、尺寸和布局，使箱内空气能够形成良好的循环流动。例如，采用强制对流方式，利用风机将加热或制冷后的空气均匀地分布到箱内各个角落。在风道中设置导流板、分流器等部件，引导空气按照预定的路径流动，减少空气流动的死角和涡流，确保箱内温度均匀分布。

风机的优化选择与控制

• 风机的性能直接影响箱内空气的循环效果。选择合适风量、风压和转速的风机，能够保证空气在箱内快速、均匀地流动。同时，控制器可以根据温度分布情况对风机的转速进行动态调整。例如，当箱内局部温度差异较大时，提高风机转速，增强空气的混合效果，促进温度均匀化。此外，采用多台风机并合理布置它们的位置，也有助于提高温度均匀性。

辅助加热与制冷元件的分布

• 在试验箱内的不同位置合理分布辅助加热丝或小型制冷模块，可以对局部温度进行微调。例如，在温度容易偏低的角落增加辅助加热丝，在温度容易偏高的区域设置小型制冷模块，通过控制器对这些辅助元件的独立控制，补偿因箱体结构、热传导等因素造成的温度不均匀性，进一步提高箱内整体的温度均匀度。