專(zhuān)利名稱(chēng)：萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)加熱保溫裝置及其溫度控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料試驗(yàn)機(jī)，具體為一種萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)加熱保溫裝置及其溫度控制方法。
背景技術(shù)：
隨著各行業(yè)的發(fā)展對(duì)高性能復(fù)合材料的需求不斷加大，以高性能環(huán)氧樹(shù)脂為基體的復(fù)合材料越來(lái)越受到人們的關(guān)注。由于碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、耐高溫、較高的韌性、可加工性、耐損傷性以及較低的日常維護(hù)費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)，在家用電器、汽車(chē)工業(yè)、航空航天、國(guó)防等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)復(fù)合材料的縱橫向有效彈性模量和破壞強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定的試驗(yàn)較多，但是環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料越來(lái)越多地應(yīng)用于激光防御、高溫保護(hù)等具有熱源的環(huán)境中，而且又由多種組分構(gòu)成，當(dāng)組分間熱膨脹系數(shù)差異較大時(shí)，即使溫度變化較小，也會(huì)在基體中產(chǎn)生很大的微觀熱應(yīng)力，所以有必要對(duì)復(fù)合材料在高溫下的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試與理論分析。同樣，對(duì)聚丙交酯-乙交酯(PLGA)纖維成型壓力與溫度對(duì)材料的力學(xué)性能的影響，鋁合金和碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料在低溫、室溫及中溫下的力學(xué)性能等研究都需要一各具有加熱保溫的試驗(yàn)裝置來(lái)保證試驗(yàn)的進(jìn)行。然而目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用于該類(lèi)實(shí)驗(yàn)的加熱保溫裝置很少，甚至幾乎沒(méi)有，很多對(duì)于溫度對(duì)材料性能影響的研究基本只能進(jìn)行理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)，由于缺少必要的加熱保溫裝置而無(wú)法進(jìn)行實(shí)際的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的不足之處，本發(fā)明的目的在于提出一種適用于萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)使用的加熱保溫裝置，該加熱保溫裝置具有體積小、保溫性能好、易于使用、溫度控制精度高、可以分段設(shè)置溫度參數(shù)及時(shí)間等特點(diǎn)。能夠?qū)崿F(xiàn)上述目的的萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)加熱保溫裝置，包括加熱保溫機(jī)構(gòu)，所不同的是所述加熱保溫機(jī)構(gòu)包括加熱保溫筒，試驗(yàn)機(jī)的上、下墊塊及其兩墊塊之間夾持材料的模具或夾具置于加熱保溫筒的加熱保溫腔內(nèi)，所述加熱保溫筒上開(kāi)設(shè)有加熱保溫腔與外界相通的通風(fēng)口，所述加熱保溫腔內(nèi)設(shè)有感受不同位置溫度數(shù)值的溫度傳感器；所述加熱保溫機(jī)構(gòu)還包括接收溫度傳感器信號(hào)并對(duì)加熱保溫筒進(jìn)行溫度控制和調(diào)節(jié)的溫度控制器。所述溫度控制器為通過(guò)接口與微型計(jì)算機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接的PLC可編程控制器， 所述PLC可編程控制器包括CPU中央處理器、IO輸入和輸出模塊、溫度采集A/D模塊、控制輸出D/A模塊。溫度采集A/D模塊通過(guò)溫度傳感器采集到加熱保溫腔內(nèi)各點(diǎn)的溫度，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后將模擬量變成數(shù)字量，PLC可編程控制器將溫度采集A/D模塊中的溫度數(shù)據(jù)讀出，并轉(zhuǎn)換成溫度值，根據(jù)控制規(guī)則，將控制參數(shù)發(fā)送給控制輸出D/A模塊，D/A模塊將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而控制加熱保溫筒的工作電壓及電流和控制通風(fēng)口外風(fēng)泵的啟閉，從而達(dá)到溫度控制的目的。所述微型計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)可以對(duì)溫度控制器進(jìn)行控制，可以通過(guò)分段設(shè)置加熱保溫的時(shí)間、溫度等參數(shù)，將溫度曲線(xiàn)與設(shè)置曲線(xiàn)進(jìn)行比較，記錄保存加熱過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)，為試驗(yàn)提供可靠依據(jù)。所述溫度控制器的溫度控制方法可以采用模糊PID控制算法，模糊PID控制的程序存儲(chǔ)在PLC可編程控制器中。所述模糊PID控制算法過(guò)程為通過(guò)溫度傳感器采樣獲得加熱器的溫度的精確值，采樣值與設(shè)定值進(jìn)行比較，得到兩者的誤差；對(duì)誤差求微分，即在一個(gè)A/D采樣周期內(nèi)求誤差的變化Ae，求得誤差變化率eC(de/dt);將前面所得的誤差及誤差變化率進(jìn)行模糊化，變成模糊變量；根據(jù)專(zhuān)家的知識(shí)和現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)制訂相應(yīng)的控制策略即控制規(guī)則，作為模糊推理的依據(jù)。將模糊量作為模糊推理的輸入，在由模糊量和模糊規(guī)則，根據(jù)推理合成規(guī)則進(jìn)行模糊推理，得到模糊控制量；將模糊控制量轉(zhuǎn)變成精確的輸出控制量，并將輸出控制量作用于控制執(zhí)行。為了測(cè)得不同位置的溫度為控制提供精確的參考溫度，所述溫度傳感器至少設(shè)置為四個(gè)，分別布置于加熱保溫腔的上部、下部、內(nèi)壁及模具/夾具表面。所述加熱保溫筒的一種結(jié)構(gòu)包括內(nèi)層發(fā)熱體和外層保溫層。所述發(fā)熱體為陶瓷發(fā)熱圈。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)I、本發(fā)明萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)加熱保溫裝置采用陶瓷發(fā)熱圈，該加熱圈功率高，保溫好，傳熱快且均勻，高溫不變形不易老化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。2、本發(fā)明萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)加熱保溫裝置采用多點(diǎn)溫度采集方式，保證采集到的溫度全面、可靠，利用多點(diǎn)溫度之間的關(guān)系，可以更加方便地推算出各點(diǎn)的傳熱情況，從而制定精確的控制規(guī)則。3、本發(fā)明萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)加熱保溫裝置采用模糊PID控制器，溫度控制系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)定溫度自適應(yīng)的調(diào)整控制參數(shù)。4、本發(fā)明萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)加熱保溫裝置設(shè)置有通風(fēng)口，可以通過(guò)從通風(fēng)口進(jìn)熱風(fēng)或者冷風(fēng)來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行微調(diào)，避免了傳統(tǒng)的超調(diào)情況下依靠保溫腔向外的熱傳遞和熱輻射來(lái)散熱，從而使得溫度調(diào)節(jié)反應(yīng)更加敏捷和快速。5、本發(fā)明萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)加熱保溫裝置可以通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)控制器進(jìn)行控制， 可以通過(guò)軟件分段設(shè)置加熱保溫的時(shí)間、溫度等參數(shù)，將溫度曲線(xiàn)與設(shè)置曲線(xiàn)進(jìn)行比較，記錄保存加熱過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)，為科學(xué)研究提供可靠依據(jù)。綜上，本發(fā)明萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)加熱保溫裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制精度高、保溫性能好、使用方便等特點(diǎn)。


圖I為本發(fā)明一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明溫度控制方法原理框圖。圖3為圖2中溫度控制采用的模糊PID控制算法框圖。圖號(hào)標(biāo)識(shí)1、上墊塊；2、下墊塊；3、模具或夾具；4、通風(fēng)口 ；5、溫度傳感器；6、發(fā)熱體；7、外層保溫層；8、隔熱墊；9、保溫綿；10、傳感器及電源接口。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明如圖I所示，本發(fā)明萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)加熱保溫裝置包括加熱保溫筒以及接收加熱保溫筒內(nèi)溫度傳感器5信號(hào)并對(duì)加熱保溫筒進(jìn)行溫度控制和調(diào)節(jié)的溫度控制器。所述加熱保溫筒的底部通過(guò)隔熱墊8座落在試驗(yàn)機(jī)的下墊塊2法蘭上(下墊塊2通過(guò)法蘭與底座安裝)，加熱保溫筒的底部中心孔與下墊塊2的柱體密封配合，加熱保溫筒的頂部中心孔與上墊塊I的柱體間隙配合(上墊塊I通過(guò)法蘭安裝于橫梁上)，模具或夾具3安裝于上、下墊塊1、2之間并處于加熱保溫筒的加熱保溫腔內(nèi)。所述加熱保溫筒由內(nèi)層發(fā)熱體6和外層保溫層7構(gòu)成，所述外層保溫層7用內(nèi)、外不銹鋼殼制成，其間充滿(mǎn)保溫綿9，所述發(fā)熱體6采用陶瓷發(fā)熱圈(采用陶瓷條穿絲方式，功率比普通的要高O. 5 I. 5倍)，陶瓷發(fā)熱圈布置于里層不銹鋼殼壁上；所述加熱保溫腔內(nèi)設(shè)有四個(gè)溫度傳感器5，分別設(shè)于里層不銹鋼殼頂部和底部、陶瓷發(fā)熱圈上和模具或夾具3 表面；所述外層保溫層7的上部開(kāi)設(shè)有橫貫里、保溫綿9和外層不銹鋼殼的通風(fēng)口 4(通風(fēng)口 4外接風(fēng)泵，通風(fēng)口用于從外部向加熱保溫腔內(nèi)吹熱風(fēng)或者冷風(fēng)，對(duì)加熱保溫腔進(jìn)行加熱和冷卻降溫)，外層保溫層7的下部設(shè)置傳感器及電源接口 10，如圖I所示。所述溫度控制器的主體為PLC可編程控制器，所述PLC可編程控制器包括CPU中央處理器、IO輸入和輸出模塊、溫度采集A/D模塊和控制輸出D/A模塊，所述PLC可編程控制器通過(guò)接口分別與微型計(jì)算機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接，其控制原理如圖2所示溫度采集A/D模塊通過(guò)溫度傳感器5采集到加熱保溫腔內(nèi)各點(diǎn)的溫度，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后將模擬量變成數(shù)字量，PLC可編程控制器將A/D模塊中的溫度數(shù)據(jù)讀出，并轉(zhuǎn)換成溫度值，根據(jù)控制規(guī)則，將控制參數(shù)發(fā)送給控制輸出D/A模塊，D/A模塊將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而控制發(fā)熱體6的工作電壓及電流及風(fēng)泵的啟閉，從而達(dá)到溫度控制的目的。所述微型計(jì)算機(jī)(作為上位機(jī))讀取PLC可編程控制器的各個(gè)參數(shù)并顯示出來(lái)， 同時(shí)通過(guò)在微型計(jì)算機(jī)上對(duì)加熱時(shí)間、保溫時(shí)間等進(jìn)行設(shè)定，可以實(shí)現(xiàn)分段加熱及分段保溫，并將試樣的溫度曲線(xiàn)顯示出來(lái)，可以直觀的看到試樣的溫度曲線(xiàn)與設(shè)定的溫度曲線(xiàn)之間重合情況，從而了解加熱保溫裝置的控制效果?？梢詫⒛：齈ID控制的程序存儲(chǔ)在PLC可編程控制器中，使溫度控制器的溫度控制方法采用模糊PID控制算法，其控制算法框圖見(jiàn)圖3，具體過(guò)程如下通過(guò)溫度傳感器5 采樣獲得發(fā)熱6的精確溫度值，采樣值與設(shè)定值進(jìn)行比較，得到兩者的誤差；對(duì)誤差求微分，即在一個(gè)A/D采樣周期內(nèi)求誤差的變化Ae，求得誤差變化率eC(de/dt);將前面所得的誤差及誤差變化率進(jìn)行模糊化，變成模糊變量；根據(jù)專(zhuān)家的知識(shí)和現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)制訂相應(yīng)的控制策略即控制規(guī)則，作為模糊推理的依據(jù)。將模糊量作為模糊推理的輸入，再由模糊量和模糊規(guī)則，根據(jù)推理合成規(guī)則進(jìn)行模糊推理，得到模糊控制量；將模糊控制量轉(zhuǎn)變成精確的輸出控制量，并將輸出控制量作用于控制對(duì)象。上述實(shí)施例，僅為對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明的具體個(gè)例，本發(fā)明并非限定于此。凡在本發(fā)明公開(kāi)的范圍之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)加熱保溫裝置，包括加熱保溫機(jī)構(gòu)，其特征在于所述加熱保溫機(jī)構(gòu)包括加熱保溫筒，試驗(yàn)機(jī)的上、下墊塊(1、2)及其兩墊塊之間夾持材料的模具或夾具(3) 置于加熱保溫筒的加熱保溫腔內(nèi)，所述加熱保溫筒上開(kāi)設(shè)有加熱保溫腔與外界相通的通風(fēng)口(4)，所述加熱保溫腔體內(nèi)設(shè)有感受不同位置溫度數(shù)值的溫度傳感器(5);所述加熱保溫機(jī)構(gòu)還包括接收溫度傳感器(5)信號(hào)并對(duì)加熱保溫筒進(jìn)行溫度控制和調(diào)節(jié)的溫度控制器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)加熱保溫裝置，其特征在于所述溫度控制器為通過(guò)接口與微型計(jì)算機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接的PLC可編程控制器，所述PLC可編程控制器包括CPU中央處理器、IO輸入和輸出模塊、溫度采集A/D模塊和控制輸出D/A模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)加熱保溫裝置，其特征在于所述溫度控制器的溫度控制方法采用模糊PID控制算法，模糊PID控制的程序存儲(chǔ)在PLC可編程控制器中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)加熱保溫裝置，其特征在于所述模糊PID控制算法過(guò)程為通過(guò)溫度傳感器采樣獲得加熱器的溫度的精確值，采樣值與設(shè)定值進(jìn)行比較，得到兩者的誤差；對(duì)誤差求微分，即在一個(gè)A/D采樣周期內(nèi)求誤差的變化Ae，求得誤差變化率ec(de/dt);將前面所得的誤差及誤差變化率進(jìn)行模糊化，變成模糊變量；根據(jù)專(zhuān)家的知識(shí)和現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)制訂相應(yīng)的控制策略即控制規(guī)則，作為模糊推理的依據(jù)。將模糊量作為模糊推理的輸入，在由模糊量和模糊規(guī)則，根據(jù)推理合成規(guī)則進(jìn)行模糊推理，得到模糊控制量；將模糊控制量轉(zhuǎn)變成精確的輸出控制量，并將輸出控制量作用于控制對(duì)象。
5.根據(jù)權(quán)利要求I 4中任意一項(xiàng)所述的萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)加熱保溫裝置，其特征在于 所述溫度傳感器(5)至少設(shè)為四個(gè)，四個(gè)溫度傳感器(5)分別布置于加熱保溫腔的上部、下部、內(nèi)壁及模具/夾具(3)表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求I 4中任意一項(xiàng)所述的萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)加熱保溫裝置，其特征在于 所述加熱保溫筒包括內(nèi)層發(fā)熱體(6)和外層保溫層(7)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)加熱保溫裝置，其特征在于所述發(fā)熱體(6) 為陶瓷發(fā)熱圈。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)加熱保溫裝置及其溫度控制方法，所述加熱保溫裝置包括加熱保溫機(jī)構(gòu)，所述加熱保溫機(jī)構(gòu)包括加熱保溫筒，試驗(yàn)機(jī)的上、下墊塊及其兩者之間夾持材料的模具或夾具置于加熱保溫筒的加熱保溫腔內(nèi)，所述加熱保溫筒上開(kāi)設(shè)有加熱保溫腔與外界相通的通風(fēng)口，所述加熱保溫腔內(nèi)設(shè)有感受不同位置溫度數(shù)值的溫度傳感器；所述加熱保溫機(jī)構(gòu)還包括接收溫度傳感器信號(hào)并對(duì)加熱保溫筒進(jìn)行溫度控制和調(diào)節(jié)的溫度控制器。所述溫度控制器為PLC可編程控制器，所述溫度控制器的溫度控制方法采用模糊PID控制算法。本發(fā)明具有體積小，能耗低，使用安全、方便，加熱保溫精度高等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G05D23/30GK102591381SQ20121005156
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月1日
發(fā)明者劉祥煥, 盧德明, 向家偉, 唐焱, 張應(yīng)紅, 徐晉勇, 翟龍佳, 蔣占四, 蔣超, 覃弟升, 韋荔甫 申請(qǐng)人:桂林電子科技大學(xué)