專利名稱：魯棒跟蹤控制法人工氣候箱的氣體發(fā)生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種溫濕度氣體發(fā)生裝置，具體涉及一種用于檢測大氣環(huán)境氣體或用于檢測林產(chǎn)工業(yè)品、建筑材料、化工產(chǎn)品中所含揮發(fā)性有害氣體的氣體發(fā)生裝置。
背景技術(shù)：
林產(chǎn)工業(yè)品(如家具、膠合板、中密度板、纖維板等)、建筑材料、化工產(chǎn)品等是人們?nèi)粘Ｉ畈豢扇鄙俚?，但它們中的絕大部分產(chǎn)品生產(chǎn)中需要用到甲醛。因為甲醛是合成脲醛樹脂膠粘劑的主要原料之一，是一種易揮發(fā)的物質(zhì)。當(dāng)空氣中甲醛含量超過一定濃度時，會對人體產(chǎn)生嚴重傷害。例如呼吸道粘膜和眼膜潰爛，內(nèi)臟器官、神經(jīng)系統(tǒng)的病變等。當(dāng)每100g人造板甲醛釋放量大于60～100mg時，室內(nèi)空氣中的甲醛就會對人的眼、鼻、呼吸系統(tǒng)造成明顯傷害，或使人患皮膚病。動物實驗結(jié)果顯示，甲醛釋放量超標會導(dǎo)致鼻癌及呼吸系統(tǒng)癌變。盡管如此，目前還沒有發(fā)現(xiàn)有比甲醛更廉價、膠合性更優(yōu)的合成單體替代它。針對這種情況，我國強制性國家標準《室內(nèi)裝飾、裝修材料人造板及其制品中甲醛釋放限量》于2002年1月1日起實施，過渡期半年，2002年7月1日起將禁止不符合該標準的一切產(chǎn)品在我國境內(nèi)銷售。為此，林產(chǎn)工業(yè)品，建筑裝飾材料中有害氣體的檢測就顯得非常重要了。
為了使上述材料的生產(chǎn)符合國家標準，產(chǎn)品中有害氣體的檢測是實現(xiàn)生產(chǎn)的安全、平穩(wěn)、高效、優(yōu)質(zhì)的低耗的基本條件和重要保證，而為了環(huán)保的要求和對生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的有害元素實施有效的控制，一個重要的前提就是要獲得被控變量的準確信息。對于具體的檢測過程來說，首先要獲得一個穩(wěn)定、精確的溫度、濕度的氣候環(huán)境。即人工氣候箱，這個氣候箱是時變的，在單位時間里由外部向箱內(nèi)送入一定量且具有一定溫、濕度的氣體。同時，箱內(nèi)向外部排出定量的氣體，在這個前提條件下，箱內(nèi)的溫、濕度要在設(shè)定值所允許的誤差范圍內(nèi)。
與本實用新型相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)，主要是目前根據(jù)國內(nèi)外技術(shù)所采用的露點法制作的人工氣體發(fā)生裝置。它是在大氣壓力、相對溫度、相對濕度、保和露點壓力等7個條件不變的情況下，通過實驗制作出一套表格。檢測時，通過表格查到檢測所用的溫、濕度的值，進行人工調(diào)節(jié)有關(guān)控溫水泵電機或控濕水泵電機的運行，達到調(diào)節(jié)溫度和濕度的目的。
這種測量控制裝置，無論從檢測結(jié)果或調(diào)節(jié)方法上都存在著許多不足，如誤差大、抗干擾能力弱并且測量結(jié)果滯后過大，不能達到適時跟蹤的目的，調(diào)節(jié)也不方便。因此，實現(xiàn)高精度控制存在非常大的困難，其測量值的可信度也相當(dāng)差。因而許多檢測有害氣體的氣候箱的溫、濕度都只有依賴于軟測量的推斷控制。
作為有害氣體氣候檢測箱的溫、濕度控制精度，直接影響含揮發(fā)有害氣體產(chǎn)品的檢測精度，因而也就對相關(guān)的工業(yè)生產(chǎn)及人們的日常生活的環(huán)境保護有著非常重要的意義。
目前國內(nèi)外普遍采用的露點氣候箱的氣體發(fā)生裝置，檢測有害氣體存在著下述問題通常氣候箱的溫、濕度控制與多個可測變量或不可測變量之間的關(guān)系十分復(fù)雜，憑借簡單的變量關(guān)系，很難取得較高的控制精度；由于露點檢測氣候箱是基于實驗的數(shù)據(jù)表格確定其溫、濕度設(shè)定值的，一旦設(shè)定了箱內(nèi)溫度及露點溫度，則箱內(nèi)的溫、濕度只有靠很小的進氣量去調(diào)節(jié)。達到檢測條件所用的時間大約為4小時，導(dǎo)致能源消耗過大和檢測效率低下。
由上述分析可以看到，開發(fā)簡單實用、穩(wěn)定可靠且高精度的人工氣候箱的氣體發(fā)生裝置，是相當(dāng)有意義的，并具有廣泛的應(yīng)用前景。
實用新型內(nèi)容本實用新型針對以上現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種魯棒跟蹤控制法人工氣候箱的氣體發(fā)生裝置，該氣體發(fā)生裝置利用魯棒跟蹤控制系統(tǒng)及其配套的控制裝置，對人工氣候箱內(nèi)氣體的溫濕度進行適時控制，能有效的保證氣體溫濕度的精度，并能有效的縮短達到穩(wěn)態(tài)檢測條件的時間。
本實用新型提供以下技術(shù)方案，一種魯棒跟蹤控制法人工氣候箱的氣體發(fā)生裝置，包括人工氣候箱、恒溫水箱、恒溫?zé)o油磁力泵電機、恒溫露點水箱、恒溫露點無油磁力泵電機、氣候箱熱交換器、蒸汽熱交換器、汽泵電機以及操作控制顯示裝置等部件，氣候箱熱交換器設(shè)置在人工氣候箱內(nèi)，恒溫水箱內(nèi)設(shè)置有恒溫水箱加熱電阻，恒溫露點水箱連接冷凝機組，恒溫?zé)o油磁力泵電機通過管道連接氣候箱熱交換器和恒溫水箱，恒溫露點無油磁力泵電機通過管道連接蒸汽熱交換器和恒溫露點水箱，汽泵電機連接蒸汽熱交換器的進汽口，蒸汽熱交換器的出汽口通過針形閥連接噴汽裝置，噴汽裝置設(shè)置在人工氣候箱內(nèi)，氣候箱內(nèi)還設(shè)置有濕度傳感器和溫度傳感器，操作控制顯示裝置上設(shè)置有帶有變送輸出功能的溫度顯示儀表和濕度顯示儀表，溫度顯示儀表和濕度顯示儀表分別連接溫度傳感器和濕度傳感器，該氣體發(fā)生裝置還設(shè)置有魯棒跟蹤控制系統(tǒng)，該魯棒跟蹤控制系統(tǒng)包括相互連接的魯棒控制電氣柜和操作計算機，魯棒控制電氣柜還連接操作控制顯示裝置以及汽泵電機、恒溫?zé)o油磁力泵電機和恒溫露點無油磁力泵電機，魯棒控制電氣柜還連接有恒溫水箱加熱電阻，魯棒控制電氣柜內(nèi)設(shè)置有可編程控制器PLC和溫濕度信號轉(zhuǎn)換模塊。
所述濕度傳感器是高分子濕敏電容器。
所述溫度傳感器是Pt100溫度傳感器。
由于本實用新型設(shè)置了魯棒跟蹤控制系統(tǒng)，魯棒跟蹤控制系統(tǒng)可以對人工氣候箱內(nèi)的溫濕度進行適時監(jiān)測和調(diào)節(jié)，溫度傳感器和濕度傳感器用于檢測箱內(nèi)的在線溫度和濕度，并通過溫濕度信號轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換，最后傳送給可編程控制器PLC，PLC經(jīng)過對信號處理后便得到了系統(tǒng)溫度、濕度的采樣值，與設(shè)定的標準值比較后，執(zhí)行魯棒跟蹤程序，同時適時控制恒溫水箱加熱電阻、冷凝機組以及調(diào)節(jié)汽泵電機、恒溫?zé)o油磁力泵電機和恒溫露點無油磁力泵電機的運行，直至箱內(nèi)溫、濕度達到設(shè)定要求，整個操作控制監(jiān)測系統(tǒng)以計算機作為人機操作界面，操作、監(jiān)測、使用、直至打印出監(jiān)測結(jié)果非常方便，從屏幕上直接觀察氣候箱內(nèi)的溫濕度精度曲線，便于掌握氣體的穩(wěn)定狀態(tài)，其適時調(diào)節(jié)和跟蹤控制的特點，提高了氣候箱的溫濕度氣體的精度，縮短了氣候箱達到檢測所用穩(wěn)定的溫濕度氣體條件的時間，其檢測到的效果圖如圖3所示，氣體的溫濕度穩(wěn)定過程，由以前的4小時縮短到1.5-2小時即可以達到檢測要求。
以下結(jié)合附圖對本實用新型進行詳細說明。


圖1為本實用新型各部件的相互連接位置關(guān)系示意圖。
圖2為本實用新型的電氣原理框圖。
圖3為本實用新型氣候箱內(nèi)氣體的溫濕度達到檢測要求時的穩(wěn)定曲線圖。
具體實施方式
如圖1所示，一種魯棒跟蹤控制法人工氣候箱的氣體發(fā)生裝置，包括人工氣候箱1、恒溫水箱3、恒溫?zé)o油磁力泵電機5、恒溫露點水箱4、恒溫露點無油磁力泵電機6、氣候箱熱交換器2、蒸汽熱交換器7、汽泵電機8以及操作控制顯示裝置9等部件，氣候箱熱交換器2設(shè)置在人工氣候箱1內(nèi)，恒溫水箱3內(nèi)設(shè)置有恒溫水箱加熱電阻，恒溫露點水箱4連接冷凝機組10，恒溫?zé)o油磁力泵電機5通過管道連接氣候箱熱交換器2和恒溫水箱3，恒溫露點無油磁力泵電機6通過管道連接蒸汽熱交換器7和恒溫露點水箱4，汽泵電機8連接蒸汽熱交換器7的進汽口，蒸汽熱交換器7的出汽口通過針形閥11連接噴汽裝置12，噴汽裝置12設(shè)置在人工氣候箱1內(nèi)，人工氣候箱1內(nèi)還設(shè)置有濕度傳感器和溫度傳感器，操作控制顯示裝置9上設(shè)置有帶有變送輸出功能的溫度顯示儀表和濕度顯示儀表，溫度顯示儀表和濕度顯示儀表分別連接溫度傳感器和濕度傳感器，該氣體發(fā)生裝置還設(shè)置有魯棒跟蹤控制系統(tǒng)，該魯棒跟蹤控制系統(tǒng)包括相互連接的魯棒控制電氣柜13和操作計算機14，魯棒控制電氣柜13還連接操作控制顯示裝置9以及汽泵電機8、恒溫?zé)o油磁力泵電機5和恒溫露點無油磁力泵電機6，魯棒控制電氣柜13還連接有恒溫水箱加熱電阻，魯棒控制電氣柜13內(nèi)設(shè)置有可編程控制器PLC和溫濕度信號轉(zhuǎn)換模塊，溫度顯示儀表和濕度顯示儀表連接溫濕度信號轉(zhuǎn)換模塊。
所述濕度傳感器是高分子濕敏電容器。
所述溫度傳感器是Pt100溫度傳感器。
在本實用新型的方案中，恒溫水箱3給人工氣候箱1提供一定溫度的循環(huán)熱水，保證氣候箱氣體的溫度，冷凝機組保證恒溫露點水箱的水溫，以保證汽體熱交換器7給氣候箱1提供一定濕度的汽體，保證氣候箱體氣體的濕度。
本實用新型魯棒控制方法是這樣一種方案，是一種檢測有害氣體的人工氣候箱的溫、濕度跟蹤控制方法，在考慮外界環(huán)境、條件、大氣壓力及干擾等因素時，從人工氣候箱溫、濕度控制系統(tǒng)抽象出的一類含不確定因素的多變量非線性不確定系統(tǒng)的模型x.=f(x)+q(x,θ(t))+[g(x)+g(x)Q(x,θ(t))]uLL(1.1a)]]>y＝h(x) LL(1.1b)其中狀態(tài)變量x∈Rn，輸入u∈R，輸出y∈R，未知參變量θ(t)為時變的分段連續(xù)的，且取值于一緊集Ω上，f(x)和g(x)為標稱或未被擾動的解析向量，且g(x)≠0，對x∈Rn，h(x)是Rn上的實函數(shù)，Q(x，θ)是定號的非零函數(shù)，即有Q(x，θ(t))＞0或Q(x，θ(t))＜0，對θ∈Ω，x∈Rn，假設(shè)q(x，θ(t))為向量函數(shù)，且與函數(shù)Q(x，θ(t))包含了系統(tǒng)的所有不確定性。我們的控制目的就是尋找一個光滑的半全局(局部)狀態(tài)反饋控制器，使得對于給定的理想輸出yd有Lim+→∞(y-yd)=0,]]>同時保證閉環(huán)系統(tǒng)是有界的，且對于θ∈Ω都成立。
本實用新型得到了如下結(jié)果1)當(dāng)未知參變量為時變的，取值于一未知緊集Ω上，且以線性形式出現(xiàn)，參數(shù)嚴格反饋條件成立，標稱可輸入-輸出線性化，對于給定的理想輸出，給出了局部魯棒漸進跟蹤的自校正控制器的設(shè)計。
2)當(dāng)未知參變量為時變的，以非線性形式出現(xiàn)且取值于一已知緊集Ω，其它條件如I，給出了局部魯棒漸進跟蹤的靜態(tài)控制器的設(shè)計。按上述理論作為指導(dǎo)，本實用新型在實際的技術(shù)方案中，采用高分子濕敏電容器為濕度傳感器，Pt100為溫度傳感器；溫、濕度傳感器放在氣候箱內(nèi)用于檢測箱內(nèi)在線溫、濕度。箱內(nèi)的溫、濕度傳感器檢測到的標準信號通過屏蔽電纜傳送到兩塊DM640帶變送輸出的儀表上；儀表將箱內(nèi)的溫、濕度信號的變送輸出給SIEMANS EM231輸入模塊后由EM231將信號傳遞給PLC224，PLC經(jīng)過對信號處理后便得到了系統(tǒng)溫度、濕度的采樣值。當(dāng)用戶從計算機中確定了箱內(nèi)的測試的溫、濕度的值并通過組態(tài)程序傳遞給PLC后，PLC會根據(jù)氣候箱內(nèi)的在線溫、濕度的實際值與設(shè)定值進行比較后執(zhí)行式(1.1a、1.1b)的魯棒跟蹤程序，并實時控制控溫水箱、控濕水箱的溫度，直至箱內(nèi)溫、濕度達到設(shè)定要求。PLC224還負責(zé)控制露點加濕氣泵、冷凍機組、兩臺美國產(chǎn)的無油磁力泵的正常運行。PLC作為下微機接收計算機的控制信號，執(zhí)行所需的判斷、跟蹤及程序運行，其連接關(guān)系如圖1所示。
其溫濕度顯示變送儀表有
(1)MD640溫度顯示及變送輸出儀表要求精度為3％，量程及零點在0～100℃，具體漂移要在使用時校正。
(2)MC640濕度顯示及變送輸出儀表要求精度為3％，量程及零點在-5～55℃，具體漂移要在使用時校正。
(3)濕度變送輸出根據(jù)環(huán)境濕度的變化范圍，選用適當(dāng)量程的濕度變送器，誤差在1％內(nèi)，一般的高分子濕敏傳感器即可達到要求。
(4)溫度變送輸出根據(jù)環(huán)境濕度的變化范圍，選用適當(dāng)量程的溫度變送器，誤差在1％內(nèi)，一般的熱電阻、熱電偶傳感器即可達到要求。
本實用新型在測得上述氣候箱內(nèi)的溫、濕度的基礎(chǔ)上，在保證閉環(huán)系統(tǒng)是有界，且對于θ∈Ω都成立的情況下，利用下式進行判斷、比較Lim+→∞(Y-Yd)=D]]>其中Yd為理想輸出(設(shè)定值)；Y為實時測量值。然后實施如下算法x.=f(x)+q(x,θ(t))+[g(x)+g(x)Q(x,θ(t))]uLL(1.1a)]]>y＝h(x) LL(1.1b)其中狀態(tài)變量x∈Rn，輸入u∈R，輸出y∈R，未知參變量θ(t)為時變的分段連續(xù)的，且取值于一緊集Ω上，f(x)和g(x)為標稱或未被擾動的解析向量，且g(x)≠0，對x∈Rn，h(x)是Rn上的實函數(shù)，Q(x，θ)是定號非零函數(shù)，即有Q(x，θ(t))＞0或Q(x，θ(t))＜0，對θ∈Ω，x∈Rn，假設(shè)q(x，θ(t))為向量函數(shù)，且和函數(shù)Q(x，θ(t))包含了系統(tǒng)的所有不確定性。經(jīng)過若干次運算后，當(dāng)出現(xiàn)Lim+→∞(y-yd)=0]]>時，程序?qū)⒁恢眻?zhí)行式(1.1)并保持這種狀態(tài)。經(jīng)過1.5-2小時后，氣候箱達到檢測要求，其結(jié)果曲線圖如圖3所示。
整個氣體發(fā)生裝置的操作控制系統(tǒng)，均通過計算機操作和監(jiān)測，使用非常方便。
與現(xiàn)有溫、濕度控制系統(tǒng)相比，本實用新型具有以下明顯優(yōu)勢1)制精度高氣候箱內(nèi)的溫度控制精度可達到1％；濕度控制精度可達到3％。而現(xiàn)有的控制溫度只能達到3％；濕度只能達到7％。
2)響應(yīng)時間快從開機到達到檢測條件要求的時間需要1.5～2小時。而現(xiàn)有的達到檢測條件的時間需要4～6小時。
3)性能穩(wěn)定可靠采用常規(guī)儀表及SIEMANS公司的CPU及模擬量輸入模塊，氣候箱可常年工作。
4)適用范圍廣本發(fā)明的溫度可調(diào)范圍為-5℃～55℃；濕度可調(diào)范圍為20％～85％。
5)采用計算機控制具有非常好的人機交互界面，操作相當(dāng)簡單。
6)有關(guān)檢測數(shù)據(jù)通過表格，曲線表示出來。
7)能源消耗低本發(fā)明制作的氣候箱在正常工作的耗電量約為600W左右。
8)價格低一套魯棒跟蹤控制系統(tǒng)的成本價大約為1.2萬人民幣。
權(quán)利要求1.一種魯棒跟蹤控制法人工氣候箱的氣體發(fā)生裝置，包括人工氣候箱、恒溫水箱、恒溫?zé)o油磁力泵電機、恒溫露點水箱、恒溫露點無油磁力泵電機、氣候箱熱交換器、蒸汽熱交換器、汽泵電機以及操作控制顯示裝置等部件，氣候箱熱交換器設(shè)置在人工氣候箱內(nèi)，恒溫水箱內(nèi)設(shè)置有恒溫水箱加熱電阻，恒溫露點水箱連接冷凝機組，恒溫?zé)o油磁力泵電機通過管道連接氣候箱熱交換器和恒溫水箱，恒溫露點無油磁力泵電機通過管道連接蒸汽熱交換器和恒溫露點水箱，汽泵電機連接蒸汽熱交換器的進汽口，蒸汽熱交換器的出汽口通過針形閥連接噴汽裝置，噴汽裝置設(shè)置在人工氣候箱內(nèi)，氣候箱內(nèi)還設(shè)置有濕度傳感器和溫度傳感器，操作控制顯示裝置上設(shè)置有帶有變送輸出功能的溫度顯示儀表和濕度顯示儀表，溫度顯示儀表和濕度顯示儀表分別連接溫度傳感器和濕度傳感器，其特征在于該氣體發(fā)生裝置還設(shè)置有魯棒跟蹤控制系統(tǒng)，該魯棒跟蹤控制系統(tǒng)包括相互連接的魯棒控制電氣柜和操作計算機，魯棒控制電氣柜還連接操作控制顯示裝置以及汽泵電機、恒溫?zé)o油磁力泵電機和恒溫露點無油磁力泵電機，魯棒控制電氣柜還連接有恒溫水箱加熱電阻，魯棒控制電氣柜內(nèi)設(shè)置有可編程控制器PLC和溫濕度信號的轉(zhuǎn)換模塊，溫度顯示儀表和濕度顯示儀表連接溫濕度信號轉(zhuǎn)換模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人工氣候箱的氣體發(fā)生裝置，其特征在于所述濕度傳感器是高分子濕敏電容器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人工氣候箱的氣體發(fā)生裝置，其特征在于所述溫度傳感器是Pt100溫度傳感器。
專利摘要本實用新型公開了一種魯棒跟蹤控制法人工氣候箱的氣體發(fā)生裝置，涉及一種用于檢測大氣環(huán)境氣體或用于檢測林產(chǎn)工業(yè)品、建筑材料、化工產(chǎn)品中所含揮發(fā)性有害氣體的氣體發(fā)生裝置。該氣體發(fā)生裝置，不僅包括人工氣候箱、恒溫水箱、無油磁力泵電機、恒溫露點水箱、冷凝機組、氣候箱熱交換器、蒸汽熱交換器、汽泵電機以及操作控制顯示裝置、濕度傳感器、溫度傳感器、帶變送輸出功能的溫度顯示儀表和濕度顯示儀表以及噴汽裝置等部件，而且還設(shè)置有運行魯棒控制方案的可編程控制器PLC和溫濕度信號轉(zhuǎn)換模塊以及操作計算機。該裝置能在較快的時間內(nèi)，產(chǎn)生符合檢測有害氣體要求的高精度溫濕度氣體，可廣泛應(yīng)用于檢測含揮發(fā)性有害氣體的物品。
文檔編號G01N33/46GK2656984SQ0320447
公開日2004年11月17日 申請日期2003年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月21日
發(fā)明者周玉成, 程放, 李曉群 申請人:周玉成