云雾室控制体系分析与算法研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 7 4 963.76KB 49 页 15积分
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第一章 绪论
1
摘要
云雾室设备是通过自动化控制手段实现超声波加湿，利用高压喷头产生纯水雾
或通过催化剂释放装置释放一定量的凝结核造雾。为了达到良好的造雾和试验效
果，需要对温度 、湿度有着很高的控制要求。
针对云雾室温度控制系统存在较大容积滞后的特点，在温度回路设计上采用了
串级控制方式，并且在文中对串级控制方式的性能进行了比较分析；此外本文根据
热力学理论知识建立了温度热力学模型，并结合模型和控制方案给出了温度控制系
统的仿真曲线。
当温湿度两个变量同时存在于一个系统中时，两个变量的耦合特性将有可能对
系统的控制效果产生很大的影响。针对这一情况，文中对温湿度的耦合情况做了一
定的分析，分析结果表明在该系统中温湿度的耦合情况不会对该系统的稳态控制效
果产生影响。但文中对温湿度的耦合现象做了进一步的探究，并针对温湿度耦合较
严重的情况，给出了一种静态解耦的方案。此外文中探索性的给出了另一种模糊解
耦控制的方法。该方法是根据经验的总结得出了一套模糊控制规则，从理论角度，
这两种方法都是可行的。
在论文最后给出了整套云雾室系统的施工方案，包括温度控制系统方案、云雾
室水雾-烟雾控制系统方案以及云雾室照明控制系统方案。在这些具体的方案中给
出了每个系统的控制方法和一些主要设备的选型，此外论文介绍了现场控制层PLC
的硬件选型及软件操作流程。这些控制方案在现场中都得到了很好的应用。
关键词：云雾室 串级控制 热力学建模 解耦 PLC
云雾室控制系统分析与算法研究
2
ABSTRACT
Cloud chamber device is achieved by the mean of automation and control to add
wet by ultrasonic, to produces the pure mist or use the high-pressured nozzle to make
the fog through the catalyst release to release ration condensation nucleus. In order to
make good fog and test result, we need to control the temperature and humidity with a
high requirement.
In view of the fog chamber of the temperature control system existing great
volume lag's characteristic we select the cascade control method in the design of the
temperature return route, and carry on the comparative analysis on the cascade control
way's performance in the article. In addition we establish the temperature
thermodynamics model according to thermodynamics theoretical knowledge and unify
the model and the control plan to make temperature control system's simulation curve.
When the two variables of the temperature and the humidity simultaneously exist in
a system, the two variable's coupling characteristics will possible have tremendous
influence to the control effect in the system. In view of this situation, we have made
certain analysis to the temperature and the humidity coupling.The result indicates that
their coupling won’t have the influence to this system's stable control effect . We have
made further inquisition to the temperature and the humidity coupling, proposed one
static decoupling plan aimed at their coupling serious situation. In addition we explore
to propose another method to relieves the coupling control fuzzily. This method is a
set of fuzzy control rule which summarizes according to the experience obtains from the
theory angle. These two methods is feasible.
In end of the paper we propose the whole construction plan of the fog chamber
system which includes temperature control system plan, fog chamber mist - smog
control system plan and fog chamber lighting control system plan. We have given the
control method of each system and some major installation's shaping in these concrete
plans. In addition the paper introduces the scene of the key-course PLC hardware
shaping and the software operation flow. These control plan obtains good application in
the scene.
Key Words: Cloud chamber, the cascade control, Thermodynamic
modeling, Decoupling. PLC
第一章 绪论
3
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .......................................................... 1
§1.1 课题来源 ..................................................... 1
§1.2 云雾室发展过程 ............................................... 1
§1.3 云雾室系统组成及控制设备 ..................................... 1
§1.4 本文主要研究内容及方法 ....................................... 2
§1.4.1 云雾室温湿度控制的主要目标 ...............................2
§1.4.2 控制难点及本文工作 .......................................3
第二章 云雾室温度控制系统热力学模型 ..................................4
§2.1 系统建模介绍 ................................................. 4
§2.2 能量守恒及热力学理论 ......................................... 4
§2.2.1 能量守恒 .................................................4
§2.2.2 热力学理论 ...............................................4
§2.3 云雾室温度控制系统模型 ....................................... 6
§2.3.1 热量传递方式分析 .........................................6
§2.3.2 云雾室腔体热力学模型建立 ................................ 7
§2.4 小结 ........................................................ 10
第三章 云雾室温度控制策略研究 .......................................11
§3.1 云雾室温度控制方案分析 ...................................... 11
§3.2 串级控制的特点及分析 ........................................ 11
§3.2.1 串级控制的特点 ..........................................11
§3.2.2 串级系统性能分析 ........................................11
§3.3 云雾室温度串级控制系统的设计及仿真 .......................... 13
§3.3.1 温度控制系统具体设计 ....................................13
§3.4 主副回路整定 ................................................ 15
§3.5 云雾室温度控制系统仿真 ...................................... 16
§3.6 小结 ........................................................ 17
第四章 温湿度解耦的探索 .............................................18
§4.1 湿度相关知识介绍 ............................................ 18
§4.2 温湿度函数关系分析 .......................................... 18
§4.3 解耦方法探究 ................................................ 22
§4.4 小结 ........................................................ 28
第五章 云雾室系统方案设计及实现 .....................................29
§5.1 控制系统设计介绍 ............................................ 29
§5.2 云雾室各部分系统控制方案 .................................... 29
§5.2.1 云雾室温度系统控制 ......................................29
云雾室控制系统分析与算法研究
4
§5.2.2 云雾室烟雾控制系统方案 ..................................31
§5.3 现场控制及网络通讯方案设计 .................................. 33
§5.3.1 PLC 选型及设计 .........................................33
§5.3.2 PLC 各模块的选配 ........................................34
§5.3.3 网络通讯设计 ............................................35
§5.3.4 HMI(人机界面) .......................................... 37
§5.4 云雾室控制系统 PLC 软件的实现 ................................ 38
§5.4.1 PLC 软件设计目标 ........................................38
§5.4.2 软件设计内容 ............................................39
§5.5 小结 ........................................................ 42
第六章 总结 .........................................................43
致谢 ................................................................44
第一章绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题来源
云雾室设备（cloud chamber）是上海天核机电有限公司与某空军部队合作的一
个项目，它是一种模拟大气环境的大型实验装备，即对大气参数温度、湿度、压力、
水雾、光照、催化实施控制的封闭性大体积腔体容器，通过它模拟出与自然状态近
似大气环境。在云雾室内，通过自动化控制手段实现超声波加湿，利用高压喷头产
生纯水雾或通过催化剂释放装置释放一定量的凝结核造雾。
该云雾室除实现人造云雾的基本功能外，还具有纵向和横向的多路光学测量
窗口，为人造云雾环境下的光学试验提供基础设施。
云雾室实验装备一般用于航空大气光学测试与评估；同时云雾室也可用于人工
气候实验，研究雨 滴、冰雹的增长过程、各种催化方法及扰动对云雾的宏观、微
观影响，模拟云的物理现象；云雾室实验装备能研究温度、气压、光强等对航天航
空活动的影响,为各种先进飞行器的研究开发提供精确的科学依据；云雾室实验装
备也是高能物理和雷达探测研究领域的基础装备。
§1.2 云雾室发展过程
云雾室属于人工环境模拟中的一个分支。早先人工环境模拟多利用和小型空调
设施进行。20世纪40年代左右，世界上第一个人工气候室在美国加利福尼亚州帕
萨迪纳建成。此后，许多国家相继建立了各种类型的人工气候室，配置了各种人
工气候箱群。研究对象也超出了植物的范围，广泛应用于农业、生物、医学、海
洋、宇宙等各个领域。各种设备的自动化程度和精确度不断提高，控制方式已有
用中央控制台进行的电子自动遥控，并加之以电子计算机数据运算处理装置。
§1.3 云雾室系统组成及控制设备
该系统主要由以下几个部分组成：
（1）温度控制设备
云雾室不允许强热对流发生，采用水套热传递的方法对其进行温度控制。
（2）湿度控制设备
云雾室的湿度控制采用大功率超声波加湿器和通风设备；云雾室加湿、造雾和
清洗全部采用过滤净化水，由在云雾室外部配备高位净化水储水罐提供水源；云雾
室的通风换气采用风扇和通风管道向室外直排，排风管道在靠近云雾室处采取绝热
保温设计，并具有气密性良好的排气口。超声波加湿器和排气口的开合状态由计算
机湿度控制系统统一控制。
（3）造雾和控制设备
云雾室主要的功能是人造云雾。该系统提供了两套装置来产生云雾。
摘要：

第一章绪论1摘要云雾室设备是通过自动化控制手段实现超声波加湿，利用高压喷头产生纯水雾或通过催化剂释放装置释放一定量的凝结核造雾。为了达到良好的造雾和试验效果，需要对温度、湿度有着很高的控制要求。针对云雾室温度控制系统存在较大容积滞后的特点，在温度回路设计上采用了串级控制方式，并且在文中对串级控制方式的性能进行了比较分析；此外本文根据热力学理论知识建立了温度热力学模型，并结合模型和控制方案给出了温度控制系统的仿真曲线。当温湿度两个变量同时存在于一个系统中时，两个变量的耦合特性将有可能对系统的控制效果产生很大的影响。针对这一情况，文中对温湿度的耦合情况做了一定的分析，分析结果表明在该系统中温湿度的...

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