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船用冷藏集装箱温度精确检测系统的研究与设计

更新时间:2009-03-28

随着智慧航运的发展,先进控制及监测技术已广泛应用于船舶运输。目前,食品流通多采用集装箱远洋运输,但远洋运输速度慢、时间长,且在运输过程中温湿度变化范围大,故各类冷链物流工具应运而生。食品冷藏和空气调节技术可为冷冻冷藏食品的卫生安全、新鲜营养提供保障,最大限度地保证其商品价值。冷藏集装箱作为实现大批冷冻食品运输的载体,其有效利用率逐年上涨,需求量大规模增加。为保证运输过程中食品的保质保鲜,集装箱内须确保恒定均匀的低温环境,故集装箱温度精确控制及其供电系统的设计则成为集装箱温度控制技术的关键[1]

一般在教育系统论观照中,“教育系统”主要包括教育的主体系统、客体系统、教育环境系统、教育介体系统等不同的组成部分。作为高等教育微观层面上三种重要的稀缺要素,本文尝试着从教育资源、教育组织、教育技术三个向度对未来我国高等教育供给侧改革的或然策略进行分析。

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1 集装箱温度控制系统控制需求分析

集装箱远洋运输冷藏食品要求温度误差需精确控制在±0.1℃之内。为保证船舶航行前温度控制器的各项初始工作状态稳定,温度控制系统一般需设有自动控制和手动控制检查两项功能。温度控制器设计采用上下位机通讯方式,显示模块需要驱动芯片均与主控芯片通讯。因此,须设计较丰富的通信接口,便于各芯片间进行通讯,并组成温度控制系统网络。

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该温度控制系统为微处理器系统,专用于控制和监测冷藏集装箱制冷设备。控制系统常年随冷藏集装箱装载于轮船、码头之上,经常处于较高温度或低温高湿的环境中,且温湿度波动范围也较大,故控制系统要有一定的耐腐蚀性和稳定性。温度控制器设置点范围:-30.0~+30.0℃,设置区间为60℃,要求控制精度±0.5℃(进入稳态后每半小时间隔内)。控制器数字温度显示:-40.0~+60.0℃,显示区间为100℃,显示最小分度值0.1℃。表1为冷藏集装箱温度控制的主要被控对象及其参数,温度控制器通过反馈控制来实时监测并采集温度,通过控制数控阀、冷凝器风扇电机及电阻式加热器杆来综合调整集装箱温度和湿度[2-3]

 

表1 冷藏集装箱温度控制的主要被控对象及参数

  

控制对象 控制方式 电压/V 电压类型 最大功率/W 作 用数控阀 PWM 24 DC 20 动态调节数控阀,以调节压缩机输气量,控制制冷量冷凝器风扇电机 PWM 380 AC 550 动态调节冷凝器风扇,确保冷凝器温度维持在设定值电阻式加热器杆 PWM 380 AC 680 动态调节电加热量,控制稳定在设定温度

2 集装箱温控系统的总体设计

基于需求分析,从两方面考虑温控系统的总体设计:一是集装箱温控系统的控制策略及仿真分析;二是温度控制系统的整体硬件和软件设计。

2.1 温度控制系统的控制策略

集装箱温度制冷系统以PIC单片机为控制单元核心,整体温控系统功能模块由温度采集模块、温度控制电路、人机交互触摸屏显示电路、电源转换单元、供电系统模块、三相电检测模块及通信单元等组成,如图1所示。

解决组合最值问题时,往往还存在一些通过利用图形特点来解决组合最值的问题,因为其自变量是离散量,并且要求的最小值或最大值的量与自变量的函数关系不允许用同一个解析式来表达,所以就使得先前代数最值的问题与解决组合最值的问题有所不同。常见的解决办法主要有以下几点:

2.2 温度控制系统的功能模块

温度控制器要求实际温度与所测温度误差范围必须控制在±0.1℃内,而被控对象的数据采集存在误差和一定的滞后性。因此,温控系统首先经A/D进行采样,获得几组采样温度初值后,进行算法处理得到平均值,再经模糊PID调节获得所需的环境温度值。

本文在对集装箱温控系统需求分析的基础上,提出了温度的精准控制策略。同时,考虑到船用电和市电的区别,为保证温度的精确控制、供电系统的正常供电,以及系统出现错误时及时发出报警信息,设计了供电电压和电流的实时检测模块。控制算法及实验验证表明,该系统具有精确的温度变化反应及良好的抗干扰能力,具有良好的发展应用前景。

在冷藏集装箱温控单元进行温度采集时,设置三组不同的初始温度,分别为25℃(加热)、-5℃(制冷)、-20℃(制冷),设定温度采样时间为200 min,在采样时段内通过温度传感单元监测各时刻的温度值并记录存储,以监测温度整体变化情况。

  

图1 集装箱温控系统的整体功能模块设计

3 温控系统控制策略与仿真研究

3.1 温度控制策略分析

为了对集装箱非线性温度控制系统进行有效稳定的控制[4-5],其核心策略是采用温度闭环反馈控制,将反馈的温度与给定温度进行比较并反馈控制压缩电机的运行频率,其原理如图2所示。

图2中,温控系统参数模糊控制的输入变量偏差为e,偏差变化率为ec,输出变量为Kp、Ki、Kd,实际输出增量为 ΔKp、ΔKi、ΔKd。温度参数模糊控制可根据得到的偏差e和偏差变化率ec,对温度PID控制单元参数进行实时调整,满足了集装箱温控系统模型的参数变化调整,使温度得到精确控制,改善了系统控制的稳定性[6]

  

图2 集装箱温度系统模糊PID控制原理

3.2 集装箱温度模糊自适应PID控制仿真

(1)量化和比例因子的确定

(2)集装箱温控系统仿真与结果分析

 

表2 模糊自适应PID控制器的量化因子和比例因子

  

变量名 变量类型 基本论域 模糊语言论域量化或比例因子e 输入 [-6 0,+6 0] [-6,+6] 6/0.1 e c 输入 [-1.5,+1.5] [-6,+6] 6/4 Δ K p 输出 [-6,+6] [-6,+6] 1/6 Δ K i 输出 [-0.0 5,+0.0 5] [-6,+6] 0.0 0 8/6 Δ K d 输出 [-1 0,+1 0] [-6,+6] 1.6 7/6

根据集装箱在航运过程中环境温度变化的实际情况[7-8],取系统温度偏差e的基本论域为[-60,60],按照系统运行温度误差变化,ec的基本论域为[-1.5,1.5]。同样,根据温度多次测量验证取得模糊 PID 控制器的 ΔKp、ΔKi、ΔKd的基本论域依次为[-6,6],[-0.05,0.05],[-10,10]。输入、输出量的模糊集设为{PB,PM,PS,ZE,NS,NM,NB},计算结果见表2。

有趣的是,在两次金融危机——1997年亚洲金融危机、2008年美国次贷危机之后世界各国的FD与kaopen指数均出现增速骤减,对于中低收入国家而言甚至出现了两个指标的负向变化。这一现象一方面说明金融危机对于不同发展阶段国家的影响可能是异质的,低收入国家由于经济规模、金融体系发展等相对滞后可能会承担更多的风险。另一方面也说明国家依据当前国际金融与国内金融环境审慎调整金融政策与金融开放政策是应对金融危机的当然举措。

该温控系统在运用集装箱温度系统模糊PID控制原理的基础上,利用MATLAB进行了Simulink的仿真建模,完整的集装箱温度控制系统仿真模型如图3所示。

通过仿真分析,模糊PID控制算法满足了集装箱温度的精确控制。为验证模糊PID控制算法动静态特性及精确控制效果,设定仿真初始温度为0℃,集装箱温度分别为25℃、-15℃、-20℃,进行仿真测试,可获得三种温度下的仿真波形如图4,仿真结果主要参数分析见表3。

 

表3 仿真结果主要参数分析

  

温度变化/℃稳态误差/℃0~25 300 450 4 0.2 0~-15 310 500 3 0.3 0~-20 350 500 6 0.5上升时间/s调整时间/s最大超调/%

  

图3 集装箱温度控制模糊自适应PID仿真模型

由图4、表3可知,该模糊PID控制使得温度控制调整时间短、超调量小,且稳态性能好,有助于减小系统的超调、克服振荡,使系统更稳定,有效改善了控制器性能。

  

图4 不同设定温度下模糊PID控制仿真结果

4 集装箱温度控制系统的实时数据监测及分析

为了测试集装箱温度控制系统的控制效果,进行实时数据的测试实验。在室温为15℃时,对集装箱温控系统进行测试,通过系统人机交互单元,设定温度控制单元目标温度,并在不同时刻记录触摸屏显示的实时温度值。为有效监测集装箱内的温度变化,需在集装箱内的不同位置放置PT100 温度传感器,如图 5 所示。其中,1、2、3、4点分别为箱体四个面的中心点。

(2)系统采用模糊PID控制,由于算法依赖经验数据,同时温度传感单元数据采集存在一定误差和滞后性,使得实际得到的数据与真实情况存在一定的差异。

  

图5 温度传感器在集装箱内的放置位置

盛爱萍教授对瓯越语的相关研究成果进行了梳理和归纳,在前人未曾涉及的领域进行了大胆的摸索和探讨,在此基础上进行了新的研究并有所创新。因此,使得该书立论基础厚实,其对瓯越语语汇的研究具有开拓性和前沿性,具有很高的学术价值和研究意义。

实验测试共分为三阶段:第一阶段的测量设定目标温度为25℃,此阶段为调节温度段;第二阶段的测量设定目标温度为-5℃,此阶段为温度的微调段;第三阶段的测量设定目标温度为-20℃,此阶段为温度的保持阶段。通过对不同阶段采集的数据进行拟合,绘制数据变化趋势如图6所示。

  

图6 实验温度数据变化趋势

根据图6分析可知:

(1)船用冷藏集装箱温控系统满足小于±0.5℃的控制精度及控制要求,能够实现精确控制。其中,最小显示分辨率为0.1℃,且温度超调小,稳态误差小,能在较长时间内保持温度设定的初始值,控制效果良好。

油气管网管理体制的目的是管住中间,提高管输效率,降低管输费用,让终端用户获得实惠,增强天然气的竞争力。

(3)软件方面产生的误差主要包括:信号采集误差、处理器的字长限制和数据处理的算法引起的误差。信号采集的同时,处理器也进行信号处理,但信号处理比信号采集用时长。系统模块检测时,大部分是利用有限个瞬时值代替连续的数值,易导致还原出的波形失真,也难免出现一定的误差。

5 结 语

其中,电源转换模块保证系统中多种直流电源电压的转换,如主控芯片PIC18所需的正常工作电压为3.3 V,人机交互界面所用的液晶显示屏所用电压为12 V,所以在设计时须考虑多种不同电压的需求;温度采集是该温控系统最为重要的环节,可通过选择低成本、高效率的采集模块电路使系统电路更简单,温度值更准确;通信模块是温控系统不可缺少的基础模块,主要包含两路SPI,分别用于上下位机通信以及显示触摸屏与主控芯片的接口;控制器主要通过芯片ATT7022E检测主电路工作的电压和电流,以此判断控制器工作是否正常;供电系统是货船各系统稳定工作的重要保障,通过开关电源转换获得控制器所需的基本电压,根据UPS工作原理设计供电系统,可保证短时间停电时各系统的稳定工作。

参考文献

产业发展是乡村振兴的核心,绿水青山本身就是金山银山,发展必须是科学发展、绿色发展、可持续发展,要坚持“稳”字当头、“适”字为度、“顺”字为要,推进乡村发展与生态建设高度契合。

[1]朱文峰.码头堆场冷藏集装箱温度智能监控系统设计[J].集装箱化,2015,26(12):18-20.

[2]边童.冷藏集装箱环境监控系统的研究与设计[D].淄博:山东理工大学,2012.

[3]杨明亮.船用冷藏集装箱制冷机组及其控制装置的研发[D].厦门:集美大学,2016.

[4]梅雪莲,韩厚德.冷藏集装箱环境室监控系统软件的开发[J].上海海事大学学报,2005,26(3):5-9.

商业贿赂犯罪具有隐蔽性的特点,行贿者、受贿者双方由于存在共同的利害关系,往往相互串通,相互包庇,侦查工作进行缓慢。加上我国目前侦查手段不完善,侦查方式相对单一,因此采用一定的侦查技术是打击商业贿赂的迫切要求。

[5]何昌伟.冷藏集装箱应用电子膨胀阀及其控制算法研究[J].航海技术,2006(1):57-60.

[6]罗飞,雷爽,雷凯.基于模糊自适应PID控制的横切剪系统研究[J].现代制造工程,2017(10):129-133.

[7]张智华,李胜永.港口桥式起重机吊重系统姿态的稳定性控制[J].广东交通职业技术学院学报,2016,15(2):52-55.

[8]张智华,李胜永.基于PLC和SRD的起重船调速控制系统研究与设计[J].广东交通职业技术学院学报,2017,16(1):48-53.

 
张智华,徐勇,李茂福,杨博文
《南通职业大学学报》2018年第01期文献

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