暖体假人温控系统方案的研究

邹钺 李书政 刘赟

东华大学环境科学与工程学院

暖体假人温控系统方案的研究

邹钺 李书政 刘赟

东华大学环境科学与工程学院

暖体假人是模拟人体与环境之间热湿交换的仪器设备，在服装功效研究方面有重要的应用价值。为了找出控制假人温度的最佳方案，本文提出了两种暖体假人表面温度的控制方案，PID控制和固态继电器通断控制，运用Labview软件编程及相应的硬件设备实现对暖体假人表面温度的控制，简单分析比较了两种方案的控制效果，发现PID控制可以更有效并自动地对假人温度进行控制。文章最后还提出了PID控制的改进优化方案。

暖体假人 温度控制 PID固态继电器

0 引言

暖体假人是一种模拟人体散热的设备，它能在设定的环境条件下，模拟人体、服装和环境间的热交换过程，方便地测试服装整体或局部的热学性能参数。暖体假人按其制作材料可分为：铜质暖体假人、铸铝暖体假人、玻璃钢暖体假人。按其用途可分为：干热暖体假人、出汗暖体假人、可呼吸暖体假人和可浸水暖体假人[1]。

暖体假人系统由假人本身和温度控制系统组成。暖体假人全身应分为头、躯干、四肢等解剖段至少6段，在每个解剖段上分别密缠加热丝，在加热丝上敷设有利于温度均匀性的铝膜，然后布置温度探头，与温控系统连接[2]。暖体假人对假人表面温度均匀性要求非常高，就暖体假人系统来说，影响假人表面温度均匀性的因素，一方面是假人表面电热丝及模拟皮肤的敷设，另一方面是对加热丝的加热控制（温度控制），其中将假人温度控制在设定温度（模拟人体体表温度）并保持温度波动在±0.2℃以内是整个假人表面温度均匀的基础[3]。本文就暖体假人的温度控制提出两种不同的控制方式，PID控制和固态继电器控制。

暖体假人的温度控制系统作为下位机与上位PC机连接，通过RS485-232转换卡实现与温度采集卡的通讯[4]。暖体假人的上位机程序是由美国某公司开发的Labview软件开发平台编写，是一种图形化的编程语言（G语言）和开发环境[5]。暖体假人的下位机是以实时控制温度和功率测量为核心任务的软硬件结合的系统。由于各解剖段的工作原理都一样，只有温度采样和控制量输出的通道地址不同，本文就单独一个通道的温度控制来对两种控制方式进行分析比较。

1 PID温度控制

1.1 PID控制

PID控制算法是目前工业控制中应用最普遍的控制算法，即比例积分微分控制。PID控制法是一种线性控制方法，它根据设定值SP(t)与实际输出值PV(t)构成控制偏差e(t)，下列公式表示出各参数之间的关系：

将偏差e(t)的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，因此称为PID控制。

PID控制系统原理图如图1所示。

图1 PID控制系统原理图

1.2 PID控制系统

整个系统的硬件设备包括：PT100热电阻、温度采集模块、RS485-232转换卡、NI USB-6008、直流电机调速器、24V供电电源、36V加热电源。

NI USB-6008可提供8个模拟输入（AI）通道、2个模拟输出（AO）通道、12个数字输入/输出（DIO）通道以及一个带全速USB接口的32位计数器。在此控制方案中只需用到一个模拟输出（AO）通道来输出连续的电压信号。

图2 PID温度控制系统原理图

系统中使用的直流电机调速器是电压控制型的，控制电压0～5V，与NI USB-6008输出的电压信号配合可以实现加热电压36V的0%～100%的无极变化，完美控制加热。

PID温度控制系统的原理图如图2所示。

通过Labview软件编程，PID控制根据温度采集卡获得的温度数据PV算得控制输出output，利用NI-DAQmx与NI USB-6008结合的数据采集与输出实现0～5V电压的实时输出，再通过直流变速器转换为0～36V电压的实时输出，从而实现假人表面温度的精确控制。实际温度控制实验的数据如图3所示。

图3 PID温度控制系统实时数据

2 固态继电器通断控制

2.1 固态继电器

固态继电器是一种无触点电子开关，由分立元器件、膜固定电阻网络和芯片组成，采用混合工艺组装来实现控制回路（输入电路）与负载回路（输出电路）的电隔离及信号耦合，由固态器件实现负载的通断切换功能，内部无任何可动部件。主要由输入（控制）电路、驱动电路和输出（负载）电路三部分组成[6]。

固态继电器是小功率控制高功率的电子器件。由于光耦合器的应用，使控制信号所需的功率极低(约十余毫瓦就可正常工作)，而且Vsr所需的工作电平与TTL、HTL、CMOS等常用集成电路兼容，可以实现直接联接。这使SSR在数控和自控设备等方面得到广泛应用。耦合电路用的元件是光耦合器，它动作灵敏、响应速度高、输入/输出端间的绝缘（耐压）等级高。由于输入端的负载是发光二极管，这使SSR的输入端很容易做到与输入信号电平相匹配，在使用时可直接与计算机输出接口相接，即受1与0的逻辑电平控制[7]。

2.2 固态继电器通断控制

整个系统的硬件设备包括：PT100热电阻、温度采集模块、RS485-232转换卡、NI USB-6008/6501、固态继电器、24V供电电源、36V加热电源。NI USB-6501可提供24个数字输入/输出(DIO)通道以及一个带全速USB接口的32位计数器。在此控制方案中用到一个数字输出通道执行通断输出，用于驱动直流固态继电器，当模块发出电压信号时，固态继电器负载开关闭合，无信号时，固态继电器负载开关断开，以此方式来控制电源加热的通断。

固态继电器通断温度控制系统的原理图如图4所示。

图4 固态继电器温度控制系统原理图

同样通过Labview软件编程，利用NI-DAQmx与NI USB-6008/6501结合的数据采集与输出实现对继电器的通断控制，从而控制了加热电源的加热，进而实现温度的控制。实际温度控制实验的数据如图5所示。

图5 固态继电器温度控制系统实时数据

3 实验结果分析

PID控制方案是连续量输出，而固态继电器控制是开关量输出，基于Labview的PID控制是完全的自动控制，既可以实现外界环境变动情况下的智能温度控制，而固态继电器控制的通断周期必须由用户手动输入才可实现控制，一旦外界环境发生变动，其通断周期不会自动进行调整，必须经过反复试验才可求得最佳通断比，这会大大影响温度的控制效率。PID控制方案的功率输出有功功率占得比例小，成本较高，且功率计算时需进行积分计算。固态继电器控制是通过控制导通时间占输出周期的比例就来控制加热功率大小的，功率计算方便。两种控制方式的功率输出示意图如图6所示。根据温度实时数据可以非常直观地看出在温度相对稳定后PID控制比继电器控制更接近设置温度，更符合温差±0.2℃的要求。

图6 固态继电器控制和PID控制输出

4 结语

总体来看，PID控制方案要优于固态继电器控制方案。在今后的研究中PID控制的功率输出可以通过Labview中的计算算法来进行处理，在不影响控制效果的情况下获得一条更稳定的输出曲线，从而使功率输出更接近于某个平均值，相比通断控制更能直观地看出功率输出的大小。另外，本文中PID控制中的最佳比例控制Kp、积分控制Ti及微分控制Td系数是在常温状态下经过多次试验，得到最佳的控制效果之后挑选出来的，在今后的研究中可以利用Labview软件编程来实现Kp、Ti、Td的自动选择，这样计算机可以在不同的环境条件下自动挑选出最佳的控制系数来进行温度控制，省去了很多人工挑选时间，而且比人工选择更全面更准确。

暖体假人的发展比较迅速，并且非常具有实际意义，真实人体不可能完成的各项测试能由假人来代替完成。尤其是在近几年，国内的研究在某些领域已达到国际先进水平。今后暖体假人的研究侧重于：计算服装的局部热阻；模拟人体非均匀出汗的暖体假人以及如何更真实地模拟人体动态各部位不同的温度以及出汗情况等[8]。因此在完善控制系统后，就可以整体制作假人并进行服装热阻的简单测试了，本文后期研究中已经制作了一个简体假人，为今后进行服装热阻测试奠定了基础，其测试的精度要达到国家标准则需进一步的研究探索。

[1]谌玉红,姜志华,曾长松.暖体假人测试技术研究现状与发展趋势[J].北京纺织报,2000,21(3):49-51

[2]杨凯,焦明立.暖体假人软质模拟皮肤的研究及其应用[J].纺织学报,2008,29(12):74-77

[3]Maria Konarska,Krzysztof So?tynski.Comparative evaluation of clothing thermal insulation measured on a thermal manikin and on volunteers[J].Fibres&Textiles in Eastern Europe,2007,15 (2):73-76[4]Ingvar Holmér.Thermal manikin history and application[J]. European Journal of Applied Physiology,2004,92(6):614-618

[5]袁雪,陈斌鲁.基于LabVIEW的Modbus串口通讯协议的实现[J].现代仪器,2008,(2):31-33

[6]彭建,刘跃.固态继电器及在应用中一些问题的探讨[J].贵州工业大学学报(自然科学版),2000,(6):64-71

[7]周卫兵.固态继电器的特点及应用[J].山西电子技术,2010,(1): 90-92

[8]陈浏.暖体出汗假人的开发现状及其研究方向[J].纺织科技进展,2009,(2):87-89

Re s e a rc h on the The rm a l Ma nikin’s Te m pe ra ture Control Sys te m

ZOU Yue,LI Shu-zheng,LIU Yun
College of Environmental and Engineering,Donghua University

Thermal manikin is equipment simulating the heat and moisture exchange between the human body and the environment,which is important application of costume efficacy study.In order to find out the best program of the thermal manikin’s temperature control system,two program of the thermal manikin’s temperature control system are introduced,PID control and solid state relay make-and-break control,and Labview software and appropriate hardware devices are implemented on the thermal manikin surface temperature control,and the control effect of the two kinds of program are simply analyzed.It is found that PID control can be more effectively and automatically controlled temperature for thermal manikin.Finally,it also suggests improvement and optimization of PID control scheme to lay an important foundation for further research on this topic.

thermal manikin,temperature control,PID,solid state relay

1003-0344（2015）03-070-4

2013-12-9

邹钺（1969～），男，博士，副教授；上海市东华大学环境科学与工程学院（201620）；E-mail:lishuzhengtongxue@163.com