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基于双闭环控制策略的微波加热系统的设计与实现

摘要：微波能量作为一种新颖，清洁，高效的能源广泛应用于广泛的工业应用。本文介绍了微波加热系统的设计与实现，提出了一种双闭环控制策略来调节微波功率.此外，进行了几项实验，实验结果表明，输出微波功率对预期合理准确，样品温度得到有效控制。
关键词：微波加热;双闭环;微波功率;样品温度

1引言
能源是人类社会发展中最重要的资源，资源节约和环境保护已成为社会主要关切的问题。 Mi-crowaves是频率范围从300MHz到300GHz的电磁频谱的一部分，其对应于1mu;m到1mm的波长范围[1]。微波能量已被广泛应用于广泛的应用，作为一种新颖，绿色和高效的能源[2]。
由于与常规加热有关的各种优点，如快速和选择性加热，以及其提供材料内部加热的能力，微波加热可以降低必要的温度并减少加热处理的时间[3]。家用微波炉广泛用于我们的生活中加热或再加热食物。许多工业微波加热系统已经设计用于微波辅助有机合成[4]，微波辅助混凝土回收[5]，微波干燥钛铁矿[6]等。精确控制微波加热处理是必要的[7]。通常，在微波加热系统中引入了两个控制变量，微波功率和采样温度。微波功率是需要控制的关键变量，为简单起见，它在一些过程中是单个控制变量，如微波干燥玉米[8,9]，草莓[10]，香蕉[11]，微波炉的大米[12]和小胡瓜[13]。然而，样品温度必须在微波干燥[14]，微波辅助活性碳[15]等各种复杂应用中考虑。本文旨在设计一种双闭合微波加热控制系统，能够控制磁控管的微波输出功率和同步温度。进行了几项实验来测试设计的系统。本文的其余部分组织如下：第2节专门介绍微波加热系统的设计。第3节介绍了双闭环反馈控制策略。第4节着重于对该过程的实验分析。最后，第5节得出结论和前景。

2微波加热系统
双闭环控制微波加热系统的结构如图1所示。该系统主要由微波电源子系统（MPSS），微波传输子系统（MTS），微波腔（MC），感应和采集子系统（S＆AS），在线控制子系统（OLCS）和人机控制子系统（HCCS）。所有子系统的关系如图1所示，其中黄，紫，蓝，红线被尊重入射微波，反射微波，数据和电力。
2.1微波电源子系统
MPSS由高压电源（TL12GW-300C，中国灵芝研究所），电力转换器和磁控管（日本松下2M244-M1）组成。
A.磁控管的结构
磁控管是一种电子管，用于在加热应用中减少所需的微波能量[16]。连续波磁控管的结构如图2所示。mag-netron的输出微波功率可大致描述为

P_out = eta;V_hI_a (1)

其中Ia是灯丝电流，Vh是阴极和阳极之间的高直流电压，eta;是转换效率系数。根据磁控管操作理论[16]，通过调节阳极电流来改变微波输出功率。可以通过变化Vh来实现。在本文中，固定频率为2450 MHz的2M244-M1磁控管的输出功率可达1000W，可以连续调节。

图1：微波加热系统的结构

图2：磁控管（1-长丝电流，2-永磁体，3-外部天线，4-阴极，5-阳极）的结构

B.高压电源
TL12GW-300C模块用作高压电源，为磁控管的阳极提供输出高电压，工作在由PLC控制的0 V-5.0 V模拟控制电压模式。并且可以连续，自动地将磁控管的输出功率从0增加到1000W。磁网的输出功率可以通过模块在0 W到1000 W之间连续自动调节。
C.电源转换器
电源转换器用于将220 V AC转换为12 V AC，可为磁控管阴极提供灯丝电流。
2.2微波传输子系统
MTS由矩形波导，环行器，匹配负载和双向耦合器组成。两个WR-430（美国电子工业协会，EIA）整流波导用于传播从磁控管产生的2.45 GHz微波，其主要模式频率范围为1.72 GHz至2.61 GHz。铁氧体循环器（CWSH05，中国）是三端口设备，由偏置磁场的永磁体组成。理想的循环器散射可以写成

0 0 1

[s] = 1 0 0 (2)
0 1 0

这意味着微波功率流可以从端口1到2,2到3和3到1发生，但不是反向的。循环器的中间端口以匹配的负载端接，因此该循环器实际上被配置为隔离器。循环冷却水用作匹配负载以从MC吸收反射的微波。为了防止反射的微波传播回磁控管，在该系统中已经采用了可以每分钟30升的水泵。双向耦合器是通过端口，隔离端口和耦合端口的入口端口的四端口网络。提供给输入端口的微波功率耦合到耦合端口，而微波功率器的其余部分被传送到通孔。在理想的定向耦合器中，微波功率不会传递到隔离端口，但是反射功率实际上被传送到隔离端口。
2.3微波腔
本文采用矩形波导腔作为Mi-crowave腔。 MC是一个封闭的盒子，可以防止体积为0.45times;0.4times;0.3立方米的铝合金辐射损失。 MC在多谐振模式下工作，对微波加热过程中负载温度分布的均匀性有很大的影响。
2.4传感和采集子系统
感测采集子系统由门控开关，光纤温度计（FTS-I201，Opt-sensor，中国），两台检测仪（TJ8，上海雅美微波仪器厂有限公司）和一台摄像机组成， S＆AS的示意图如图3所示。门开关用于检测微波炉门的锁定状态，以防止微波泄漏到环境中。摄像机用于通过一个小孔（直径4毫米）来服务加热过程。MC的入射和反射微波功率可以分别通过两个检测仪在耦合端口和隔离端口上检测到。在一般情况下，检测仪的最大测量值为1 W，因此衰减器需要添加到衰减器中，瞬态微波功率小于1 W.光纤温度计由光纤传感器和温度解调模块组成。将光纤运动传感器插入烧瓶中，以在加热过程中检测样品温度。

图3：S＆AS示意图

图4：双闭环反馈控制策略示意图

温度解调模块基于MODBUS协议与PC通信。将测量的温度数据转移到PC进行控制和记录。光纤温度计的采样频率为1 Hz，温度测量范围为-40°C至250°C。2.5在线控制子系统PLC（可编程逻辑控制器）由S7-200 CPU和EM135模拟模块组成，用作在线控制子系统，从S＆AS获取感测数据，并将MPSS的高压控制到微波功率。
2.5人机控制子系统
PC（个人计算机）被用作HCCS，并已扩展到三个串行端口，同时与OLCS和S＆AS进行通信。集成P-PI协议和MODBUS协议用于HCCS，分别对PLC和光纤温度计进行读写操作。来自PLC和温度计的串行端口的RS-485输出信号通过两个RS-232 / RS-485转换器转换为RS-232信号。
3双闭环反馈CON-TROL策略
入射微波功率和采样温度两个变量将被视为本系统的控制输入。根据实时控制目标，采用双闭环反馈控制策略控制和调节两个变量，原理图如图4所示。
3.1实施微波功率控制回路的快速运行策略
PLC用作微波功率控制回路中的反馈控制器，PID算法的速度形式用于调节微波功率，可以描述为

u_k =K_p(e_k minus; e_kminus;1) K_ie_k K_d(e_k minus; 2e_kminus;1 e_kminus;2) (3)

其中uk = uk-uk-1和ek = usp uk，usp和uk分别是时间k处的设定点和实际输出的微波功率值; ek是所需功率设定点与实际测量值之间的误差; Kp，Kiand Kd是PID算法的参数。 PLC软件设计流程图如图5所示。目标是实现快速运行策略，跟踪HCCS微波功率的设定点。 为了提高微波加热系统的安全性，在输出微波功率之前，先检查关于门开关，应急开关，温度阈值的状态。

图5：PLC主程序流程图

3.2实施温度控制回路智能化策略
PC作为最优控制器，并基于配置软件MCGS（监控和控制生成系统），对采样温度控制提出了一种智能层次结构的爆炸控制策略。爆炸控制策略由

其中Ps（t）是实时传输到PLC的微波功率的设定点，PM1，PM2，PM3是输出微波功率的切换值Te1和Te2（Te1gt; Te2）是切换阈值 的样品温度，T是给出的温度误差

图6：MCGS主窗口

图7：MCGS主窗口流程图

4实验结果
开发的微波加热系统如图8所示。进行了四个实验以测试设计的微波加热系统。 所有的控制器都在网上实现了所提出的微型加热系统。 在微波加热实验中使用2000mL去离子水（DI）作为样品，样品初始温度和室温均为20℃。

图8：微波加热系统

图9：微波功率的测量与设定点

图10：微波功率测量（1000W）

4.1微波输出功率的性能
使用手持RF组合分析仪（N9912A FieldFox，Agilent）分析微波输出功率的性能。图9显示，输出微波功率近似线性，设定点范围为2.45 GHz的600 W至900 W，但在另一部分则为非线性。此外，我们发现由于磁控管的输出特性，在2.45 GHz附近有几个深峰或峰。微波功率测量是使用RF组合分析仪的1000个采样点的平均值。从图10可以看出，上升时间为10 s，微波功率设定点加热过程中发现微波功率测量值明显高于1000W，主要是由于不准确的双重功能，定向耦合器和分析仪。微波功率测量是RF组合分析仪的100个采样点的平均值。
4.2不同微波功率下样品温度的性能
样品经过几乎相同的初始温度照射到50°C，分别为600 W，700 W，800 W，900 W和1000 W的微波功率设置。 图11给出了不同微波功率的微波加热过程的结果。

图11：不同微波功率的样品温度测量

表1：不同微波功率设置的拟合多项式