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技術(shù)文章
研制高穩(wěn)定溫柱的關(guān)鍵技術(shù)
點(diǎn)擊次數(shù)：490 發(fā)布時(shí)間：2008/4/22 9:06:39
摘要：國(guó)產(chǎn)溫柱低檔的根本原因，是買不來(lái)精確溫控技術(shù)，只能采用傳統(tǒng)PID控制，導(dǎo)致溫溫度波動(dòng)較大、復(fù)現(xiàn)性較差。采用SRFC-I型超精模糊控制 模塊控制 溫柱程控升溫，使溫柱溫度波動(dòng)和復(fù)現(xiàn)性能超過(guò)水平。
一．問(wèn)題的提出
分析儀器工作者知道，溫柱的溫度波動(dòng)嚴(yán)重影響分析儀器的復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性；也知道溫控技術(shù)能夠有效的減小溫柱的溫度波動(dòng)。然而，由于我國(guó)買不來(lái)溫控技術(shù)，只能沿用傳統(tǒng)PID控制，造成溫柱的溫度波動(dòng)較大，復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性很差，分析儀器低檔，參見圖1。
圖1 PID控制溫柱程控升溫曲線
二． PID控制溫柱產(chǎn)生波動(dòng)的原因
研究表明，造成國(guó)產(chǎn)溫柱溫度波動(dòng)有兩個(gè)原因，一個(gè)是多段PID造成的動(dòng)態(tài)溫度波動(dòng)；另一個(gè)是積分環(huán)節(jié)造成的靜態(tài)溫度波動(dòng)。
1. 動(dòng)態(tài)溫度波動(dòng)
傳統(tǒng)控制能夠用精確數(shù)學(xué)模型描述線性定常時(shí)不變系統(tǒng)。但是，對(duì)于非線性時(shí)變的溫控系統(tǒng)，還需要采用削足適履式的近似工程手段，才能用概略數(shù)學(xué)模型表達(dá)。
概略數(shù)學(xué)模型僅在一定的環(huán)境條件下有使用價(jià)值，而在大多數(shù)實(shí)際環(huán)境中是失真的，由此極大的限制了傳統(tǒng)控制理論的實(shí)用性。比如，傳統(tǒng)PID的控制精度限制在±0.1%；再比如，PID控制不能難控被控對(duì)象（即大非線性、大時(shí)變性和不確定性系統(tǒng)）。傳統(tǒng)控制理論面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
溫柱程控升溫系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)K和慣性時(shí)間T是時(shí)變參數(shù)，用單參數(shù)PID不能保證全量程（室溫—200℃）的穩(wěn)定性，溫度波動(dòng)較大，溫柱的復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性都很差。為此，需要采用多段PID控制適應(yīng)開環(huán)放大倍數(shù)K和慣性時(shí)間T的參數(shù)變化，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。遺憾的是，多段PID控制在置換PID參數(shù)時(shí)引發(fā)了干擾，同樣會(huì)造成溫度波動(dòng)（動(dòng)態(tài)溫度波動(dòng)），同樣使溫柱的復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性很差，參見圖1。
2. 靜態(tài)溫度波動(dòng)
控制工作者知道，控制系統(tǒng)有兩種靜態(tài)收斂形式：一種是雙邊收斂（等幅波動(dòng)），另一種是單邊收斂（單邊趨進(jìn)）。研究表明，采用了積分環(huán)節(jié)的PID只能是雙邊收斂（等幅波動(dòng)），控制波動(dòng)難以突破±0.1%。
溫柱程控升溫系統(tǒng)是時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，采用PID控制的靜態(tài)溫度波動(dòng)性能更差，目前 ，國(guó)產(chǎn)溫柱的靜態(tài)溫度波動(dòng)一般大于± 1%。
三．SRFC-I型超精模糊控制模塊
2007年4月，北京泛控科技有限公司 自主產(chǎn)權(quán)的SRFC—I型超精模糊控制模塊（簡(jiǎn)稱I型模塊）參與國(guó)家氣相色譜儀產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目和質(zhì)譜儀產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，用于溫柱程控升溫控制，性能十分優(yōu)秀，如下：
1． 支撐開放式溫柱結(jié)構(gòu)創(chuàng)新
I型模塊適宜精確控制非線性、時(shí)變性和不確定性系統(tǒng)，支撐溫柱程控升溫系統(tǒng)采用開放式溫柱結(jié)構(gòu)（太極公司為便攜式氣相色譜而專門設(shè)計(jì)的溫柱），如圖2所示。
圖2 開放式溫柱結(jié)構(gòu)
開放式溫柱結(jié)構(gòu)的有三大優(yōu)點(diǎn)：
一是減小50%加熱器功率；
二是減小50%的體積；
三是抗振動(dòng)。
2． 支撐溫柱高性能
I型模塊采用函數(shù)化模糊控制和位置學(xué)習(xí) 的方法，控制開放式 結(jié)構(gòu)的溫柱的性能十分優(yōu)秀，如下：
² 穩(wěn)定性：無(wú)波動(dòng)（單邊趨進(jìn)），超過(guò)水平，參見圖3；
² 升溫速度：≥20℃/min，參見圖3；
² 復(fù)現(xiàn)性：復(fù)現(xiàn)差≤0.01℃，超過(guò)水平，參見圖3。
圖3
I型模塊控制開放式溫柱的響應(yīng)曲線
I型模塊控制開放式溫柱的響應(yīng)曲線
四．結(jié)論
1. 國(guó)產(chǎn)溫柱性能低的根本原因是缺少精確溫控技術(shù)，依然采用PID控制使溫柱溫度波動(dòng)太大（≥±1%），復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性低所至。
2. 多段PID控制溫柱，在換參數(shù)時(shí)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)溫度波動(dòng)；
3. PID控制溫柱中的積分環(huán)節(jié)產(chǎn)生靜態(tài)波動(dòng)；
4. SRFC—I型超精模糊控制模塊控制開放式溫柱，復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性性能超過(guò)水平。
原創(chuàng)作者：武漢天罡科技發(fā)展有限責(zé)任公司
