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研制高穩定溫柱的關鍵技術
點擊次數：490 發布時間：2008/4/22 9:06:39
摘要：國產溫柱低檔的根本原因，是買不來精確溫控技術，只能采用傳統PID控制，導致溫溫度波動較大、復現性較差。采用SRFC-I型超精模糊控制 模塊控制 溫柱程控升溫，使溫柱溫度波動和復現性能超過水平。
一．問題的提出
分析儀器工作者知道，溫柱的溫度波動嚴重影響分析儀器的復現性和穩定性；也知道溫控技術能夠有效的減小溫柱的溫度波動。然而，由于我國買不來溫控技術，只能沿用傳統PID控制，造成溫柱的溫度波動較大，復現性和穩定性很差，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控制溫柱產生波動的原因
研究表明，造成國產溫柱溫度波動有兩個原因，一個是多段PID造成的動態溫度波動；另一個是積分環節造成的靜態溫度波動。
1. 動態溫度波動
傳統控制能夠用精確數學模型描述線性定常時不變系統。但是，對于非線性時變的溫控系統，還需要采用削足適履式的近似工程手段，才能用概略數學模型表達。
概略數學模型僅在一定的環境條件下有使用價值，而在大多數實際環境中是失真的，由此極大的限制了傳統控制理論的實用性。比如，傳統PID的控制精度限制在±0.1%；再比如，PID控制不能難控被控對象（即大非線性、大時變性和不確定性系統）。傳統控制理論面臨著嚴峻的挑戰。
溫柱程控升溫系統的開環放大倍數K和慣性時間T是時變參數，用單參數PID不能保證全量程（室溫—200℃）的穩定性，溫度波動較大，溫柱的復現性和穩定性都很差。為此，需要采用多段PID控制適應開環放大倍數K和慣性時間T的參數變化，提高系統的穩定性。遺憾的是，多段PID控制在置換PID參數時引發了干擾，同樣會造成溫度波動（動態溫度波動），同樣使溫柱的復現性和穩定性很差，參見圖1。
2. 靜態溫度波動
控制工作者知道，控制系統有兩種靜態收斂形式：一種是雙邊收斂（等幅波動），另一種是單邊收斂（單邊趨進）。研究表明，采用了積分環節的PID只能是雙邊收斂（等幅波動），控制波動難以突破±0.1%。
溫柱程控升溫系統是時變參數系統，采用PID控制的靜態溫度波動性能更差，目前 ，國產溫柱的靜態溫度波動一般大于± 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 自主產權的SRFC—I型超精模糊控制模塊（簡稱I型模塊）參與國家氣相色譜儀產業化項目和質譜儀產業化項目，用于溫柱程控升溫控制，性能十分優秀，如下：
1． 支撐開放式溫柱結構創新
I型模塊適宜精確控制非線性、時變性和不確定性系統，支撐溫柱程控升溫系統采用開放式溫柱結構（太極公司為便攜式氣相色譜而專門設計的溫柱），如圖2所示。
圖2 開放式溫柱結構
開放式溫柱結構的有三大優點：
一是減小50%加熱器功率；
二是減小50%的體積；
三是抗振動。
2． 支撐溫柱高性能
I型模塊采用函數化模糊控制和位置學習 的方法，控制開放式 結構的溫柱的性能十分優秀，如下：
² 穩定性：無波動（單邊趨進），超過水平，參見圖3；
² 升溫速度：≥20℃/min，參見圖3；
² 復現性：復現差≤0.01℃，超過水平，參見圖3。
圖3
I型模塊控制開放式溫柱的響應曲線
I型模塊控制開放式溫柱的響應曲線
四．結論
1. 國產溫柱性能低的根本原因是缺少精確溫控技術，依然采用PID控制使溫柱溫度波動太大（≥±1%），復現性和穩定性低所至。
2. 多段PID控制溫柱，在換參數時產生動態溫度波動；
3. PID控制溫柱中的積分環節產生靜態波動；
4. SRFC—I型超精模糊控制模塊控制開放式溫柱，復現性和穩定性性能超過水平。
原創作者：武漢天罡科技發展有限責任公司
