完整版溫度控制系統(tǒng)研究背景與現(xiàn)狀

1、溫度限制系統(tǒng)研究背景與現(xiàn)狀1研究背景12國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀12.1 定值開(kāi)關(guān)溫度限制法 12.2 PID線性溫度限制法 22.3 智能溫度限制法 32.4 國(guó)內(nèi)外實(shí)例41研究背景溫度是生活及生產(chǎn)中最根本的物理量, 它表征的是物體的冷熱程度.自然界 中任何物理、化學(xué)過(guò)程都緊密地與溫度相聯(lián)系.在很多生產(chǎn)過(guò)程中,溫度的測(cè)量 和限制都直接和平安生產(chǎn)、提升生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等重大技術(shù) 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相聯(lián)系.自18世紀(jì)工業(yè)革命以來(lái),工業(yè)過(guò)程離不開(kāi)溫度限制.溫度限制 廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域,如家電、汽車(chē)、材料、電力電子等.溫度限制 的精度以及不同限制對(duì)象的限制方法選擇都起著至關(guān)重要的作用,溫度是鍋爐生

2、產(chǎn)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一,也是保證鍋爐設(shè)備平安的重要參數(shù). 同時(shí),溫度是影響 鍋爐傳熱過(guò)程和設(shè)備效率的主要因素.基于此,運(yùn)用反響限制理論對(duì)鍋爐進(jìn)行溫 度限制,滿足了工業(yè)生產(chǎn)的需求,提升了生產(chǎn)力.2國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀溫度限制技術(shù)根據(jù)限制目標(biāo)的不同可分為兩類(lèi)：動(dòng)態(tài)溫度跟蹤與恒值溫度控 制.動(dòng)態(tài)溫度跟蹤實(shí)現(xiàn)的限制目標(biāo)是使被控對(duì)象的溫度值按預(yù)先設(shè)定好的曲線進(jìn) 行變化.在工業(yè)生產(chǎn)中很多場(chǎng)合需要實(shí)現(xiàn)這一限制目標(biāo),如在發(fā)酵過(guò)程限制,化工生產(chǎn)中的化學(xué)反響溫度限制,冶金工廠中燃燒爐中的溫度限制等. 恒值溫度控 制的目的是使被控對(duì)象的溫度恒定在某一數(shù)值上,且要求其波動(dòng)幅度即穩(wěn)態(tài)誤差不能超過(guò)某一給定值.從工業(yè)溫度限制器的開(kāi)展過(guò)

3、程來(lái)看,溫度限制技術(shù)大 致可分以下幾種：2.1 定值開(kāi)關(guān)溫度限制法所謂定值開(kāi)關(guān)控溫法,就是通過(guò)硬件電路或軟件計(jì)算判別當(dāng)前溫度值與設(shè)定 目標(biāo)溫度值之間的關(guān)系,進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)加熱源或冷卻裝置進(jìn)行通斷限制.假設(shè)當(dāng) 前溫度值比設(shè)定溫度值高,那么關(guān)斷加熱器,或者開(kāi)動(dòng)制冷裝置；假設(shè)當(dāng)前溫度值比 設(shè)定溫度值低,那么開(kāi)啟加熱器并同時(shí)關(guān)斷制冷器.這種開(kāi)關(guān)控溫方法比擬簡(jiǎn)單, 在沒(méi)有計(jì)算機(jī)參與的情況下,用很簡(jiǎn)單的模擬電路就能夠?qū)崿F(xiàn).目前,采用這種 限制方法的溫度限制器在我國(guó)許多工廠的老式工業(yè)電爐中仍被使用.由于這種控制方式是當(dāng)系統(tǒng)溫度上升至設(shè)定點(diǎn)時(shí)關(guān)斷電源, 當(dāng)系統(tǒng)溫度下降至設(shè)定點(diǎn)時(shí)開(kāi)通電源,因而無(wú)法克服溫度變化過(guò)程的

4、滯后性,致使系統(tǒng)溫度波動(dòng)較大,限制精度低,完全不適用于高精度的溫度限制.2.2 PID線性溫度限制法1922年美國(guó)的Minorsky在對(duì)船舶自動(dòng)導(dǎo)航的研究中,提出了基于輸出反響 的比例積分微分(PID, Proportional Integral Differential)限制器的設(shè)計(jì)方法1, 標(biāo)志了 PID限制的誕生.隨后,PID限制器就以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)模型誤差具有魯 棒性以及易于操作等特點(diǎn),在大多數(shù)限制過(guò)程中能夠獲得滿意的限制性能,到了20世紀(jì)40年代就已在過(guò)程限制中得到了廣泛的應(yīng)用.20世紀(jì)3040年代,經(jīng)典的頻域設(shè)計(jì)法得到了很快的開(kāi)展.較為重要的是 Nyquist和Bode在穩(wěn)定性理論

5、上所取得的重要成就.這種經(jīng)典設(shè)計(jì)方法是設(shè)計(jì)一 種反響補(bǔ)償器,以獲得一定量的穩(wěn)定裕度,重點(diǎn)考慮了模型的不確定性,并利用 反響來(lái)減少系統(tǒng)對(duì)干擾和模型誤差的靈敏度.補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)主要是采用由 Nyquist穩(wěn)定準(zhǔn)那么引申出來(lái)的圖解法.進(jìn)入50年代以后,開(kāi)展較快的是解析法,并且定義了一些瞬態(tài)性能指標(biāo). 借助于模擬計(jì)算機(jī)的幫助,能較為方便的檢測(cè)時(shí)域響應(yīng)指標(biāo). 然而,與此同時(shí)對(duì) 限制系統(tǒng)的魯棒性和靈敏度的關(guān)注有所降低.20世紀(jì)50年代中期,隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn),用差分方程來(lái)描述限制系統(tǒng) 模型的方法得到了應(yīng)用.對(duì)人造地球衛(wèi)星的限制促進(jìn)了現(xiàn)代限制理論的開(kāi)展,最優(yōu)限制被用于去尋找非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的最優(yōu)軌跡.20世紀(jì)

6、60年代,基于最優(yōu)化技術(shù)的限制器設(shè)計(jì)方法在解決各種不同設(shè)計(jì)問(wèn) 題上顯示出了其優(yōu)勢(shì).現(xiàn)代限制理論開(kāi)始應(yīng)用于實(shí)際的過(guò)程限制,但這需要對(duì)過(guò)程對(duì)象建立精確的數(shù)學(xué)模型,所以實(shí)際上往往難以得到精確的數(shù)學(xué)模型.因此進(jìn)入七十年代以后,魯棒性問(wèn)題得到了人們更多的關(guān)注.從20世紀(jì)80年代開(kāi)始,在單回路PID限制器中引入了參數(shù)整定和自適應(yīng) 限制理論,PID限制理論從此進(jìn)入了高速開(kāi)展階段.由于PID限制算法簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn),在限制技術(shù)高速開(kāi)展的今天, 它在工業(yè)過(guò)程限制中仍然占有主導(dǎo)地位.由于 PID調(diào)節(jié)器模型中考慮了系統(tǒng)的 誤差,誤差變化及誤差積累三個(gè)因素,因此,其限制性能大大地優(yōu)越于定值開(kāi)關(guān) 控溫法.其具體電路

7、可以采用模擬電路或計(jì)算機(jī)軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)功能.前者稱為模擬PID調(diào)節(jié)器,后者稱為數(shù)字 PID調(diào)節(jié)器.其中數(shù)字PID節(jié)器的參 數(shù)可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)在線整定,因此具有較大的靈活性,可以得到較好的限制效果. 采用這種方法實(shí)現(xiàn)的溫度限制器,其限制品質(zhì)的好壞主要取決于三個(gè)PID參數(shù)(即比例值、積分值、微分值).只要PID參數(shù)選取的正確,對(duì)于一個(gè)確定的受 控系統(tǒng)來(lái)說(shuō),其限制精度是比擬令人滿意的.它對(duì)大多數(shù)工業(yè)限制對(duì)象都能到達(dá)較好的限制效果,但它有明顯的缺點(diǎn),比 如依賴于對(duì)象模型,對(duì)于非線性、大滯后、時(shí)變系統(tǒng)限制效果不理想等.而且隨 著生產(chǎn)的開(kāi)展,對(duì)限制的實(shí)時(shí)性與精度要求越來(lái)越高,被控對(duì)象也越來(lái)越復(fù)雜,

8、 單純采用常規(guī)PID限制器己不能滿足系統(tǒng)的要求,因此出現(xiàn)了許多新的限制方 法.比方自適應(yīng)限制、最優(yōu)限制、智能限制、魯棒限制、滿意限制等,這些限制 策略引入到PID限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中極大地提升了系統(tǒng)的限制性能.其中,智 能PID限制近幾年引起了人們極大的研究興趣.將智能限制方法和常規(guī)PID控制方法融合在一起,形成了許多形式的智能PID限制器.它吸收了智能限制與常規(guī)PID限制兩者的優(yōu)點(diǎn).首先,它具備自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織的水平,能 夠自動(dòng)辨識(shí)被控過(guò)程參數(shù)、自動(dòng)整定限制參數(shù)、能夠適應(yīng)被控過(guò)程參數(shù)的變化；其次,它又具有常規(guī) PID限制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)、可靠性高、為現(xiàn)場(chǎng)工程 設(shè)計(jì)人員所熟悉等特點(diǎn).2

9、.3 智能溫度限制法1971年,著名的美籍華裔科學(xué)家傅京孫教授最早公開(kāi)指出了一個(gè)嶄新的研究領(lǐng)域,并提出了相應(yīng)的概念,這就是智能限制系統(tǒng)(Intelligent Control Systems).1985年8月,IEEE在美國(guó)紐約召開(kāi)了第一界智能限制學(xué)術(shù)討論會(huì),智能控 制原理和智能限制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這一提法成為這次會(huì)議的主要議題.這次會(huì)議決定, 在IEEE限制系統(tǒng)學(xué)會(huì)下設(shè)立一個(gè)IEEE智能限制專業(yè)委員會(huì).這標(biāo)志著智能控 制這一新興學(xué)科研究領(lǐng)域的正式誕生.智能限制作為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科,已正式在 國(guó)際上建立起來(lái).在過(guò)去的20多年里,智能限制理論開(kāi)展迅猛,出現(xiàn)了大量新 穎的限制理論.智能限制系統(tǒng)是某些具有仿人

10、智能的工程限制和信息處理系統(tǒng),它與人工智能的開(kāi)展緊密聯(lián)系.智能限制是一門(mén)新興的交叉前沿學(xué)科, 它具有非常廣泛的應(yīng) 用領(lǐng)域.智能可定義為：能有效的獲取、傳遞、處理、再生和利用信息,從而在 任意給定的環(huán)境下成功的到達(dá)目的的水平. 人工智能是應(yīng)用除了數(shù)學(xué)式子以外的 方法把人們的思維過(guò)程模型化,并利用計(jì)算機(jī)來(lái)模仿人的智能的學(xué)科. 它的應(yīng)用 范圍遠(yuǎn)比限制理論廣泛,如包括判斷、理解、推理、預(yù)測(cè)、識(shí)別、規(guī)劃、決策、 學(xué)習(xí)和問(wèn)題求解等,是高度腦力行為和體力行為的綜合.智能限制就是應(yīng)用人工 智能的理論與技術(shù)和運(yùn)籌學(xué)的優(yōu)化方法,并將其同限制理論方法與技術(shù)相結(jié)將智 能限制與PID限制相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)溫度的智能限制.智能

11、控溫法采用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò) 和模糊數(shù)學(xué)為理論根底,并適當(dāng)加以專家系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化.其中應(yīng)用較多的有 模糊限制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)限制以及專家系統(tǒng)等.尤其是模糊控溫法在實(shí)際工程技術(shù)中 得到了極為廣泛的應(yīng)用.目前已出現(xiàn)一種高精度模糊限制器,可以更好的模擬人 的操作經(jīng)驗(yàn)來(lái)改善限制性能,從理論上講,可以完全消除穩(wěn)態(tài)誤差.所謂第三代智能溫控儀表,就是指基于智能控溫技術(shù)而研制的具有自適應(yīng)PID算法的溫度限制儀表.目前國(guó)內(nèi)溫控儀表的開(kāi)展,相對(duì)國(guó)外而言在性能方面還存在一定的差距,它們之間最大的差異.主要還是在限制算法方面,具體表現(xiàn)為國(guó)內(nèi)溫控儀在全量程 范圍內(nèi)溫度限制精度低,自適應(yīng)性較差.這種缺乏的原因是多方面造成的,如針 對(duì)

12、不同的溫控對(duì)象,由于限制算法的缺乏而導(dǎo)致限制精度不穩(wěn)定等.2.4 國(guó)內(nèi)外實(shí)例甘肅大學(xué)的趙紫靜研究了一種基于 PID溫度限制技術(shù)的X射線發(fā)生器.這 種發(fā)生器需要將其精度限制在 X.5C左右,才能保證器件輸出的X射線波長(zhǎng)不發(fā) 生超出要求的飄移,否那么,X射線波長(zhǎng)的超范圍飄移將使整個(gè)設(shè)備難以正常使用 7.在溫控過(guò)程中,由于難以建立限制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,所以可以用 PID技 術(shù)根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的限制規(guī)律不停地自動(dòng)調(diào)節(jié)限制量以使被控系統(tǒng)朝著設(shè)定的 平衡狀態(tài)過(guò)渡,最后到達(dá)限制范圍精度內(nèi)的穩(wěn)定動(dòng)態(tài)平衡.模糊溫度限制是基于模糊邏輯描述的限制算法,主要嵌入操作人員的經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)知識(shí).它適用于限制不易取得精確數(shù)學(xué)模

13、型和數(shù)學(xué)模型不確定或經(jīng)常變化的 對(duì)象.武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院的賈靜云等將模糊PID溫度限制技術(shù)運(yùn)用在煙氣加熱爐爐溫限制系統(tǒng)中,使得煙氣加熱爐的運(yùn)行狀況和維護(hù)條件得到 了明顯的改善,提升了噴煤比和設(shè)備開(kāi)機(jī)率,降低了能耗和設(shè)備故障次數(shù),很大 程度地提升了生產(chǎn)效率8.中國(guó)內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院的董志學(xué)等研究了 一種基于模糊PID溫度限制系統(tǒng)的熱分析儀限制策略,結(jié)合了模糊限制技術(shù)和 PID限制技術(shù),提升了對(duì)限制對(duì)象的適應(yīng)水平,進(jìn)而提升了溫度限制的精度.數(shù)字PID限制那么是一種是以微處理器為根底,綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、限制技術(shù)、 通訊技術(shù)等高新技術(shù)的智能限制.海軍航空工程學(xué)院根底實(shí)驗(yàn)部的李建海等設(shè)計(jì) 了一種上位機(jī)監(jiān)控采用組態(tài)軟件,下位機(jī)采用西門(mén)子PLC的電路智能溫度限制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了智能限制、閉環(huán)限制、多限制功能為一體的綜合限制系統(tǒng).昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院的王清海等在鍋爐溫度限制研究中將 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID與LabVIEW人及交互結(jié)合,實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐溫度的數(shù)據(jù)采集、限制和 現(xiàn)實(shí),提升了鍋爐溫控系統(tǒng)的效率.英國(guó)的Hamid等將PID限制器應(yīng)用到冰箱的溫度限