溫度控制系統(tǒng)研究背景與現(xiàn)狀

1、溫度控制系統(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)溫度控制法 12.2 PID 線性溫度控制法 22.3 智能溫度控制法 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 和控制都直接和平安生產(chǎn)、 提高生產(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)溫度控制。 溫度控制 廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，如家電、汽車、材料、電力電子等。溫度控制 的精度以及不同控制對(duì)象的控制方法選擇

2、都起著至關(guān)重要的作用， 溫度是鍋爐生 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)用反響控制理論對(duì)鍋爐進(jìn)行溫 度控制，滿足了工業(yè)生產(chǎn)的需求，提高了生產(chǎn)力。2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀溫度控制技術(shù)按照控制目標(biāo)的不同可分為兩類： 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)的控制目標(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)這一控制目標(biāo)， 如在發(fā)酵過(guò)程控制， 化 工生產(chǎn)中的化學(xué)反響溫度控制， 冶金工廠中燃燒爐中的溫度控制等。 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

3、度 即穩(wěn)態(tài)誤 差不能超過(guò)某一給定值。 從工業(yè)溫度控制器的開(kāi)展過(guò)程來(lái)看， 溫度控制技術(shù)大 致可分以下幾種：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)行通斷控制。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)有電腦參與的情況下，用很簡(jiǎn)單的模擬電路就能夠?qū)崿F(xiàn)。目前，采用這 種控制方法的溫度控制器在我國(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

4、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)程的滯后性， 致使系統(tǒng)溫度波動(dòng)較大， 控制精 度低，完全不適用于高精度的溫度控制。2.2 PID 線性溫度控制法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 控制器的設(shè)計(jì)方法 1， 標(biāo)志了 PID控制的誕生。隨后，PID控制器就以其結(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)控制過(guò)程中能夠獲得滿意的控制性能， 到了 20 世紀(jì) 40年代就已在過(guò)程控制中得到了廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)3040年代，經(jīng)典的

5、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)。 借助于模擬電腦的幫助， 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)控 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)字電腦的出現(xiàn)，用差分方程來(lái)描述控制系統(tǒng)模 型的方法得到了應(yīng)用

6、。 對(duì)人造地球衛(wèi)星的控制促進(jìn)了現(xiàn)代控制理論的開(kāi)展， 最優(yōu) 控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) 60年代， 基于最優(yōu)化技術(shù)的控制器設(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)代控制理論開(kāi)始應(yīng)用于實(shí)際的過(guò)程控制， 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 控制器中引入了參數(shù)整定和自適應(yīng) 控制理論， PID 控制理論從此進(jìn)入了高速開(kāi)展階段。由于 PID 控制算法簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn)，在控制技術(shù)高速開(kāi)展的今天， 它在工業(yè)過(guò)程控制中

7、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，其控制性能大大地優(yōu)越于定值開(kāi)關(guān) 控溫法。其具體電路可以采用模擬電路或電腦軟件方法來(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， 可以得到較好的控制效果。 采用這種方法實(shí)現(xiàn)的溫度控制器，其控制品質(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)，其控制精度是比擬令人滿意的。它對(duì)大多數(shù)工業(yè)控制對(duì)象都能到達(dá)較好

8、的控制效果， 但它有明顯的缺點(diǎn)， 比 方依賴于對(duì)象模型，對(duì)于非線性、大滯后、時(shí)變系統(tǒng)控制效果不理想等。而且隨 著生產(chǎn)的開(kāi)展，對(duì)控制的實(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， 單純采用常規(guī) PID 控制器己不能滿足系統(tǒng)的要求，因此出現(xiàn)了許多新的控制方 法。比方自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、智能控制、魯棒控制、滿意控制等，這些控制 策略引入到 PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中極大地提高了系統(tǒng)的控制性能。其中，智 能 PID 控制近幾年引起了人們極大的研究興趣。將智能控制方法和常規(guī) PID 控 制方法融合在一起，形成了許多形式的智能 PID 控制器。它吸收了智能控制與 常規(guī) PID 控制兩者的優(yōu)點(diǎn)。首先，

9、它具備自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織的能力，能 夠自動(dòng)辨識(shí)被控過(guò)程參數(shù)、自動(dòng)整定控制參數(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 控制器結(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)。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， 這就是智能控制系統(tǒng) Intelligent Control Systems。1985年 8月， IEEE 在美國(guó)紐約召開(kāi)了第一界智能控制學(xué)術(shù)討論會(huì)，智能控 制原理和智能控制系統(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 控制系統(tǒng)學(xué)會(huì)下設(shè)立一個(gè) IEEE 智能控制專

10、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。 智能控制作為一門獨(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，智能控制理論開(kāi)展迅猛，出現(xiàn)了大量新 穎的控制理論。智能控制系統(tǒng)是某些具有仿人智能的工程控制和信息處理系統(tǒng)， 它與人工智 能的開(kāi)展緊密聯(lián)系。 智能控制是一門新興的交叉前沿學(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)目的的能力。 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， 并利用電腦來(lái)模仿人的智能的學(xué)科。 它的應(yīng)用范 圍遠(yuǎn)比控制理論廣泛，如包括判斷、理解、

11、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。 智能控制就是應(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， 并將其同控制理論方法與技術(shù)相結(jié)將智能 控制與 PID 控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)溫度的智能控制。智能控溫法采用神經(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 糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及專家系統(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)一種高精度模糊控制器， 可以更好的模擬人的 操作經(jīng)驗(yàn)來(lái)改善控制性能， 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

12、研制的具有自適應(yīng) PID 算法的溫度控 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 .主要還是在控制算法方面，具體表現(xiàn)為國(guó)內(nèi)溫控儀在全量程 范圍內(nèi)溫度控制精度低， 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)不同的溫控對(duì)象，由于控制算法的缺乏而導(dǎo)致控制精度不穩(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 溫度控制技術(shù)的 X 射線發(fā)生器。這 種發(fā)生器需要將其精度控制在 ±).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

13、溫控過(guò)程中，由于難以建立控制對(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)定好的控制規(guī)律不停地自動(dòng)調(diào)節(jié)控制量以使被控系統(tǒng)朝著設(shè)定的 平衡狀態(tài)過(guò)渡，最后到達(dá)控制范圍精度內(nèi)的穩(wěn)定動(dòng)態(tài)平衡。模糊溫度控制是基于模糊邏輯描述的控制算法， 主要嵌入操作人員的經(jīng)驗(yàn)和 直覺(jué)知識(shí)。它適用于控制不易取得精確數(shù)學(xué)模型和數(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 溫度控制技術(shù) 運(yùn)用在煙氣加熱爐爐溫控制系統(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， 提高了噴煤比和設(shè)備開(kāi)機(jī)率， 降低了能耗和設(shè)備故障次數(shù)， 很大 程度地提高了生產(chǎn)效率 8。中國(guó)內(nèi)蒙古科技

14、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 溫度控制系統(tǒng)的熱分析儀控制策略，結(jié)合了模糊控制技術(shù)和 PID 控制技術(shù)，提高了對(duì)控制對(duì)象的適應(yīng)能力，進(jìn)而提高了溫度控制的精度。數(shù)字 PID 控制那么是一種是以微處理器為根底 ,綜合了電腦技術(shù)、控制技術(shù)、 通訊技術(shù)等高新技術(shù)的智能控制。 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)采用西門子 PLC 的電路智能溫度控制 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了智能控制、閉環(huán)控制、多控制功能為一體的綜合控制系統(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控制研究中將 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、控制和 現(xiàn)實(shí)，提高了鍋爐溫控系統(tǒng)的效率。英國(guó)的 Hamid 等將 PID 控制器應(yīng)用到冰箱的溫度控