溫度控制系統(tǒng)研究背景與現(xiàn)狀

溫度控制系統(tǒng)研究背景與現(xiàn)狀TOC\o"1-3"\h\u163251研究背景 1253422國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 127252.1定值開(kāi)關(guān)溫度控制法 1235312.2PID線性溫度控制法 2232522.3智能溫度控制法 3254952.4國(guó)內(nèi)外實(shí)例 41研究背景溫度是生活及生產(chǎn)中最基本的物理量，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)量和控制都直接和安全生產(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)備安全的重要參數(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?；诖?，運(yùn)用反饋控制理論對(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)反應(yīng)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)溫度控制器的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，溫度控制技術(shù)大致可分以下幾種：2.1定值開(kāi)關(guān)溫度控制法所謂定值開(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)行通斷控制。若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值高，則關(guān)斷加熱器，或者開(kāi)動(dòng)制冷裝置；若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值低，則開(kāi)啟加熱器并同時(shí)關(guān)斷制冷器。這種開(kāi)關(guān)控溫方法比較簡(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。2.2PID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，提出了基于輸出反饋的比例積分微分（PID，ProportionalIntegralDifferential）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)30～40年代，經(jīng)典的頻域設(shè)計(jì)法得到了很快的發(fā)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)一種反饋補(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，并利用反饋來(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)則引申出來(lái)的圖解法。進(jìn)入50年代以后，發(fā)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)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)字計(jì)算機(jī)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。對(duì)人造地球衛(wèi)星的控制促進(jìn)了現(xiàn)代控制理論的發(fā)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)?，F(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)入了高速發(fā)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)高速發(fā)展的今天，它在工業(yè)過(guò)程控制中仍然占有主導(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