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國內外現(xiàn)狀 127252.1定值開關溫度控制法 1235312.2PID線性溫度控制法 2232522.3智能溫度控制法 3254952.4國內外實例 41研究背景溫度是生活及生產中最基本的物理量，它表征的是物體的冷熱程度。自然界中任何物理、化學過程都緊密地與溫度相聯(lián)系。在很多生產過程中，溫度的測量和控制都直接和安全生產、提高生產效率、保證產品質量、節(jié)約能源等重大技術經濟指標相聯(lián)系。自18世紀工業(yè)革命以來，工業(yè)過程離不開溫度控制。溫度控制廣泛應用于社會生活的各個領域，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象的控制方法選擇都起著至關重要的作用，溫度是鍋爐生產質量的重要指標之一，也是保證鍋爐設備安全的重要參數(shù)。同時，溫度是影響鍋爐傳熱過程和設備效率的主要因素?；诖耍\用反饋控制理論對鍋爐進行溫度控制，滿足了工業(yè)生產的需求，提高了生產力。2國內外現(xiàn)狀溫度控制技術按照控制目標的不同可分為兩類：動態(tài)溫度跟蹤與恒值溫度控制。動態(tài)溫度跟蹤實現(xiàn)的控制目標是使被控對象的溫度值按預先設定好的曲線進行變化。在工業(yè)生產中很多場合需要實現(xiàn)這一控制目標，如在發(fā)酵過程控制，化工生產中的化學反應溫度控制，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象的溫度恒定在某一數(shù)值上，且要求其波動幅度（即穩(wěn)態(tài)誤差）不能超過某一給定值。從工業(yè)溫度控制器的發(fā)展過程來看，溫度控制技術大致可分以下幾種：2.1定值開關溫度控制法所謂定值開關控溫法，就是通過硬件電路或軟件計算判別當前溫度值與設定目標溫度值之間的關系，進而對系統(tǒng)加熱源（或冷卻裝置）進行通斷控制。若當前溫度值比設定溫度值高，則關斷加熱器，或者開動制冷裝置；若當前溫度值比設定溫度值低，則開啟加熱器并同時關斷制冷器。這種開關控溫方法比較簡單，在沒有計算機參與的情況下，用很簡單的模擬電路就能夠實現(xiàn)。目前，采用這種控制方法的溫度控制器在我國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系統(tǒng)溫度上升至設定點時關斷電源，當系統(tǒng)溫度下降至設定點時開通電源，因而無法克服溫度變化過程的滯后性，致使系統(tǒng)溫度波動較大，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年美國的Minorsky在對船舶自動導航的研究中，提出了基于輸出反饋的比例積分微分（PID，ProportionalIntegralDifferential）控制器的設計方法[1]，標志了PID控制的誕生。隨后，PID控制器就以其結構簡單、對模型誤差具有魯棒性以及易于操作等特點，在大多數(shù)控制過程中能夠獲得滿意的控制性能，到了20世紀40年代就已在過程控制中得到了廣泛的應用。20世紀30～40年代，經典的頻域設計法得到了很快的發(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。這種經典設計方法是設計一種反饋補償器，以獲得一定量的穩(wěn)定裕度，重點考慮了模型的不確定性，并利用反饋來減少系統(tǒng)對干擾和模型誤差的靈敏度。補償器的設計主要是采用由Nyquist穩(wěn)定準則引申出來的圖解法。進入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。借助于模擬計算機的幫助，能較為方便的檢測時域響應指標。然而，與此同時對控制系統(tǒng)的魯棒性和靈敏度的關注有所降低。20世紀50年代中期，隨著數(shù)字計算機的出現(xiàn)，用差分方程來描述控制系統(tǒng)模型的方法得到了應用。對人造地球衛(wèi)星的控制促進了現(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態(tài)系統(tǒng)的最優(yōu)軌跡。20世紀60年代，基于最優(yōu)化技術的控制器設計方法在解決各種不同設計問題上顯示出了其優(yōu)勢?，F(xiàn)代控制理論開始應用于實際的過程控制，但這需要對過程對象建立精確的數(shù)學模型，所以實際上往往難以得到精確的數(shù)學模型。因此進入七十年代以后，魯棒性問題得到了人們更多的關注。從20世紀80年代開始，在單回路PID控制器中引入了參數(shù)整定和自適應控制理論，PID控制理論從此進入了高速發(fā)展階段。由于PID控制算法簡單、可靠性高等特點，在控制技術高速發(fā)展的今天，它在工業(yè)過程控制中仍然占有主導地位。由于PID調節(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因素，因此，其控制性能大大地優(yōu)越于定值開關控溫法。其具體電路可以采用模擬電路或計算機軟件方法來實現(xiàn)PID調節(jié)功能。前者稱為模擬PID調節(jié)器，后者稱為數(shù)字PID調節(jié)器。其中數(shù)字PID節(jié)器的參數(shù)可以在現(xiàn)場實現(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。采用這種方法實現(xiàn)的溫度控制器，其控制品質的好壞主