温度控制综合系统专项研究背景与现状.doc

温度控制系统研究背景和现实状况1 研究背景12 中国外现实状况12.1定值开关温度控制法12.2 PID线性温度控制法22.3智能温度控制法32.4 中国外实例41 研究背景温度是生活及生产中最基础物理量，它表征是物体冷热程度。自然界中任何物理、化学过程全部紧密地和温度相联络。在很多生产过程中，温度测量和控制全部直接和安全生产、提升生产效率、确保产品质量、节省能源等重大技术经济指标相联络。自18世纪工业革命以来，工业过程离不开温度控制。温度控制广泛应用于社会生活各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等。温度控制精度和不一样控制对象控制方法选择全部起着至关关键作用，温度是锅炉生产质量关键指标之一，也是确保锅炉设备安全关键参数。同时，温度是影响锅炉传热过程和设备效率关键原因。基于此，利用反馈控制理论对锅炉进行温度控制，满足了工业生产需求，提升了生产力。2 中国外现实状况温度控制技术根据控制目标不一样可分为两类：动态温度跟踪和恒值温度控制。动态温度跟踪实现控制目标是使被控对象温度值按预先设定好曲线进行改变。在工业生产中很多场所需要实现这一控制目标，如在发酵过程控制，化工生产中化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中温度控制等。恒值温度控制目标是使被控对象温度恒定在某一数值上，且要求其波动幅度（即稳态误差）不能超出某一给定值。从工业温度控制器发展过程来看，温度控制技术大致可分以下多个：2.1定值开关温度控制法所谓定值开关控温法，就是经过硬件电路或软件计算判别目前温度值和设定目标温度值之间关系，进而对系统加热源（或冷却装置）进行通断控制。若目前温度值比设定温度值高，则关断加热器，或开动制冷装置；若目前温度值比设定温度值低，则开启加热器并同时关断制冷器。这种开关控温方法比较简单，在没有计算机参与情况下，用很简单模拟电路就能够实现。现在，采取这种控制方法温度控制器在中国很多工厂传统工业电炉中仍被使用。因为这种控制方法是当系统温度上升至设定点时关断电源，当系统温度下降至设定点时开通电源，所以无法克服温度改变过程滞后性，致使系统温度波动较大，控制精度低，完全不适适用于高精度温度控制。2.2 PID线性温度控制法1922年美国Minorsky在对船舶自动导航研究中，提出了基于输出反馈百分比积分微分（PID，Proportional Integral Differential）控制器设计方法1，标志了PID控制诞生。随即，PID控制器就以其结构简单、对模型误差含有鲁棒性和易于操作等特点，在大多数控制过程中能够取得满意控制性能，到了20世纪40年代就已在过程控制中得到了广泛应用。20世纪3040年代，经典频域设计法得到了很快发展。较为关键是Nyquist和Bode在稳定性理论上所取得关键成就。这种经典设计方法是设计一个反馈赔偿器，以取得一定量稳定裕度，关键考虑了模型不确定性，并利用反馈来降低系统对干扰和模型误差灵敏度。赔偿器设计关键是采取由Nyquist稳定准则引申出来图解法。进入50年代以后，发展较快是解析法，而且定义了部分瞬态性能指标。借助于模拟计算机帮助，能较为方便检测时域响应指标。然而，和此同时对控制系统鲁棒性和灵敏度关注有所降低。20世纪50年代中期，伴随数字计算机出现，用差分方程来描述控制系统模型方法得到了应用。对人造地球卫星控制促进了现代控制理论发展，最优控制被用于去寻求非线性动态系统最优轨迹。20世纪60年代，基于最优化技术控制器设计方法在处理多种不一样设计问题上显示出了其优势。现代控制理论开始应用于实际过程控制，但这需要对过程对象建立正确数学模型，所以实际上往往难以得到正确数学模型。所以进入七十年代以后，鲁棒性问题得到了大家更多关注。从20世纪80年代开始，在单回路PID控制器中引入了参数整定和自适应控制理论，PID控制理论以后进入了高速发展阶段。因为PID控制算法简单、可靠性高等特点，在控制技术高速发展今天，它在工业过程控制中仍然占有主导地位。因为PID调整器模型中考虑了系统误差，误差改变及误差积累三个原因，所以，其控制性能大大地优越于定值开关控温法。其具体电路能够采取模拟电路或计算机软件方法来实现PID调整功效。前者称为模拟PID调整器，后者称为数字PID调整器。其中数字PID节器参数能够在现场实现在线整定，所以含有较大灵活性，能够得到很好控制效果。采取这种方法实现温度控制器，其控制品质好坏关键取决于三个PID参数（即百分比值、积分值、微分值）。只要PID参数选择正确，对于一个确定受控系统来说，其控制精度是比较令人满意。它对大多数工业控制对象全部能达成很好控制效果，但它有显著缺点，比如依靠于对象模型，对于非线性、大滞后、时变系统控制效果不理想等。而且伴随生产发展，对控制实时性和精度要求越来越高，被控对象也越来越复杂，单纯采取常规PID控制器己不能满足系统要求，所以出现了很多新控制方法。比如自适应控制、最优控制、智能控制、鲁棒控制、满意控制等，这些控制策略引入到PID控制系统设计当中极大地提升了系统控制性能。其中，智能PID控制近几年引发了大家极大研究爱好。将智能控制方法和常规PID控制方法融合在一起，形成了很多形式智能PID控制器。它吸收了智能控制和常规PID控制二者优点。首先，它含有自学习、自适应、自组织能力，能够自动辨识被控过程参数、自动整定控制参数、能够适应被控过程参数改变;其次，它又含有常规PID控制器结构简单、鲁棒性强、可靠性高、为现场工程设计人员所熟悉等特点。2.3智能温度控制法1971年，著名美籍华裔科学家傅京孙教授最早公开指出了一个崭新研究领域，并提出了对应概念，这就是智能控制系统（Intelligent Control Systems）。1985年8月，IEEE在美国纽约召开了第一界智能控制学术讨论会，智能控制原理和智能控制系统结构这一提法成为这次会议关键议题。这次会议决定，在IEEE控制系统学会下设置一个IEEE智能控制专业委员会。这标志着智能控制这一新兴学科研究领域正式诞生。智能控制作为一门独立学科，已正式在国际上建立起来。在过去20多年里，智能控制理论发展迅猛，出现了大量新奇控制理论。智能控制系统是一些含有仿人智能工程控制和信息处理系统，它和人工智能发展紧密联络。智能控制是一门新兴交叉前沿学科，它含有很广泛应用领域。智能可定义为:能有效获取、传输、处理、再生和利用信息，从而在任意给定环境下成功达成目标能力。人工智能是应用除了数学式子以外方法把大家思维过程模型化，并利用计算机来模拟人智能学科。它应用范围远比控制理论广泛，如包含判定、了解、推理、估计、识别、计划、决议、学习和问题求解等，是高度脑力行为和体力行为综合。智能控制就是应用人工智能理论和技术和运筹学优化方法，并将其同控制理论方法和技术相结将智能控制和PID控制相结合，实现温度智能控制。智能控温法采取神经元网络和模糊数学为理论基础，并合适加以教授系统来实现智能化。其中应用较多有模糊控制、神经网络控制和教授系统等。尤其是模糊控温法在实际工程技术中得到了极为广泛应用。现在已出现一个高精度模糊控制器，能够愈加好模拟人操作经验来改善控制性能，从理论上讲，能够完全消除稳态误差。所谓第三代智能温控仪表，就是指基于智能控温技术而研制含有自适应PID算法温度控制仪表。现在中国温控仪表发展，相对国外而言在性能方面还存在一定差距，它们之间最大差异.关键还是在控制算法方面，具体表现为中国温控仪在全量程范围内温度控制精度低，自适应性较差。这种不足原因是多方面造成，如针对不一样温控对象，因为控制算法不足而造成控制精度不稳定等。2.4 中国外实例甘肃大学赵紫静研究了一个基于PID温度控制技术X射线发生器。这种发生器需要将其精度控制在0.5左右，才能确保器件输出X射线波长不发生超出要求飘移，不然，X射线波长超范围飘移将使整个设备难以正常使用7。在温控过程中，因为难以建立控制对象正确数学模型，所以能够用PID技术依据预先设定好控制规律不停地自动调整控制量以使被控系统朝着设定平衡状态过渡，最终达成控制范围精度内稳定动态平衡。模糊温度控制是基于模糊逻辑描述控制算法，关键嵌入操作人员经验和直觉知识。它适适用于控制不易取得正确数学模型和数学模型不确定或常常改变对象。武汉科技大学信息科学和工程学院贾静云等将模糊PID温度控制技术利用在烟气加热炉炉温控制系统中，使得烟气加热炉运行情况和维护条件得到了显著改善，提升了喷煤比和设备开机率，降低了能耗和设备故障次数，很大程度地提升了生产效率8。中中国蒙古科技大学信息工程学院董志学等研究了一个基于模糊PID温度控制系统热分析仪控制策略，结合了模糊控制技术和PID控制技术，提升了对控制对象适应能力，进而提升了温度控制精度。数字PID控制则是一个是以微处理器为基础,综合了计算机技术、控制技术、通讯技术等高新技术智能控制。海军航空工程学院基础试验部李建海等设计了一个上位机监控采取组态软件，下位机采取西门子PLC电路智能温度控制系统，实现了智能控制、闭环控制、多控制功效为一体综合控制系统。昆明理工大学信息工程和自动化学院王清海等在锅炉温度控制研究中将神经网络PID和LabVIEW人及交互结合，实现对锅炉温度数据采集、控制和现实，提升了锅炉温控系统效率。英国Hamid等将PID控制器应用到冰箱温度控制中，经过使用MATLAB/Simulink软件仿真和误差分析图方法和传统ON-OFF控制做了细致比较。结果表明，PID控制不管是在精度和控制性能方面全部优于ON-OFF控制。日本Komatsu Electronics企业Kazuhiro Mimura对基于PID控制和现代控制理论相结合离子化热水器温度控制开展了研究，结果证实这么温度控制方法能够使用比传统控制系统更少温度传感器，进而降低成本，提升了企业效益。