用时滞滤波原理实现高精度温控器及其参数整定

后，使用的模糊控制表如表 1 所示。图 3 中，模糊控
使 得 检 测 器 温 度 以 80 ℃ 设 定 点 为 中 心 稳 幅 振 荡 。
糊控制的输入，K1 和 K2 为输入量化因子，模糊控制实
时动态调整后级 PI 算法的比例 KP 和积分 KI 参数，实
式中，K p
Coeff
和K
ICoeff
为表 1 中对应模糊控制表的
输出值 U。与温度范围相关的 4 个 KP 和 KI 参数由下
文提出的方法进行参数整定。
现从升温到恒温的全过程动态控制。
工业气相色谱仪是完成色谱分离分析和制备的
热升温，冷却则是通过自然冷却的方式，升温与降温
仪器装备，它能把混合物中的各组分随时间分别从
过程表现出不同的动态特性，升温过程要防止出现
混合物中分离出来。色谱仪工作时的温度是气相色
超调过大现象。
谱分析的重要操作变数之一，直接影响分离效率以
及检测器的灵敏度和稳定性
control unit in the industrial gas chromatograph by adjusting the power output of SCR switch circuit.
Keywords: industrial gas chromatograph；time delay filter；parameters tuning of PID；fuzzy control
变化量ΔADC0.1 约为 29。综上可知，电路设计参数完
全能满足温控测量的需要。
温度测量电路原理图
图 3 高精度温度控制实现的原理性框图
图 3 是 低 于 0.1 ℃温 控 精 度 的 温 度 闭 环 控 制 系
元电路。色谱仪工作环境温度的变化、检测器工作
铂电阻测量得到的实际温度 T 被 ADC 转换成数字量
同的温控阶段。
图 3 中 ，ADC 转 换 周 期 被 设 置 等 于 交 流 电 源 周
期，而控制算法的采样周期则选取为 12 个 ADC 转换
周期（3 个实际温度测量工作通道×4 次采样平均/每
通道），即 ts=240 ms，可有效消除 ADC 数据结果中的
工频干扰。
在恒温控制阶段，在 ts 时间周期内，温差 e 数字
图 1 为检测器单元温控电路原理框图。其中，C
是腔体的金属外壳；A 是电阻丝加热器，用于腔体内
图 1 检测器单元温控电路原理框图
的升温控制；B 是 Pt100 铂电阻，用于测量腔体内温
恒流源电路 [6]，为铂电阻 Pt100 提供恒流源，原理图中
最终用保温材料填充，与腔体外壳实现隔离和隔热。
芯 片 ADS1251 和 恒 流 源 电 路 共 用 相 同 的 参 考 电 压
参见图 1 和图 3 控制算法输出的数据结果，预先
制特性。当出现温度超调较大时，只能关闭加热器，
自然冷却后，再依据实时温差 e，软件自动切换至不
-3
2
制算法使用比例积分分离的计算方法 [10]，设置此阶
调节，由于检测器是被动冷却，因此应实现低超调控Fra bibliotek模糊输出量
U（KICoeff）
0
采用用户预设的升温速率进行升温；2）2.5 ℃≤温差
[1-3]
2）热 量 传 导 差 异 特 性:热 传 递 和 热 辐 射 与 绝 对
。文中以色谱仪中的
温度有关，温控特性也随温度的变化而变化,高温段
检测器单元进行分析和讨论，其工作环境温度时刻
时加热器热传递变快，从控制特性上表现出加热器
都在变化，温度控制是个实时复杂的控制系统，且具
的时间常数和纯滞后时间减少。
度；其他功能检测用结构部件也被置于腔体内，腔体
脉冲生成电路直接从 220 V/50 Hz 交流电源，
采用过零
检测法 ，获得 100 Hz 脉冲信号。微处理器内的温控
[5]
程序算法经过分析处理后，在其 I/O 输出端口输出温
控脉冲串信号，
经光电隔离电路，
控制双向可控硅电路
在电源电压过零点处导通或关断电阻加热器 A，从而
350 ℃工作温度范围内的阻值是 100.00~229.72 Ω[7]，
即每 0.1 oC 温度变化量对应的铂电阻端电压变化量
约为 0.280 8 mV；24 位 ADS1251 芯片实际使用 18 位
有效数位，其对应的电压分辨率约为 9.537 8 μV，每
0.1 ℃的温度变化量折算成模数转换器 ADC 的数值
有以下温控特性 :
[4]
1）加 热 和 冷 却 过 程 的 不 对 称 性:温 控 器 通 过 加
收稿日期：2020-05-14
稿件编号：202005105
3）外 部 扰 动 变 化 多 样 特 性:温 控 加 热 器 的 干 扰
因 素 多,电 阻 丝 加 热 器 的 发 热 功 率 与 电 网 电 压 成 平
实现升温过程控制。电阻加热器最小加热时间 tmin 为
电源半波周期 10 ms，加热的电压波形为半个正弦波。
图 2 为温度测量电路，含双运放的 U2 芯片构成
图2
电 流 值 =REF2.5V /R3，取 值 为 2.5 V/330 Ω。 模 数 转 换 器
源 ，可 以 提 高 温 度 测 量 精 度 。 Pt100 铂 电 阻 在 0~
the principle of time delay filter
LIU Zengshui1，CHEN Yudi2
（1. Shanghai Technical Institute of Electronics and Information，Shanghai 201411，China；2. Shanghai
连 续 值 ；将 具 有 固 定 参 数 的 PID 算 法 对 典 型 线 性
控制系统阶跃响应曲线的调整规律作为模糊推
理 规 则，可推理得出 KP、KI 参数各自的二维模糊控制
2.5
-2.0
-1
1.0
-1.0
2.0
0.0
-2.0
0.0
1
-1.0
-1.0
3
-2.5
-2.0
-2.0
-2.0
3 时滞滤波原理与算法参数整定
方关系，电网电压波动时，电阻丝发热功率会发生较
作者简介：刘增水（1969—），男，江西九江人，硕士研究生，高级工程师。研究方向:传感器与仪器仪表。
-106-
刘增水，
等
用时滞滤波原理实现高精度温控器及其参数整定
大的波动。
工业色谱仪中的检测器单元温控精度要求低于
0.1 ℃，远高于常规工业温控系统。
1 色谱仪检测器单元温控电路
将此处的单个脉冲变换成在实践中的单组脉冲串，
2 个脉冲变换成在实践中的多组脉冲串，即完成了时
滞滤波原理的应用转换。
3.1
时滞滤波原理的实际应用验证
温 度 目 标 设 定 值 为 80 ℃ ，对 应 的 ADC 数 值 为
表 [4，8]。在恒温控制阶段，温度变化率 e′ 实质常为 0
103 982,模糊控制和 PI 控制中的积分作用项均不起
信号在 t 2 时刻产生的温度变化 t y ,t x 与 t y 在 t 2 时刻后
产生的温度变化大小相等、方向相反，即 Aδ(t - t1) 和
Aδ(t - t 2) 的脉冲响应在时刻 t 2 之后叠加为零或近似
为零，就可以完全消除温度的波动，从而达到不大于
0.1 ℃ 高 精 度 的 温 控 目 标 ，这 即 是 时 滞 滤 波 原 理 [11]。
method，it can faster and more efficient on⁃line adjust the parameters of the PI control algorithm，also it
can obtain a robust and reliable temperature control realization under the condition of inaccurate
摘要：工业气相色谱仪对工作温度的稳定性提出了很高的要求，依据时滞滤波原理，利用被控过程
稳幅振荡波形频率特征参数，提出了一种全新的可在线式快速高效整定 PI 控制算法参数的方法，
在不需要得到温度控制系统准确数学模型信息的情况下，获得了鲁棒性强且可靠的温度控制器实
现。利用提出的方法，通过可控硅开关功率输出调节电路，对工业气相色谱仪中的检测器温控单
第 29 卷
Vol.29
第8期
No.8
电子设计工程
Electronic Design Engineering
2021 年 4 月
Apr. 2021
用时滞滤波原理实现高精度温控器及其参数整定
刘增水 1，陈瑜迪 2
（1. 上海电子信息职业技术学院，上海 201411；2. 上海神州美景健康科技有限公司，上海 201316）
变化量一般不大于 3，温度变化率 e′ 值实质常为 0，
故文中只使用 PI 算法。
对 温 差 e 和 温 度 变 化 率 e′ 量 值 ，模 糊 控 制 使 用
{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}模糊词集，模
糊子集选择为{-3、-2、-1、0、1、2、3}；子集隶属函数
选择为三角形；温度基本论域选定为温差 e 变动范围
元实现了优于 0.1°的温度控制精度指标。
关键词：工业气相色谱仪；时滞滤波器；PID 参数整定；模糊控制
中图分类号：TN713
文献标识码：A
DOI：10.14022/j.issn1674-6236.2021.08.023
文章编号：1674-6236（2021）08-0106-05
High precision temperature controller and its parameter tuning are realized by using
控系统是非线性时变纯滞后系统。在图 3 中，利用
统框图。设定的目标数字量温度值 T0，以及由 Pt100
时与温控相关参数的非线性和不确定性，决定了温
温度值，两者经过求和比较器后，被送入微处理器单
了模糊控制器算法适合于数学模型未知和多变的过
-107-
《电子设计工程》2021 年第 8 期
程控制特点 [8- 9]，使用温差 e 和温度变化率 e′ 作为模
temperature，in this paper，based on the theory of time delay filter，and by using the steady characteristic
oscillation waveform frequency parameter of the temprature control system，this paper proposes a new
mathematical model of the temprature control system.With the help of the method presented in this
paper，the precision of temperature control is better than ±0.1° for the chromatographic detector temperature
表1
PI 算法中 KP 和 KI 参数调整的模糊控制表
（恒温阶段 e′ 实质常为 0）
2 温控算法实现的特点说明
定 义 温 差 e=设 定 温 度 T0-实 际 温 度 T。 为 实 现
快速且超调小的温控过程，根据温差 e 的大小，温控
过程被分成 3 个不同的阶段：1）温差 e＞5 ℃的线性
e＜5 ℃的温度调整阶段，模糊控制算法起作用，PI 控
Shenzhou Meijing Health Technology Co.，Ltd.，Shanghai 201316，China）
Abstract: Industrial gas chromatograph puts forward high demands on the stability of the working
关 断 。 在 t1 时 刻,可 控 硅 得 到 的 第 一 个 导 通 脉 冲 信
号定义为 Aδ(t - t1)，在 t 2 时刻，第二个导通脉冲信号
则为 Aδ(t - t 2)。检测器是温度时滞系统，通过合理选
择这两个脉冲信号时滞时间差 Δt =(t1 - t1)，使得第 1
个脉冲信号在 t1 时刻产生的温度变化 t x，第 2 个脉冲
2.5 ℃的关键恒温控制阶段，模糊控制和 PI 控制串级
模糊输出量
U（KPCoeff）
-2
升温阶段，模糊控制和 PI 控制算法均不起作用，直接
段可使得整个检测器腔体内温度场均匀；3）温差 e＜
e（实际温差值
子集）
设定温度的实际误差值最终被转换成从微控制器
I/O 端口输出的脉冲串，驱动双向可控硅电路导通或