高精度温度控制方式述评[1]
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1 模拟控制方式
多年以来 , 温度控制多采用模拟式 P ID 温度控制 器 , 它可以准确检测出被控对象温度的微小变化 , 利
收稿日期 : 2008 - 05 - 07 作者简介 : 吴疆 (1960 - ) , 男 , 高级工程师 , 从事温度计量及 测控技术研究 。
用电桥平衡原理 , 通过模拟电路 , 将偏差准确 、迅速 地作用于 P ID 调节器 , 通过 P ID 调节器的直流输出去控 制可控硅触发器 , 改变可控硅的导通角 , 从而改变加 热器的加热功率 。采用该模拟控制方式的温度控制器 , 其原理框图如图 1 所示 。使用该类温度控制器的系列 恒温槽 , 温度稳定性一般可以达到 ±0101℃ /15 m in。
通过本文对温度控制中常用的三种控制方法的分 析比较可知 , 要满足高精度温度控制和自动化的需求 ,
综 合 评 述 · 7 ·
数字 /模拟 (混合 ) 控制方式不失为一种较好的选择 。 表 1 不同温度控制方式的比较
数字方式
控制方式 模拟方式 数字方式
混合方式
(模糊 )
控制的稳定性 好
一般
一般
好
控制反应速度 快
4 结束语
表 1给 出了 3 种控 制 方 式 的 特 点 、适 用 对 象 及 结论 。
温度控制系统的稳定性 、快速性和准确性三个主 要指标常常是互相矛盾 、互相制约的 , 所以不能片面 追求某一指标 。目前 , 高速 、高精度的 A /D 转换器技 术发展很快 , 能够提供更高的采样分辨力和更快的采 样速率 ; 微处理器 MCU 的速度也提高很快 。可以使数 字控制方式温度控制系统的准确性和响应速度得到提 高 。另外 , 随着数字电位器技术的发展 , 能提供较宽 范围 、较高分辨力的电阻值 , 使混合控制方式的 P ID 参数有更大的可调范围和数字值 。可以使混合控制方 式温度控制系统的准确性得到提高 。
慢
快
快
控制动态范围 不好
好
好
好
控制分辨力 高
一般
一般
高
测量分辨力 低
高
高
高
制造成本
来自百度文库
低
高
低
高
调试成本
高
一般
低
一般
定点控制 定点控制 多点控制 多点控制 适用对象
各种精度 较高精度 一般精度 高精度
参考文献
[ 1 ] WU J iang, HE M eng, WANG Guanglin1Fuzzy Controller of Tube Furnace for Thermocoup le Calibration [A ] 111th INTERNA2
大学出版社 , 20001 [4] 金以慧 1 过程控制 [M ] 1 北京: 清华大学出版
图 2 数字控温方式原理框图
目前常用的数字控制方法主要是以 P ID 控制器为代 表的传统控制器和以模糊控制器为代表的智能控制器 。 211 数字 P ID控制
在 P ID 控制中 , 操作量只是求取控制偏差的积分 值、比例值和微分值的权重之和 , 原理简单 , 并且已有 50多年的使用历史 , 有比较成熟的参数调整方法 , 亦能 得到较满意的结果 。在目前的工业过程控制中 , 80%以 上仍采用此种控制方式 。
图 1 P ID 温控器原理图
模拟方式控温输出信号平滑 , 受外界扰动小 , 稳 定性比较好 。这类控制器虽然可以满足控温精度要求 , 但是参数的设定和调节复杂 , 故障率高 , 自动化程度 低 , 要求操作人员具有丰富的经验 。此外 , 对于只能 设置一组 P ID 参数的模拟 P ID 调节器 , 参数调节范围 有限 , 因此存在速度与控温精度之间的矛盾 。
与模拟式控制器相比 , 数字控制器操作方便 , 控 制参数可通过微处理器进行调节 , 通用性强 。通过通 讯接口的设立 , 可与上位机方便的组成自动检定系统 , 大大提高了检定工作的效率 。目前 , 市面上已有多种 采用数字式的温度控制器 , 具有较高的测量及控制分 辨力 (一般能达到 0102% ) , 因此可以满足恒温槽控 制的高精度要求 , 但同时价格也是昂贵的 。采用这种 全数字式结构的控制器 , 控制效果的好坏一方面取决 于控制算法的优劣 , 另一方面也与测温电路的性能有 着密切的关系 , 一般要求达到 mK级的温度测量分辨 力 , 而电路中测量放大器的精度 、模 /数转换器的分辨 力以及各种干扰信号等引起的误差都会对测温电路的 性能产生影响 , 从而影响了控制效果 。
2008年第 28卷第 3期
对象的参数 、结构的变化具有很好的鲁棒性特点 。 模糊控制器本质上是一种非线性控制器 , 为了提
高响应速度 , 它允许调节工具输出较大动作 。同时 , 又可以通过规则使其适可而止抑制超调 , 避免调节过 程中因动作过渡而引起振荡 。因此动态响应快 , 超调 量小 。
模糊控制器由于不具有积分环节 , 因而在模糊控 制的系统中很难完全消除稳态误差 , 而且在变量分级 不够多的情况下 , 常常在平衡点的附近会有很小的振 荡现象 。 213 模糊 P ID 控制器
计测技术
综 合 评 述 · 5 ·
高精度温度控制方式述评
吴疆 , 何萌 , 吴方
(中国一航北京长城计量测试技术研究所 , 北京 100095)
摘 要 : 对高精度温度控制系统中常用的模拟控制方式 、数字控制方式和模拟 /数字控制方式作了比较 , 目
的在于找到既能满足计量检定恒温装置所需的技术指标 、又方便实用的控制方式 。
模糊控制是通过对操作人员的操作经验进行总结 , 模仿人的大脑 , 用严密的逻辑关系对一些控制对象实 施的智能控制 。它能在不知道控制对象精确数学模型 的情况下 , 通过对控制对象的性质 (如放大倍数 、纯 滞后时间等 ) 有一个粗略的了解 , 详细总结操作人员 的操作经验 , 把人的经验形式化并引入控制过程 , 再 运用比较严密的数学处理过程 , 实现模糊推理 , 进行 判断决策 , 实施控制 。因此不要求模型精度 , 对被控
传统控制器鲁棒性差的主要原因是算法对被控对 象精确数学模型的依赖性 , 如 P ID 控制器 , 其控制器 的各种参数 , 如比例系数 、积分系数 、微分系数等与 被控对象精确数学模型密切相关 , 而且参数与参数之 间还相互影响 , 所以一旦控制器的参数或被控对象的 模型参数发生变化 , P ID 控制器的控制特性如超调量 , 上升时间 、调节时间等将发生较大变化 。所以当被控 对象的数学模型参数发生改变时 , 控制器的参数必须 进行相应的改变以满足所需的控制特性 。如果被控对 象处于不确定状态 , 其控制器的参数就很难调整 , 控 制器的控制特性也会恶化 , 甚至发生失控现象 , 如出 现积分饱和现象等 。 212 模糊控制
温度控制问题实质上是一个传热问题 。温度值的 精确控制或精确锁定客观上要求在实验的空间内达到 供给和散失热量之间的平衡 , 温度控制可以用不同方 法达到不同的控制精度 。本文将从稳定性 、快速性和 准确性三个方面对用于温度控制的模拟控制方式 、数 字控制方式和数字 /模拟混合控制方式进行特征比较 。
关键词 : 高精度 ; 温度控制 ; 模拟控制 ; 数字控制
中图分类号 : TP273 文献标识码 : A
文章编号 : 1002 - 6061 (2008) 03 - 0005 - 03
Rev iew of H igh Prec ise Tem pera ture Con trol M ethods WU J iang, HE M eng, WU Fang
考虑到 P ID 和模糊控制器两者的优缺点 , 可以构 成兼有这两者优点的模糊 P ID 控制器 。例如利用模糊 控制器来给 P ID 控制器在线自整定 P ID 参数 , 组成模 糊自整定参数 P ID 控制器 ; 另一种是在大偏差范围内 采用比例控制 , 而在小偏差时采用模糊控制 , 两种控 制方式的切换是根据预先确定的偏差阀值来控制的 ; 与此类似 , 可以设计多模分段控制的算法 , 根据不同 条件和要求分段用不同模态进行控制 。
2 数字控制方式
20世纪 90年代以后 , 很多单位开展了对计量检定 装置的数字温度控制器的研究 。主要工作过程是用传感 器定时温度采样 , 获得相应的电信号 , 经信号调理、模
· 6 · 综 合 评 述
/数转换后把反映温度高低的模拟量转化成数字量 , 传 给微处理器 , 当控制周期到达时 , 与设定值进行比较 , 得到该时刻的偏差值 Δe, 经过某种算法运算获得控制 量 , 该控制量经数 /模转换后控制执行机构 , 从而控制 并稳定被控对象的温度。其原理框图如图 2所示。
TIONAL M ETROLOGY CONGRESS [ C ] 1Toulon2France:
20031202231 [ 2 ] 窦振中 1模糊逻辑控制技术及其应用 [M ] 1 北京 :
北京航空航天大学出版社 , 20011 [ 3 ] 何克忠 , 李伟 1计算机控制系统 [M ] 1北京 : 清华
3 数字 /模拟 (混合 ) 控制方式
将数字技术应用于模拟式温度控制器中 , 既满足 了系统自动化的要求 , 又汲取了模拟式温度控制器高 精度的优点 , 例如哈特 9107, 9105温度控制系统 。它 的主要工作原理是传感器定时采样被控对象的温度 , 把它转化为相应的电信号 , 模 /数转换后送给微处理 器 , 把反映温度高低的模拟量转化成数字量 , 进行显 示和作为 P ID 参数整定的依据 。来自传感器的信号同 时与设定温度值的电信号进行比较 , 偏差经放大后输 入到模拟 P ID 调节器中 , 直接输出去控制可控硅触发 器 , 改变可控硅的导通角 , 从而改变加热器的加热功
Key words: high p recision; temperature control; analog control; digital control
0 引言
恒温装置是检定温度计的基本条件 , 它对技术指 标的要求很高 , 如控温精度 ( 1000 ±011) ℃, ( 300 ± 0101) ℃, ( - 200 ±01001) ℃等 , 这种高精度控制是一 般工业生产过程中的温度控制不能比拟的 。而温度是 一个大惯性 、纯滞后的非线性控制对象 , 温度控制系 统的参数不易确定 , 使得温度控制对象的精确数学模 型难以建立 。因此 , 对温度控制系统中控制方法的选 用提出了较高的要求 。
(Changcheng Institute of M etrology & M easurement, Beijing 100095, China)
Abstract: The analog control, digital control and analog/ digital control which are usually used for high p recise temperature control system are compared in this paper1The purpose is to find a control method which is not only to meet the demand of the thermostatic apparatus used for calibration but also is convenient to be used1
计测技术
率 , 控制被控对象 。其原理框图如图 3所示 。
图 3 数字 /模拟控温方式原理框图
数字 /模拟控制方式的控制系统具有以下特点 : 可变参数的模拟 P ID 调节器 。通过模拟电路 , 将 偏差准确 、迅速地反馈给模拟 P ID 调节器 , 利用微处 理器调整 P ID 参数 。设置了偏差检测和放大装置 , 由 模拟电路完成 , 这种电路结构具有很高的共模抑制比 , 有效地抑制了输入端噪声及温漂的影响 , 可以检测输 入电压的微小变化 。输入 P ID 调节器的偏差信号 , 是 测量电压与设定值电压的差值 , 无需经过微处理器计 算 。这种电路结构 , 吸取了传统模拟式电桥平衡原理 控温的优点 , 有效地保证了控温的灵敏度 。温度值采 用数字设定 , 设定分辨力优于 01001℃。
多年以来 , 温度控制多采用模拟式 P ID 温度控制 器 , 它可以准确检测出被控对象温度的微小变化 , 利
收稿日期 : 2008 - 05 - 07 作者简介 : 吴疆 (1960 - ) , 男 , 高级工程师 , 从事温度计量及 测控技术研究 。
用电桥平衡原理 , 通过模拟电路 , 将偏差准确 、迅速 地作用于 P ID 调节器 , 通过 P ID 调节器的直流输出去控 制可控硅触发器 , 改变可控硅的导通角 , 从而改变加 热器的加热功率 。采用该模拟控制方式的温度控制器 , 其原理框图如图 1 所示 。使用该类温度控制器的系列 恒温槽 , 温度稳定性一般可以达到 ±0101℃ /15 m in。
通过本文对温度控制中常用的三种控制方法的分 析比较可知 , 要满足高精度温度控制和自动化的需求 ,
综 合 评 述 · 7 ·
数字 /模拟 (混合 ) 控制方式不失为一种较好的选择 。 表 1 不同温度控制方式的比较
数字方式
控制方式 模拟方式 数字方式
混合方式
(模糊 )
控制的稳定性 好
一般
一般
好
控制反应速度 快
4 结束语
表 1给 出了 3 种控 制 方 式 的 特 点 、适 用 对 象 及 结论 。
温度控制系统的稳定性 、快速性和准确性三个主 要指标常常是互相矛盾 、互相制约的 , 所以不能片面 追求某一指标 。目前 , 高速 、高精度的 A /D 转换器技 术发展很快 , 能够提供更高的采样分辨力和更快的采 样速率 ; 微处理器 MCU 的速度也提高很快 。可以使数 字控制方式温度控制系统的准确性和响应速度得到提 高 。另外 , 随着数字电位器技术的发展 , 能提供较宽 范围 、较高分辨力的电阻值 , 使混合控制方式的 P ID 参数有更大的可调范围和数字值 。可以使混合控制方 式温度控制系统的准确性得到提高 。
慢
快
快
控制动态范围 不好
好
好
好
控制分辨力 高
一般
一般
高
测量分辨力 低
高
高
高
制造成本
来自百度文库
低
高
低
高
调试成本
高
一般
低
一般
定点控制 定点控制 多点控制 多点控制 适用对象
各种精度 较高精度 一般精度 高精度
参考文献
[ 1 ] WU J iang, HE M eng, WANG Guanglin1Fuzzy Controller of Tube Furnace for Thermocoup le Calibration [A ] 111th INTERNA2
大学出版社 , 20001 [4] 金以慧 1 过程控制 [M ] 1 北京: 清华大学出版
图 2 数字控温方式原理框图
目前常用的数字控制方法主要是以 P ID 控制器为代 表的传统控制器和以模糊控制器为代表的智能控制器 。 211 数字 P ID控制
在 P ID 控制中 , 操作量只是求取控制偏差的积分 值、比例值和微分值的权重之和 , 原理简单 , 并且已有 50多年的使用历史 , 有比较成熟的参数调整方法 , 亦能 得到较满意的结果 。在目前的工业过程控制中 , 80%以 上仍采用此种控制方式 。
图 1 P ID 温控器原理图
模拟方式控温输出信号平滑 , 受外界扰动小 , 稳 定性比较好 。这类控制器虽然可以满足控温精度要求 , 但是参数的设定和调节复杂 , 故障率高 , 自动化程度 低 , 要求操作人员具有丰富的经验 。此外 , 对于只能 设置一组 P ID 参数的模拟 P ID 调节器 , 参数调节范围 有限 , 因此存在速度与控温精度之间的矛盾 。
与模拟式控制器相比 , 数字控制器操作方便 , 控 制参数可通过微处理器进行调节 , 通用性强 。通过通 讯接口的设立 , 可与上位机方便的组成自动检定系统 , 大大提高了检定工作的效率 。目前 , 市面上已有多种 采用数字式的温度控制器 , 具有较高的测量及控制分 辨力 (一般能达到 0102% ) , 因此可以满足恒温槽控 制的高精度要求 , 但同时价格也是昂贵的 。采用这种 全数字式结构的控制器 , 控制效果的好坏一方面取决 于控制算法的优劣 , 另一方面也与测温电路的性能有 着密切的关系 , 一般要求达到 mK级的温度测量分辨 力 , 而电路中测量放大器的精度 、模 /数转换器的分辨 力以及各种干扰信号等引起的误差都会对测温电路的 性能产生影响 , 从而影响了控制效果 。
2008年第 28卷第 3期
对象的参数 、结构的变化具有很好的鲁棒性特点 。 模糊控制器本质上是一种非线性控制器 , 为了提
高响应速度 , 它允许调节工具输出较大动作 。同时 , 又可以通过规则使其适可而止抑制超调 , 避免调节过 程中因动作过渡而引起振荡 。因此动态响应快 , 超调 量小 。
模糊控制器由于不具有积分环节 , 因而在模糊控 制的系统中很难完全消除稳态误差 , 而且在变量分级 不够多的情况下 , 常常在平衡点的附近会有很小的振 荡现象 。 213 模糊 P ID 控制器
计测技术
综 合 评 述 · 5 ·
高精度温度控制方式述评
吴疆 , 何萌 , 吴方
(中国一航北京长城计量测试技术研究所 , 北京 100095)
摘 要 : 对高精度温度控制系统中常用的模拟控制方式 、数字控制方式和模拟 /数字控制方式作了比较 , 目
的在于找到既能满足计量检定恒温装置所需的技术指标 、又方便实用的控制方式 。
模糊控制是通过对操作人员的操作经验进行总结 , 模仿人的大脑 , 用严密的逻辑关系对一些控制对象实 施的智能控制 。它能在不知道控制对象精确数学模型 的情况下 , 通过对控制对象的性质 (如放大倍数 、纯 滞后时间等 ) 有一个粗略的了解 , 详细总结操作人员 的操作经验 , 把人的经验形式化并引入控制过程 , 再 运用比较严密的数学处理过程 , 实现模糊推理 , 进行 判断决策 , 实施控制 。因此不要求模型精度 , 对被控
传统控制器鲁棒性差的主要原因是算法对被控对 象精确数学模型的依赖性 , 如 P ID 控制器 , 其控制器 的各种参数 , 如比例系数 、积分系数 、微分系数等与 被控对象精确数学模型密切相关 , 而且参数与参数之 间还相互影响 , 所以一旦控制器的参数或被控对象的 模型参数发生变化 , P ID 控制器的控制特性如超调量 , 上升时间 、调节时间等将发生较大变化 。所以当被控 对象的数学模型参数发生改变时 , 控制器的参数必须 进行相应的改变以满足所需的控制特性 。如果被控对 象处于不确定状态 , 其控制器的参数就很难调整 , 控 制器的控制特性也会恶化 , 甚至发生失控现象 , 如出 现积分饱和现象等 。 212 模糊控制
温度控制问题实质上是一个传热问题 。温度值的 精确控制或精确锁定客观上要求在实验的空间内达到 供给和散失热量之间的平衡 , 温度控制可以用不同方 法达到不同的控制精度 。本文将从稳定性 、快速性和 准确性三个方面对用于温度控制的模拟控制方式 、数 字控制方式和数字 /模拟混合控制方式进行特征比较 。
关键词 : 高精度 ; 温度控制 ; 模拟控制 ; 数字控制
中图分类号 : TP273 文献标识码 : A
文章编号 : 1002 - 6061 (2008) 03 - 0005 - 03
Rev iew of H igh Prec ise Tem pera ture Con trol M ethods WU J iang, HE M eng, WU Fang
考虑到 P ID 和模糊控制器两者的优缺点 , 可以构 成兼有这两者优点的模糊 P ID 控制器 。例如利用模糊 控制器来给 P ID 控制器在线自整定 P ID 参数 , 组成模 糊自整定参数 P ID 控制器 ; 另一种是在大偏差范围内 采用比例控制 , 而在小偏差时采用模糊控制 , 两种控 制方式的切换是根据预先确定的偏差阀值来控制的 ; 与此类似 , 可以设计多模分段控制的算法 , 根据不同 条件和要求分段用不同模态进行控制 。
2 数字控制方式
20世纪 90年代以后 , 很多单位开展了对计量检定 装置的数字温度控制器的研究 。主要工作过程是用传感 器定时温度采样 , 获得相应的电信号 , 经信号调理、模
· 6 · 综 合 评 述
/数转换后把反映温度高低的模拟量转化成数字量 , 传 给微处理器 , 当控制周期到达时 , 与设定值进行比较 , 得到该时刻的偏差值 Δe, 经过某种算法运算获得控制 量 , 该控制量经数 /模转换后控制执行机构 , 从而控制 并稳定被控对象的温度。其原理框图如图 2所示。
TIONAL M ETROLOGY CONGRESS [ C ] 1Toulon2France:
20031202231 [ 2 ] 窦振中 1模糊逻辑控制技术及其应用 [M ] 1 北京 :
北京航空航天大学出版社 , 20011 [ 3 ] 何克忠 , 李伟 1计算机控制系统 [M ] 1北京 : 清华
3 数字 /模拟 (混合 ) 控制方式
将数字技术应用于模拟式温度控制器中 , 既满足 了系统自动化的要求 , 又汲取了模拟式温度控制器高 精度的优点 , 例如哈特 9107, 9105温度控制系统 。它 的主要工作原理是传感器定时采样被控对象的温度 , 把它转化为相应的电信号 , 模 /数转换后送给微处理 器 , 把反映温度高低的模拟量转化成数字量 , 进行显 示和作为 P ID 参数整定的依据 。来自传感器的信号同 时与设定温度值的电信号进行比较 , 偏差经放大后输 入到模拟 P ID 调节器中 , 直接输出去控制可控硅触发 器 , 改变可控硅的导通角 , 从而改变加热器的加热功
Key words: high p recision; temperature control; analog control; digital control
0 引言
恒温装置是检定温度计的基本条件 , 它对技术指 标的要求很高 , 如控温精度 ( 1000 ±011) ℃, ( 300 ± 0101) ℃, ( - 200 ±01001) ℃等 , 这种高精度控制是一 般工业生产过程中的温度控制不能比拟的 。而温度是 一个大惯性 、纯滞后的非线性控制对象 , 温度控制系 统的参数不易确定 , 使得温度控制对象的精确数学模 型难以建立 。因此 , 对温度控制系统中控制方法的选 用提出了较高的要求 。
(Changcheng Institute of M etrology & M easurement, Beijing 100095, China)
Abstract: The analog control, digital control and analog/ digital control which are usually used for high p recise temperature control system are compared in this paper1The purpose is to find a control method which is not only to meet the demand of the thermostatic apparatus used for calibration but also is convenient to be used1
计测技术
率 , 控制被控对象 。其原理框图如图 3所示 。
图 3 数字 /模拟控温方式原理框图
数字 /模拟控制方式的控制系统具有以下特点 : 可变参数的模拟 P ID 调节器 。通过模拟电路 , 将 偏差准确 、迅速地反馈给模拟 P ID 调节器 , 利用微处 理器调整 P ID 参数 。设置了偏差检测和放大装置 , 由 模拟电路完成 , 这种电路结构具有很高的共模抑制比 , 有效地抑制了输入端噪声及温漂的影响 , 可以检测输 入电压的微小变化 。输入 P ID 调节器的偏差信号 , 是 测量电压与设定值电压的差值 , 无需经过微处理器计 算 。这种电路结构 , 吸取了传统模拟式电桥平衡原理 控温的优点 , 有效地保证了控温的灵敏度 。温度值采 用数字设定 , 设定分辨力优于 01001℃。