研制超级TCD 检测器 的关键技术——SRFC-I型超精模糊控制模块

研制超级TCD 检测器 的关键技术

——SRFC-I型超精模糊控制模块

摘要： 国产 TCD低档的根本原因，是 买不来精确温控技术依然采用传统 PID 控制 ，使TCD池温波动难以突破±1%（专家认为， PID 控制 TCD的真实 性能为100℃±1℃ ），造成TCD的灵敏度、信噪比和重复性等性能都很低 。本文将介绍，采用 SRFC-I 型超精模糊控制模块控制 TCD 的性能都大幅度提高。

一．问题的提出

不难发现，高档TCD技术中的大多数技术都可以通过“拿来主义”得到，但有一些技术买不来，成为限制国产分析仪器进步的枷锁。

我们先来看影响 热导检测器（TCD） 灵敏度的因素有：

1.  热导池桥电流（桥电流大，灵敏度高）；

2.  热导元件阻值（阻值大，灵敏度高）；

3.  热导池气室的孔径（孔径小，峰高检测灵敏度高）；

4.  热导池电源（输出阻抗高，灵敏度高）；

5.  载气的种类（He、H2轻载气，灵敏度高）；

6.  载气的流量（一般载气流量小，灵敏度高）；

7.  载气的纯度（载气纯度高，灵敏度高）；

8.  工作温度（工作温度低，灵敏度高）；

9.  信噪比（信噪比高，灵敏度高）。

在上述影响 TCD 灵敏度的9个因素中，因素1－8是通过“拿来主义”可以得到的技术；而因素9（信噪比）是难以得到的技术。在因素9中，影响最大的元素是池 温波动 ，它决定着TCD噪声比的94%，如 表1 所示 。

拥有精确温控技术的国外知名企业，已经将 TCD 池 温波动 减小到 ±0. 2 ℃ （据国内气相色谱专家推断），这就极大的提高 TCD 的信噪比。为了垄断市场和超额利润，他们严密封锁了精确温控技术，逼迫我国 只能延用传统 PID 控制 ，由此造成TCD温池性能钳制在过渡过程时间大于5小时，池 温波动 大于 ±1 ℃ 的落后水平 ； TCD 信噪比得不到抑制；我国只能制造低档气相色谱仪。

显然，精确温控技术 是研制高档TCD的核心技术，而高性能TCD又是研制 中高档气相色谱仪的核心技术 。

二． TCD池温低性能的原因

本文将阐述，采用温场结构、牺牲快速性和PID控制是造成国产TCD池温低性能的三大隐性杀手。 

1.  温场结构造成不可控噪声

人们对客观世界的认知是有限的，我们还有许多的无奈。比如，传统控制理论只认知了线性控制系统，而对有非线性、时变性和不确定性的工业系统还不甚了了，传统控制面临着严峻的挑战。

传统PID控制没有精确控制有滞后系统的有效方法。通常TCD采用温场结构克服测温滞后。具体说，就是在TCD外面加一个温场加热炉并将测温头紧贴加热器回避测温滞后，如图1所示。 

图1  温场结构的 T CD

温场结构虽然克服了滞后提高了PID控制性能。但是由于TCD被置于温场闭环控制系统之外，使 TCD 内部扰 动 （比如：桥流、载气流量、池压力和机械冲击等）不能及时控制，影响了自身恒温，也影响了温场的恒温，最终导致了不可控噪声。分析如下：请参见图2， TCD 内部扰 动直接作用到 TCD 上而导致 TCD 温度波动（ 影响自身恒温 ），这一变化通过结构内部热传递又反过来影响了炉温（ 影响温场恒温 ），于是炉温控制系统发挥作用维持炉温的恒定。然而，这个炉温的控制精度即便很高并不代表对 TCD 温度的控制具有同样的动态与静态精度。换言之，对于不同强度的扰动应该有一个与之对应的最佳炉温来克服其产生的TCD温度偏差。另一方面，虽然炉温的反馈控制系统也包含了对各扰动所产生后果的克服，但不难看出控制通道比扰动通道长的多，亦即：扰动对TCD的影响快而有效，而控制作用欲将TCD的受扰状况‘拉 ’回来，需要经过以下流程：TCD→炉温→PID调节器输出→加热器功率→炉温→TCD，不仅要花费很长时间，而且动态误差不可避免，还可能会有不可控的波动。

2.  牺牲快速性制造了中国式顽疾

传统PID没有精确控制时变参数系统的有效方法。为了回避TCD池温系统的时变和减小加热功率，通常采用TCD绝热。绝热后的TCD惯性时间减小，PID控制只能牺牲快速性才能实现无超调（高稳定性）控制。业内人士知道，牺牲快速性保证稳定性失去了自动控制的实用性；另外，对TCD池温系统而言，牺牲的快速性就等于牺牲了抗干扰能力，这是精确控制的基本原则。然而，我国测定TCD性能的过程严重违背了基本原则。国产TCD通常是在理想使用环境条件下（不允许开门窗、不允许人员走动的无干扰环境），采用超常的过渡过程时间（过渡过程时间≥5小时）进行测定。这样测定的TCD性能，不仅不能代表TCD实际性能，而且是一种“假”指标。实际应用后，必然发生稳定性、可靠性、灵敏度和重复率等问题。这就是国产分析仪器存在的中国式顽疾（说明书上是高性能指标，实际上是低性能、低稳定性、低可靠性、低灵敏度和低重复率）的内幕。

另外，常见一些国产仪器仪表用张冠李戴指标误导用户。最常见的张冠李戴指标是用测温头（或温度变送器）的性能指标（0.1%）冒充控制性能指标，而系统实际控制性能比张冠李戴指标低了一、二个数量级，这也是中国式顽疾。理智的企业家应当清楚，用张冠李戴指标误导用户不仅扰乱了市场，毁坏了中国产品的名誉，更直接的危害是损害企业信誉。

3.  PID控制TCD池温波动难以突破±1%

我们将一般稳定系统的响应分为衰减振荡收敛和无振荡收敛等两种形式。据此，我们定义 双边收敛和单边收敛等 两种静态特征。

定义1. 我们把系统动态响应为衰减振荡形式的静态特征，定义为 双边收敛 。

定义2. 我们把系统动态响应为无振荡收敛形式的静态特征，定义为 单边收敛 。

双边收敛 表达了静态特征是 等幅波动 的一类系统；而 单边收敛 表达了静态特征是持续收敛逼近于零的一类系统。

为了兼顾稳、快、准三项性能，PID控制一般不能将系统的静态调整到单边收敛，否则，系统动态将失去快速性；一般只能从动态快速性方面考虑，将系统动态响应调整到衰减振荡收敛形式， 最有代表性的是4：1衰减比 衰减振荡 。这样一来， PID控制系统的静态只能是 双边收敛 形式。实践表明，这种 双边收敛 形式的静差较大，比如PID控制的TCD池温波动大于±1%。

问题是，我们能否研制出动态快速，静态单边收敛的控制系统呢？后面将告诉你： SRFC— I型 超精模糊控制 模块控制的 TCD就具有这种动态快速，静态单边收敛的系统。

四．SRFC-I型超精模糊控制模块

2007年4月， 北京泛控科技有限公司 应国家气相色谱仪产业化项目和质谱仪产业化项目的邀请， 采用 自主产权的 SRFC— I型 超精模糊控制 模块（简称I型 模块 ）控制了 TCD 池 温 ，性能十分优秀，如下：

1．  支撑无温场结构的 TCD

研究表明，撤销温场采用无温场结构是进一步提高TCD性能的最好方法，如图3所示。然而，撤销温场采用无温场结构后，控制方法将面对挑战。

2．  支撑高性能的先进控制算法

I型 模块采用的先进控制算法有函数化模糊推理和位置学习等两种方法。

函数化模糊推理是自主创新的模糊推理算法，其核心进步是发现了模糊推理函数化方法，解决了运算速度低，控制难控对象调整简单的难题。

位置学习也是自主创新的控制算法，其核心进步是解决了消除静差算法（比如积分器）破坏系统稳定性的难题， 实现单边收敛 。

I型 模块控制 TCD 的性能如下： 在过渡过程时间35分钟条件下，池 温波动 100 ℃ 小于 ±0.0 5 ℃  （欢迎同仁交流竞赛） 。

五．结论

1.  PID控制TCD系统的静差止步于 等幅波动 不可能太小。

2.  PID控制采用牺牲快速性控制时变系统的方法降低了抗干扰能力，造成仪器 低稳定性、低可靠性、低灵敏度和低重复率 。

3.  温场结构不能抵抗TCD内部干扰， 造成不可控噪声 。

4.  SRFC— I型 超精模糊控制 模块可以控制无温场结构的TCD，在恒温控制 TCD温池的同时克服了 TCD内部干扰，降低了 不可控 噪声,提高了 灵敏度 。

5.  SRFC— I型 超精模糊控制 模块算法先进 ，控制TCD的抗干扰能力强，池温波动100 ℃ 小于 ±0. 05 ℃ 。

樊远征

200 8年3月17日

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