研制高稳定温柱的关键技术

——SRFC-I型超精模糊控制模块

摘要：国产温柱低档的根本原因，是买不来先进精确温控技术，只能采用传统PID控制，导致温温度波动较大、复现性较差。采用SRFC-I型超精模糊控制模块控制温柱程控升温，使温柱温度波动和复现性能超过国际最先进水平。

一．问题的提出

分析仪器工作者知道，温柱的温度波动严重影响分析仪器的复现性和稳定性；也知道先进温控技术能够有效的减小温柱的温度波动。然而，由于我国买不来先进温控技术，只能沿用传统PID控制，造成温柱的温度波动较大，复现性和稳定性很差，分析仪器低档，参见图1。

图1  PID控制温柱程控升温曲线

二． PID控制温柱产生波动的原因

研究表明，造成国产温柱温度波动有两个原因，一个是多段PID造成的动态温度波动；另一个是积分环节造成的静态温度波动。

1.        动态温度波动

传统控制能够用精确数学模型描述线性定常时不变系统。但是，对于非线性时变的温控系统，还需要采用削足适履式的近似工程手段，才能用概略数学模型表达。

概略数学模型仅在一定的环境条件下有使用价值，而在大多数实际环境中是失真的，由此极大的限制了传统控制理论的实用性。比如，传统PID的控制精度限制在±0.1%；再比如，PID控制不能难控被控对象（即大非线性、大时变性和不确定性系统）。传统控制理论面临着严峻的挑战。

温柱程控升温系统的开环放大倍数K和惯性时间T是时变参数，用单参数PID不能保证全量程（室温—200℃）的稳定性，温度波动较大，温柱的复现性和稳定性都很差。为此，需要采用多段PID控制适应开环放大倍数K和惯性时间T的参数变化，提高系统的稳定性。遗憾的是，多段PID控制在置换PID参数时引发了干扰，同样会造成温度波动（动态温度波动），同样使温柱的复现性和稳定性很差，参见图1。

2.        静态温度波动

控制工作者知道，控制系统有两种静态收敛形式：一种是双边收敛（等幅波动），另一种是单边收敛（单边趋进）。研究表明，采用了积分环节的PID只能是双边收敛（等幅波动），控制波动难以突破±0.1%。

温柱程控升温系统是时变参数系统，采用PID控制的静态温度波动性能更差，目前，国产温柱的静态温度波动一般大于±1%。

三．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自主产权的SRFC—I型超精模糊控制模块（简称I型模块）参与国家气相色谱仪产业化项目和质谱仪产业化项目，用于温柱程控升温控制，性能十分优秀，如下：

1．            支撑开放式温柱结构创新

I型模块适宜精确控制非线性、时变性和不确定性系统，支撑温柱程控升温系统采用开放式温柱结构（太极公司为便携式气相色谱而专门设计的温柱），如图2所示。

图2  开放式温柱结构

     开放式温柱结构的有三大优点：     

一是减小50%加热器功率；

二是减小50%的体积；

三是抗振动。           

2．            支撑温柱高性能

I型模块采用函数化模糊控制和位置学习的方法，控制开放式结构的温柱的性能十分优秀，如下：

²      稳定性：无波动（单边趋进），超过国际最先进水平，参见图3；

²      升温速度：≥20℃/min，参见图3；

²      复现性：复现差≤0.01℃，超过国际最先进水平，参见图3。

图3
  I型模块控制开放式温柱的响应曲线

四．结论

1.      国产温柱性能低的根本原因是缺少先进精确温控技术，依然采用PID控制使温柱温度波动太大（≥±1%），复现性和稳定性低所至。

2.      多段PID控制温柱，在换参数时产生动态温度波动；

3.      PID控制温柱中的积分环节产生静态波动；

4.      SRFC—I型超精模糊控制模块控制开放式温柱，复现性和稳定性性能超过国际最先进水平。

樊远征

2007年11月26日

作者介绍

樊远征  1952年8月出生于上海，1982毕业于北京工业大学自动化系，后就读于无线电系，获硕士学位。1991年在北京师范大学数学系做为罗承忠教授的国内访问学者开始模糊控制算法的研究。

1988年发明《高精度数字式小电阻测量器构造方法》获得尤里卡金奖、匈牙利青年发明家金奖和国际仪器仪表博览三大奖项；1992年发明《自组模糊控制器》，转让给四通公司后获得巨大经济效益；1992年—2007年主要研究模糊推理算法和研制实用化产品，先后提出了“规划真值流推理”和“响应函数推理”算法；研制了空调房间精控温控器；研制了“响应函数推理”算法为基础的模糊推理芯片——CB3LP芯片；研制了以“响应函数推理”为基础叠加“滞后状态辨识”、“位置学习”、“双模态控制”等智能算法的超鲁棒模糊控制模块——SRFC模块。

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