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研制超级TCD检测器的关键技术——SRFC-I型超精模糊控制模块

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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,是买不来先进精确温控技术,只能采用传统PID控制TCD池温,池温波动难以突破±0.1%,造成信噪比低所至。采用SRFC-I型超精模糊控制模块控制TCD池温,使TCD性能大幅度提高。

一.问题的提出

不难发现,高档TCD的技术中,大多数技术都可以通过“拿来主义”得到,但有一些技术却买不来,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:

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(HeH2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18是通过“拿来主义”可得到技术;因素9(信噪比)是难以得到的技术。而影响因素9最大的元素是池温波动,它决定了TCD的噪声水平,如表1所示。

1 影响TCD信噪比的元素

影响元素

 

噪声值

桥流产生热丝温度变化

 

40μV/mA

池温波动产生的热丝温度变化

 

12400μv/

载气流量

单臂

25μV/mL·min

 

双臂

7μV/mL·min

池压力

单臂

17.3μV/kPa

 

双臂

1.12μV/kPa

机械冲击(3g物体从2.5cm高处跌落在TCD外壳上)

 

10μV

国外发达企业拥有先进精确温控技术,将TCD池温波动减小到±0.02℃。然而,为了垄断技术获取高额利润,国外发达企业严格封锁了先进精确温控技术,使我国只能生产低档TCD,池温波动大于±0.1℃。不难看出,先进精确温控技术是研制超级TCD的核心技术。

二. TCD池温低性能的原因

研究表明,采用温场结构、牺牲快速性和PID控制等已经落后技术,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,我们还有很多的无奈。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控制只解决了精确控制线性系统问题,还没有解决精确控制有滞后的系统。为了使PID能够控制滞后系统,传统控制通常采用温场结构回避滞后。传统TCD就是通过在TCD外面加一个温场加热炉和测温头紧贴加热器构造的温场结构,如图1所示。

1  温场结构的T CD

温场结构虽然克服了滞后,使PID能够精确控制温场。但是,由于TCD被置于温场闭环控制系统之外,TCD内部扰(比如:桥流、载气流量、池压力和机械冲击等)影响了自身恒温也影响了温场的恒温,导致了测量噪声。我们做如下分析:请参见图2TCD内部扰动直接作用到TCD上而导致TCD温度波动,这一变化通过结构内部热传递又反过来影响了炉温,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,还可能会有静差。

 

 

                                                    

2  温场系统与TCD检测器框图

2.        牺牲快速性制造了中国式顽疾

传统PID也未解决精确控制时变系统的难题,而实际工业系统中又大量存在着时变性,比如,温控系统使用环境的变化就是参数时变。为了使PID能够精确控制时变系统,传统控制采用通常牺牲系统的快速性保证系统的稳定性。

牺牲系统快速性等于失去自动控制的实用性,这是一个基本原则。然而,我国TCD性能测定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)测定的。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(即高性能指标,低稳定性、低可靠性、低灵敏度和低重复率)的内幕。

3.        PID控制TCD池温波动难以突破±0.1%

传递函数为

的稳定二阶系统的过渡过程有两种收敛形式,即当阻尼比0<ζ<1时是衰减振荡收敛形式和当ζ>1时是无振荡指数收敛形式。推而广之,我们将一般稳定系统的过渡过程也分为两种收敛形式:一是衰减振荡收敛形式,二是无振荡收敛形式。

我们注意到,衰减振荡的系统在过渡过程结束达到静态后是不能继续收敛的等幅波动,为此,我们称此类系统为双边收敛系统。而无振荡收敛的系统(比如指数收敛的系统)在过渡过程结束达到静态后依然继续单边趋近,为此,我们称此类系统为单边收敛系统。由于双边收敛系统的静态止步于等幅波动,故双边收敛系统静差较大,而单边收敛系统的静差随着过渡过程时间的增加而减小,逐渐逼近于零,故单边收敛系统静差很小。然而,单边收敛系统存在的致命缺点是丧失了快速性,也就是过渡过程时间很长。

为了兼顾稳、快、准三项性能,传统PID控制一般将系统的过渡过程调整到衰减振荡收敛形式,最有代表性的是41衰减比衰减振荡。如上所述,传统PID控制属于双边收敛系统,系统达到静态后止步于等幅波动静差较大,实践表明,传统PID控制的控制精度难以突破±0.1%。同样,采用PID控制的TCD池温波动也难以突破±0.1%

问题是,我们能否研制出“不丧失快速性” 的单边收敛系统呢?这样就可以同时提高稳、快、准性能。本文后面谈到的SRFCI超精模糊控制模块采用位置学习算法实现了“不丧失快速性” 的单边收敛系统。

 

四.SRFC-I型超精模糊控制模块

20074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SRFCI超精模糊控制模块(简称I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

I模块适宜精确控制非线性、时变性和不确定性系统,能够控制无温场TCD

实验表明,无温场TCD是难控被控对象。首先,滞后与惯性比值大于15PID难于精确控制(即控制波动小于1%)。参见图3,无温场TCD的测温头远离加热器导致测温滞后较大,同时,TCD采用了绝热保温材料使被控对象的惯性时间较小,最终使,系统滞后时间与惯性时间比值较大(15)PID控制能控制但难以高精度控制。

         3  无温场的T CD

 

其次,无温场TCD的响应快速性与稳定性难以统一。一方面,TCD采用绝热保温材料小功率加热器(3W)就能加热到100℃, 然而,加热时间太长不能满足仪器要求;另一方面,TCD采用大功率加热器(30W),又将发生毁灭性超调,即T发生超调后在绝热材料保温下TCD温度长时间(大于2个小时)不回落。目前,PID控制TCD只能采用牺牲快速性保证稳定性(无超调)的“鲁棒性参数”,牺牲快速性等于牺牲了抗干扰能力,“鲁棒性参数”的PID控制抗干扰能力极低!

最后,“鲁棒性参数”的PID控制不但不能抵抗无温场TCD的增加了桥流、载气流量、池压力和机械冲击等内部扰,反而,有增大温度波动的后果。

I模块解决了控制无温场TCD的难题,实现了下述性能:30W功率高速无超调升温,过渡过程时间小于40分钟(PID控制TCD的过渡过程时间为300分钟);测温头安装在离钨铼丝最近的位置(参见图3),提高抵抗TCD内部干扰能力,大幅度提高TCD信噪比;

2.            支撑高性能

I模块采用函数化模糊控制和位置学习的方法,实现单边收敛系统(即在过渡过程结束达到静态后依然继续单边趋近),TCD池温波动性能达到±0.05℃

五.结论

1.      国产TCD采用PID控制系统静差止步于等幅波动不可能太小。

2.      TCD的温场结构不能抵抗TCD内部干扰,造成不可控噪声

3.      PID控制采用牺牲快速性控制时变系统,使抗干扰能力下降。

4.      SRFCI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,降低了噪声。

5.      SRFCI超精模糊控制模块算法先进,控制TCD的抗干扰能力强,池温波动小于±0.05℃

 

樊远征

2008317

 

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