・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△ｅ，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。 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ＰＩＤ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。 ２．１数字ＰＩＤ控制 在ＰＩＤ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 ５Ｏ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。 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ＰＩＤ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，ＰＩＤ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。 ２．２模糊控制 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 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。 ２．３模糊ＰＩＤ控制器 考虑到ＰＩＤ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ＰＩＤ控制器。例如利用模糊 控制器来给ＰＩＤ控制器在线自整定ＰＩＤ参数，组成模 糊自整定参数ＰＩＤ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。 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０．０２％），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。 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ＰＩＤ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ＰＩＤ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 维普资讯 http://www.cqvip.com 计测技术 综合评述 ・７・ 率，控制被控对象。其原理框图如图３所示。 数字／模拟（混合）控制方式不失为一种较好的选择。 表ｌ不同温度控制方式的比较 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ＰＩＤ调节器。通过模拟电路，将 偏差准确、迅速地反馈给模拟ＰＩＤ调节器，利用微处 理器调整ＰＩＤ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ＰＩＤ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 参考文献 ［１］ｗｕ Ｊｉａｎｇ，ＨＥ Ｍｅｎｇ，ＷＡＮＧ Ｇｕａｎｇｌｉｎ．Ｆｕｚｚｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｏｆＴｕｂｅ Ｆｕｒｎａｃｅ ｆｏｒ Ｔｈｅｎｎｏｃｏｕｐｌｅ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ［Ａ］．１１ ＩＮＴＥＲＮＡ— ＴＩＯＮＡＬ ＭＥＴＲＯＬＯＧＹ ＣＯＮＧＲＥＳＳ［Ｃ］ ．Ｔｏｕｌｏｎ—Ｆｒａｎｃｅ： ２００３．２Ｏ－２３． 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０．００１℃。 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。 ［２］窦振中．模糊逻辑控制技术及其应用［Ｍ］．北京： 北京航空航天大学出版社，２００１． 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 ［３］何克忠，李伟．计算机控制系统［Ｍ］．北京：清华 大学出版社，２０００． ［４］金以慧．过程控制［Ｍ］．北京：清华大学出版 社，２００１． 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 ［５］刘子芳，杨忠祥．检定装置的温度控制［Ｍ］．北京： 中国计量出版社，１９８９． ［６］陶永华，尹怡欣，葛芦生．新型ＰＩＤ控制及其应用 ［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９９． ［７］宋明刚，樊尚春．一种高精度温度控制的复合方法及 其应用［Ｍ］．北京航空航天大学学报，２００１，２７（５）：５６０ —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ＰＩＤ 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。 通过本文对温度控制中常用的三种控制方法的分 ５６３． ［８］郭保江．检定装置的温度控制［Ｄ］．北京长城计量 测试技术研究所，２００６． 析比较可知，要满足高精度温度控制和自动化的需求， … … … ｌ ｌ ２００８年国防军工热学、流量计量与测试技术交流会征文 国防科技工业第一计量测试研究中心拟于２００８年１ｏ月举办“２００８年国防军工热学、流量计 量与测试技术交流会”，会议将与“２００８年国防军工热工新规程宣贯会”同时同地举行。本次会 ｌ议现征集论文，会议论文集将以《计测技术》增刊形式出版。详细的征文启事见本刊第２期。 ｇ
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