高精度温度控制算法及温控器系统

　　色谱仪可以对物质成份进行定性和定量分析，并且测量精度可达到百万分之一级。由于色谱仪在使用过程中需要将待测混合物(如液体)在层析室分离(利用不同物质汽化温度不同)，然后将分层后的物质(气体)导入热导检测器、氢焰检测器、火焰光度检测器，将气体浓度信号转化为电信号，而这些检测器对温度极为敏感，即温度波动将导致检测量信号的波动，因此，要求在0一400℃的工作范围内，色谱仪的控温精度应优于士0.1℃。

　　一、控制算法

　　由于色谱仪的4个温控对象(热导池、氢焰检测器、气化室、层析室)的纯滞后时间常数较大，用常规的PID算法，以及各种优化的PID算法，如积分分离，微分分离等改进措施都不能达到指标要求(温度波动大于土2℃)，因此我们采用仿人智能温控算法。仿人智能控制是智能控制的一个重要分支。该控制算法从控制结构和控制行为两方面模仿了人的一些特点和功能，其中包括人的在线特征辨识、特征记忆以及直觉推理逻辑等。具体地说，仿人控制算法主要根据控制器的输入信号(即系统误差)的大小和方向及其变化趋势作出相应的决策，以选择适当的控制模式进行控制。这种控制算法的优点是把传统的研究受控对象的模型转为研究控制器的结构，让控制器根据对象以及对象所处的状态切换控制模式，因此这种算法有极强的鲁律性，并且它的运行控制级包括比例模式和保持模式。常规PID比例参数值取大一点就会造成系统不稳定，但在仿人智能控制中大的比例参数值不会造成系统不稳定，因误差一旦超过极值点控制器就切换到保持模式，控制量就会及时减小。文献(1)己经证明保持模式有类积分功能，即它能消除残差，进行精确控制，但保持模式无积分控制，易造成系统不稳定。

　　文献(2)1给出仿人智能控制算法的结构，该算法从文献(1)的基础上改进而成。其主要改进点在于将比例增益分段处理，当误差小于线MZ时仅用K，作比例增益，当误差大于M:时用KXK，作比例增益，因为K>1，KK，>K，，对K，的选择以稳态时有较高调节精度为主。但在我们的实验中发现，该算法整定较为困难，不易进入内层控温算法(T<M:区间)，尤其是在控温的高温段(如350℃一400℃)，并且过渡时间较长(大于1.5小时)。通过分析发现，在高温段波动幅度大是因为仿人智能控制中没有微分项，这有利于快速消除误差，但同时也使误差减小过程不够平缓，再者仿人智能控制的保持模式是在误差过极点时进行积分，而在其他大部分情况下不积分，这有利于控制大纯滞后对象，避免过度积分，但积分慢、自然过渡时间较长。针对这些情况和分析，我们提出:开关控制一PID控制一仿人智能控制相结合的控制方案，即在目标温度土6℃以外采用开关控制，在目标温度士6℃一士l℃之间采用改进的PID控制，在目标温度土1℃之内采用仿人智能控制。