热重分析仪温度控制器的设计与实现

　　0　引言

　　热重分析仪(又称微量热天平)是用于测量样品的重量随不同的升温方式而变化的精密分析仪器。它对升温控制的要求很高,而传统的PID控制器有不适合模型未知系统的缺点,虽然迄今为止已经提出了很多种改进的温度控制器设计方法,如利用模糊控制来动态整定PID参数,神经网络PID控制器,等等。但是,绝大多数控制方法只涉及简单的有规律的温度控制,其控制目标一般是先升温到某个确定值C,然后保持恒温不变。而对于升温速率的要求没有考虑,并且被控对象的温度变化范围都比较小。

　　1热重仪模糊温度控制器的设计思想

　　1·1　温控的复杂要求

　　热重分析仪对升温控制的要求非常严格:

　　(1)根据用户设定的升温程序,可以升/恒/降温。一次实验的理想升温曲线可能如图1所示。

　　(2)对升温速率要求精确。一般的温度控制器仅仅注重恒温控制,而并不关心升温/降温速率。

　　(3)升温速率变化范围大,从0·1~900℃/min。

　　(4)温度变化范围广:从室温到1200℃。

　　(5)精度要求高:偏差不允许超过±0·5℃。

　　以上要求带来了新的挑战:由于是精密分析仪器,其加热电炉非常小(其样品重量量程最大为2 g),而为了保证要求B,炉子的最大功率必须足够大;同时因为要求C,随着温度的大范围变化,炉子和外界的热量交换程度也变化很大,比如100℃和1000℃时的热量交换显然是不一样的,因此,即使输入偏差和偏差变化都相同,输出到被控对象的控制信号在100℃和1000℃也应该是不同的;等等。这些复杂性决定了温度控制器设计的难度。

　　1·2　PID决策模糊控制器原理

　　常规PID控制是一种线性控制器,其控制规律表示为离散化的增量形式为:

　　KD分别为比例系数,积分系数,微分系数。PID控制器的比例环节可以减少偏差,积分环节可以消除静差,微分环节能反映偏差信号的变化趋势,并能在偏差信号变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减小调节时间。典型的二维模糊控制器可以用下面的函数来描述[7]。

　　其中k1, k2为量化因子, k3为决策因子, E为输入偏差,EC为输入偏差变化率, u (k)为第k次采样时的输出控制量。f1(E, EC)=f2(E, EC)=f (E, EC)是查表函数,取决于模糊规则、模糊推理、解模糊的模糊函数,根据实际输入的偏差E和偏差变化量EC的大小由查表确定。

　　对比式(1)和式(2)可以看出,式(2)等效于式(1)中KI=0的情况,这是典型的比例微分控制作用,因此,可以把二维模糊控制器看成一个PD调节器,系统的动态品质和稳态精度将分别与量化因子k1、k2和决策因此k3的乘积k1k3、k2k3以及函数f (E, EC)有关,即k1k3f1(E, EC)可视作PD调节器的比例增益,而k2k3f2(E, EC)可视作PD调节器的微分增益。