流體機(jī)械控制在工業(yè)中的應(yīng)用

1、流體機(jī)械控制在工業(yè)中的應(yīng)用摘要：流體機(jī)械及系統(tǒng)控制是在電氣工程和流體機(jī)械工程的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是控制技術(shù)的重要分支，是能源與動(dòng)力工程領(lǐng)域廣義流體控制的重要組成部分。本文介紹了流體機(jī)械控制的基本概念與理論以及其在工業(yè)控制中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：流體機(jī)械控制、經(jīng)典控制理論、PID、溫度控制、液位控制、風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制1、引言流體機(jī)械在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各部門和社會(huì)生活各領(lǐng)域都得到極廣泛的應(yīng)用，而且技術(shù)越發(fā)展，流體機(jī)械的應(yīng)用也就越廣泛、作用越大?，F(xiàn)代電力工業(yè)中，絕大部分發(fā)電量是由葉片式流體機(jī)械（汽輪機(jī)和水輪機(jī)）承擔(dān)的，其中汽輪機(jī)約占3/4，水輪機(jī)約占1/4?？傆秒娏恐?，約1/3是用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和水泵的。流體

2、控制工程在提升民用、軍用動(dòng)力裝置的自動(dòng)化水平和安全可靠性方面發(fā)揮了不可替代的重要作用，例如水力發(fā)電、熱力發(fā)電、核能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等。2、基本概念控制：對(duì)被控對(duì)象施加某種操作，使其完成所期望的行為。自動(dòng)控制：由控制裝置自動(dòng)完成某種操作，無(wú)須人的直接參與。自動(dòng)控制系統(tǒng)：是指能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的工作或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)。一般由控制裝置和被控對(duì)象組成。被控制對(duì)象是指那些要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程?？刂蒲b置是指對(duì)被控對(duì)象起控制作用的設(shè)備總體。控制論：關(guān)于控制原理和控制方法的學(xué)科研究事物變化和發(fā)展的一般規(guī)律。控制三要素：被控對(duì)象、控制目標(biāo)、控制裝置開(kāi)環(huán)系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，

3、容易設(shè)計(jì)和調(diào)整以及成本較低的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)那些負(fù)載恒定，擾動(dòng)小，控制精度要求不高的實(shí)際系統(tǒng)，是有效的控制方式。閉環(huán)系統(tǒng)：由于增加了檢測(cè)裝置和反饋環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本有所增加；但它提高了系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力；同時(shí)負(fù)反饋對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。時(shí)間響應(yīng)：所謂系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)及其組成就是指描述系統(tǒng)的微分方程的解及其組成，他們完全反映了系統(tǒng)本身的固有特性與系統(tǒng)在輸入作用下的動(dòng)態(tài)歷程誤差：誤差客觀存在，期望輸出與實(shí)際輸出之差即為誤差頻率響應(yīng)：線性定常系統(tǒng)在諧波輸入作用下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)頻域特征量：表征系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的頻域性能指標(biāo)。經(jīng)典控制理論:自動(dòng)控制理論中建立在頻率響應(yīng)法和根軌跡法基礎(chǔ)上的一個(gè)分支。經(jīng)典控制

4、理論的研究對(duì)象是單輸入、單輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)，特別是線性定常系統(tǒng)。經(jīng)典控制理論的特點(diǎn)是以輸入輸出特性（主要是傳遞函數(shù)）為系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，采用頻率響應(yīng)法和根軌跡法這些圖解分析方法，分析系統(tǒng)性能和設(shè)計(jì)控制裝置。經(jīng)典控制理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是拉普拉斯變換，占主導(dǎo)地位的分析和綜合方法是頻率域方法。 由于經(jīng)典控制理論只適用于單輸入、單輸出的線性定常系統(tǒng)，只注重系統(tǒng)的外部描述而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)。因而在實(shí)際應(yīng)用中有很大局限性?，F(xiàn)代控制理論：隨著航天事業(yè)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，20世紀(jì)60年代初，在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上，以線性代數(shù)理論和狀態(tài)空間分析法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展起來(lái)。大系統(tǒng)理論：20世紀(jì)70年代開(kāi)始，現(xiàn)代控

5、制理論繼續(xù)向深度和廣度發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的控制方法和理論。如：現(xiàn)代頻域方法：以傳遞函數(shù)矩陣為數(shù)學(xué)模型，研究線性定常多變量系統(tǒng)；自適應(yīng)控制理論和方法：以系統(tǒng)辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)為基礎(chǔ)，在實(shí)時(shí)辨識(shí)基礎(chǔ)上在線確定最優(yōu)控制規(guī)律；魯棒控制方法：在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和其它性能基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)不變的魯棒控制器，以處理數(shù)學(xué)模型的不確定性。智能控制:智能控制的概念和原理主要是針對(duì)被控對(duì)象、環(huán)境、控制目標(biāo)或任務(wù)的復(fù)雜性提出來(lái)的；它的指導(dǎo)思想是依據(jù)人的思維方式和處理問(wèn)題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復(fù)雜的控制問(wèn)題，是人工智能在控制上的應(yīng)用。被控對(duì)象的復(fù)雜性體現(xiàn)為:模型的不確定性，高度非線性，分布式的傳感器和執(zhí)行器，動(dòng)

6、態(tài)突變，多時(shí)間標(biāo)度，復(fù)雜的信息模式，龐大的數(shù)據(jù)量，以及嚴(yán)格的特性指標(biāo)等。智能控制是驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器自主地實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的過(guò)程，對(duì)自主機(jī)器人的控制就是典型的例子而環(huán)境的復(fù)雜性則表現(xiàn)為變化的不確定性和難以辨識(shí)。3、基本理論與方法數(shù)學(xué)模型：描述系統(tǒng)輸入、輸出變量以及內(nèi)部各變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。一般應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)及計(jì)算所要求的精度忽略去一些次要因素，使模型既能反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，又能簡(jiǎn)化分析、計(jì)算。表示方法：微分方程、傳遞函數(shù)、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)是經(jīng)典理論中對(duì)線性系統(tǒng)進(jìn)行研究、分析與綜合的基本數(shù)學(xué)工具。復(fù)數(shù)域中描述系統(tǒng)特性的數(shù)學(xué)模型基于拉式變換，將時(shí)域函數(shù)變換為復(fù)頻域函數(shù)：時(shí)域

7、的微分、積分運(yùn)算簡(jiǎn)化為代數(shù)運(yùn)算，減少了計(jì)算量，導(dǎo)出的頻率特性具有明顯的物理意義。傳遞函數(shù) transfer function 零初始條件下線性系統(tǒng)響應(yīng)（即輸出）量的拉普拉斯變換（或z變換）與激勵(lì)（即輸入）量的拉普拉斯變換之比。記作G（s）=Y（s）/U（s），其中Y（s）、U（s)分別為輸出量和輸入量的拉普拉斯變換。傳遞函數(shù)是描述線性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的基本數(shù)學(xué)工具之一，經(jīng)典控制理論的主要研究方法頻率響應(yīng)法和根軌跡法都是建立在傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)之上。系統(tǒng)的傳遞函數(shù)與描述其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的微分方程是對(duì)應(yīng)的?？筛鶕?jù)組成系統(tǒng)各單元的傳遞函數(shù)和它們之間的聯(lián)結(jié)關(guān)系導(dǎo)出整體系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并用它分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、穩(wěn)定性

8、，或根據(jù)給定要求綜合控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)滿意的控制器。以傳遞函數(shù)為工具分析和綜合控制系統(tǒng)的方法稱為頻域法。它不但是經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)，而且在以時(shí)域方法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論發(fā)展過(guò)程中，也不斷發(fā)展形成了多變量頻域控制理論，成為研究多變量控制系統(tǒng)的有力工具。傳遞函數(shù)中的復(fù)變量s在實(shí)部為零、虛部為角頻率時(shí)就是頻率響應(yīng)。傳遞函數(shù)概念的適用范圍限于線性常微分方程系統(tǒng).當(dāng)然，在這類系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)中，傳遞函數(shù)方法的應(yīng)用是很廣泛的。下面是有關(guān)傳遞函數(shù)的一些重要說(shuō)明（下列各項(xiàng)說(shuō)明中涉及的均為線性常微分方程描述的系統(tǒng)）：1. 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是一種數(shù)學(xué)模型，它表示聯(lián)系輸出變量與輸入變量的微分方程的一種運(yùn)算方法；2. 傳遞

9、函數(shù)是系統(tǒng)本身的一種屬性，它與輸入量或驅(qū)動(dòng)函數(shù)的大小和性質(zhì)無(wú)關(guān)；3. 傳遞函數(shù)包含聯(lián)系輸入量與輸出量所必需的單位，但是它不提供有關(guān)系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)的任何信息（許多物理上完全不同的系統(tǒng)，可以具有相同的傳遞函數(shù)，稱之為相似系統(tǒng)）；4. 如果系統(tǒng)的傳遞函數(shù)已知，則可以針對(duì)各種不同形式的輸入量研究系統(tǒng)的輸出或響應(yīng)，以便掌握系統(tǒng)的性質(zhì)；5. 如果不知道系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，則可通過(guò)引入已知輸入量并研究系統(tǒng)輸出量的實(shí)驗(yàn)方法，確定系統(tǒng)的傳遞函數(shù).系統(tǒng)的傳遞函數(shù)一旦被確定，就能對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行充分描述，它不同于對(duì)系統(tǒng)的物理描述；6. 用傳遞函數(shù)表示的常用連續(xù)系統(tǒng)有兩種比較常用的數(shù)學(xué)模型。頻率響應(yīng)法：頻率響應(yīng)法是二十

10、世紀(jì)三十年代發(fā)展起來(lái)的一種經(jīng)典工程實(shí)用方法,是一種利用頻率特性進(jìn)行控制系統(tǒng)分析的圖解方法,可方便地用于控制工程中的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)。頻率法用于分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）不必求解系統(tǒng)的特征根，采用較為簡(jiǎn)單的圖解方法就可研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于頻率響應(yīng)法主要通過(guò)開(kāi)環(huán)頻率特性的圖形對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，因而具有形象直觀和計(jì)算量少的特點(diǎn)。（2）系統(tǒng)的頻率特性可用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出。頻率特性具有明確的物理意義，它可以用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)確定，這對(duì)于難以列寫微分方程式的元部件或系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，具有重要的實(shí)際意義。（3）可推廣應(yīng)用于某些非線性系統(tǒng)。頻率響應(yīng)法不僅適用于線性定常系統(tǒng)，而且還適用于傳遞函數(shù)中含有延遲環(huán)節(jié)的系統(tǒng)和部分非

11、線性系統(tǒng)的分析。（4）用頻率法設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可方便設(shè)計(jì)出能有效抑制噪聲的系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性：定義，控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義有很多種，比較典型的說(shuō)法兩種：1)、由俄羅斯學(xué)者李雅普諾夫首先提出的平衡狀態(tài)穩(wěn)定性。2)、系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。對(duì)于線性控制系統(tǒng)而言，這兩種說(shuō)法是等價(jià)的。根據(jù)李雅普諾夫穩(wěn)定性理論，線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以定義如下：若線性控制系統(tǒng)在初始擾動(dòng)的影響下，其過(guò)渡過(guò)程隨著時(shí)間的推移逐漸衰減并趨于零則稱該系統(tǒng)為漸進(jìn)穩(wěn)定，簡(jiǎn)稱為穩(wěn)定；若反之，在初始擾動(dòng)影響下，系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程隨時(shí)間的推移而發(fā)散，則稱為系統(tǒng)不穩(wěn)定。有上述穩(wěn)定性的定義可知，線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的充分條件是：閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程的根都具有負(fù)實(shí)部

12、，或者說(shuō)閉環(huán)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)均位于左半S開(kāi)平面。系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法在經(jīng)典控制理論中，常用時(shí)域分析法、復(fù)域分析法或者頻域分析法來(lái)分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。不同的方法使用的范圍不同，在不同的條件下，選取合適的方法能夠取到事半功倍的功效。時(shí)域分析法，在經(jīng)典控制理論中，時(shí)域分析法是一種直接在時(shí)間域中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析的方法，具有直觀、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，并且可以提供時(shí)間相應(yīng)的全部信息。不過(guò)在時(shí)域分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性時(shí)，必須研究在輸入信號(hào)作用下，當(dāng)時(shí)間趨于無(wú)窮時(shí)，其時(shí)域響應(yīng)曲線必須是衰減的。復(fù)域分析法在復(fù)域中進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，尤其當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)K變化時(shí)，選定合適的參數(shù)范圍使系統(tǒng)達(dá)到所需要穩(wěn)定要。有兩種方法：1）、是直接法

13、，即對(duì)于較易得到系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的場(chǎng)合，直接求出系統(tǒng)所有閉環(huán)極點(diǎn)判斷是否都具有負(fù)實(shí)部來(lái)確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2）、是根軌跡法，利用系統(tǒng)開(kāi)閉環(huán)傳遞繪制根軌跡，由線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件：閉環(huán)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)均位于左半S開(kāi)平面，不包括虛軸，確定使根軌跡在左半S開(kāi)平面部分時(shí)參范圍為系統(tǒng)穩(wěn)定的區(qū)域。4、工業(yè)應(yīng)用4、1應(yīng)用簡(jiǎn)介經(jīng)典控制理論的典型成果應(yīng)用分析有雙容水箱的液位控制系統(tǒng)，還有磁浮球的高度控制等。雙容水箱是通過(guò)PID或內(nèi)模等控制器把水箱中的液位穩(wěn)定的控制在同一個(gè)高度上。磁浮球也是基于同樣的原理。1946年，美國(guó)福特公司的機(jī)械工程師D.S.哈德最先提出“自動(dòng)化”一詞，并用來(lái)描述發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸的自動(dòng)傳送和加

14、工的過(guò)程。50年代，自動(dòng)調(diào)節(jié)器和經(jīng)典控制理論的發(fā)展，使自動(dòng)化進(jìn)入以單變量自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)為主的局部自動(dòng)化階段。60年代，隨現(xiàn)代控制理論的出現(xiàn)和電子計(jì)算機(jī)的推廣應(yīng)用，自動(dòng)控制與信息處理結(jié)合起來(lái)，使自動(dòng)化進(jìn)入到生產(chǎn)過(guò)程的最優(yōu)控制與管理的綜合自動(dòng)化階段。70年代，自動(dòng)化的對(duì)象變?yōu)榇笠?guī)模、復(fù)雜的工程和非工程系統(tǒng)，涉及許多用現(xiàn)代控制理論難以解決的問(wèn)題。這些問(wèn)題的研究，促進(jìn)了自動(dòng)化的理論、方法和手段的革新，于是出現(xiàn)了大系統(tǒng)的系統(tǒng)控制和復(fù)雜系統(tǒng)的智能控制，出現(xiàn)了綜合利用計(jì)算機(jī)、通信技術(shù)、系統(tǒng)工程和人工智能等成果的高級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)，如柔性制造系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化、智能機(jī)器人、專家系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)等

15、。進(jìn)入20世紀(jì)以后，工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用各種自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，促進(jìn)了對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行分析和綜合的研究工作。這一時(shí)期雖然在自動(dòng)調(diào)節(jié)器中已廣泛應(yīng)用反饋控制的結(jié)構(gòu)，但從理論上研究反饋控制的原理則是從20世紀(jì)20年代開(kāi)始的。1833年英國(guó)數(shù)學(xué)家C.巴貝奇在設(shè)計(jì)分析機(jī)時(shí)首先提出程序控制的原理。1939年世界上第一批系統(tǒng)與控制的專業(yè)研究機(jī)構(gòu)成立，為20世紀(jì)40年代形成經(jīng)典控制理論和發(fā)展局部自動(dòng)化作了理論上和組織上的準(zhǔn)備。20世紀(jì)4050年代是局部自動(dòng)化時(shí)期第二次世界大戰(zhàn)時(shí)期形成的經(jīng)典控制理論對(duì)戰(zhàn)后發(fā)展局部自動(dòng)化起了重要的促進(jìn)作用。在問(wèn)題的過(guò)程中形成了經(jīng)典控制理論，設(shè)計(jì)出各種精密的自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，開(kāi)創(chuàng)了系統(tǒng)和控制這一

16、新的科學(xué)領(lǐng)域。這一新的學(xué)科當(dāng)時(shí)在美國(guó)稱為伺服機(jī)構(gòu)理論，在蘇聯(lián)稱為自動(dòng)調(diào)整理論，主要是解決單變量的控制問(wèn)題。經(jīng)典控制理論這個(gè)名稱是1960年在第一屆全美聯(lián)合自動(dòng)控制會(huì)議上提出來(lái)的。1945年后由于戰(zhàn)時(shí)出版禁令的解除，出現(xiàn)了系統(tǒng)闡述經(jīng)典控制理論的著作。1945年美國(guó)數(shù)學(xué)家維納，N.把反饋的概念推廣到一切控制系統(tǒng)。50年代以后，經(jīng)典控制理論有了許多新的發(fā)展。經(jīng)典控制理論的方法基本上能滿足第二次世界大戰(zhàn)中軍事技術(shù)上的需要和戰(zhàn)后工業(yè)發(fā)展上的需要。但是到了50年代末就發(fā)現(xiàn)把經(jīng)典控制理論的方法推廣到多變量系統(tǒng)時(shí)會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)論。經(jīng)典控制理論的方法有其局限性。20世紀(jì)40年代中發(fā)明的電子數(shù)字計(jì)算機(jī)開(kāi)創(chuàng)了數(shù)字程

17、序控制的新紀(jì)元，雖然當(dāng)時(shí)還局限于自動(dòng)計(jì)算方面，但ENIAC和EDVAC的制造成功，開(kāi)創(chuàng)了電子數(shù)字程序控制的新紀(jì)元。電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)明為6070年代在控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用程序控制和邏輯控制以及廣泛應(yīng)用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)直接控制生產(chǎn)過(guò)程奠定了基礎(chǔ)。20世紀(jì)50年代末起至今是綜合自動(dòng)化時(shí)期，這一時(shí)期空間技術(shù)迅速發(fā)展，迫切需要解決多變量系統(tǒng)的最優(yōu)控制問(wèn)題。于是誕生了現(xiàn)代控制理論?，F(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展為綜合自動(dòng)化奠定了理論基礎(chǔ)。同時(shí)微電子技術(shù)有了新的突破。1958年出現(xiàn)晶體管計(jì)算機(jī)，1965年出現(xiàn)集成電路計(jì)算機(jī)，1971年出現(xiàn)單片微處理機(jī)。微處理機(jī)的出現(xiàn)對(duì)控制技術(shù)產(chǎn)生了重大影響，控制工程師可以很方便地利

18、用微處理機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制，使綜合自動(dòng)化成為現(xiàn)實(shí)。4、2溫度控制近年來(lái)，溫度的檢測(cè)在理論上發(fā)展比較成熟，但在實(shí)際測(cè)量和控制中，如何保證快速實(shí)時(shí)地對(duì)溫度進(jìn)行采樣，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，并能對(duì)所測(cè)溫度場(chǎng)進(jìn)行較精確的控制，仍然是目前需要解決的問(wèn)題。溫度測(cè)控技術(shù)包括溫度測(cè)量技術(shù)和溫度控制技術(shù)兩個(gè)方面。電熱鍋爐是機(jī)電一體化的產(chǎn)品，可將電能直接轉(zhuǎn)化成熱能，具有效率高，體積小，無(wú)污染，運(yùn)行安全可靠，供熱穩(wěn)定，自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)，是理想的節(jié)能環(huán)保的供暖設(shè)備。加上目前人們的環(huán)保意識(shí)的提高，電熱鍋爐越來(lái)越受人們的重視，在工業(yè)生產(chǎn)和民用生活用水中應(yīng)用越來(lái)越普及。電熱鍋爐目前主要用于供暖和提供生活用水。主要是控制水

19、的溫度，保證恒溫供水。在溫度的測(cè)量技術(shù)中，接觸式測(cè)溫發(fā)展較早，這種測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是：簡(jiǎn)單、可靠、低廉、測(cè)量精度較高，一般能夠測(cè)得真實(shí)溫度；但由于檢測(cè)元件熱慣性的影響，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)熱容量小的物體難以實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)量，并且該方法不適宜于對(duì)腐蝕性介質(zhì)測(cè)溫，不能用于超高溫測(cè)量，難于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度。另外的非接觸式測(cè)溫方法是通過(guò)對(duì)輻射能量的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的方法，其優(yōu)點(diǎn)是：不破壞被測(cè)溫場(chǎng)，可以測(cè)量熱容量小的物體，適于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度，還可以測(cè)量區(qū)域的溫度分布，響應(yīng)速度較快。但也存在測(cè)量誤差較大，儀表指示值一般僅代表物體表觀溫度，測(cè)溫裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。因此，在實(shí)際的溫度測(cè)量中，要根據(jù)具

20、體的測(cè)量對(duì)象選擇合適的測(cè)量方法，在滿足測(cè)量精度要求的前提下盡量減少投入。溫度控制技術(shù)按照控制目標(biāo)的不同可分為兩類：動(dòng)態(tài)溫度跟蹤與恒值溫度控制。動(dòng)態(tài)溫度跟蹤實(shí)現(xiàn)的控制目標(biāo)是使被控對(duì)象的溫度值按預(yù)先設(shè)定好的曲線進(jìn)行變化。在工業(yè)生產(chǎn)中很多場(chǎng)合需要實(shí)現(xiàn)這一控制目標(biāo)，如在發(fā)酵過(guò)程控制，化工生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)溫度控制，冶金工廠中燃燒爐中的溫度控制等;恒值溫度控制的目的是使被控對(duì)象的溫度恒定在某一給定數(shù)值上，且要求其波動(dòng)幅度(即穩(wěn)態(tài)誤差)不能超過(guò)某允許值。本文所討論的基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)就是要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫控箱的恒值溫度控制要求，故以下僅對(duì)恒值溫度控制進(jìn)行討論。從工業(yè)控制器的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，溫度控制技術(shù)大致可分以

21、下幾種：1、定值開(kāi)關(guān)控溫法所謂定值開(kāi)關(guān)控溫法，就是通過(guò)硬件電路或軟件計(jì)算判別當(dāng)前溫度值與設(shè)定目標(biāo)溫度值之間的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)加熱裝置(或冷卻裝置)進(jìn)行通斷控制。若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值高，則關(guān)斷加熱器，或者開(kāi)動(dòng)制冷裝置;若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值低，則開(kāi)啟加熱器并同時(shí)關(guān)斷制冷器。這種開(kāi)關(guān)控溫方法比較簡(jiǎn)單，用這種控制方法的溫度控制器在我國(guó)許多工廠的老式工業(yè)電爐中仍被使用。由于這種控制方式是當(dāng)系統(tǒng)溫度上升至設(shè)定點(diǎn)時(shí)關(guān)斷電源，當(dāng)系統(tǒng)溫度下降至設(shè)定點(diǎn)時(shí)開(kāi)通電源，因而無(wú)法克服溫度變化過(guò)程的滯后性，致使被控對(duì)象溫度波制精度低，完全不適用于高精度的溫度控制。2、PID 線性控溫法這種控溫方法，是基于經(jīng)典控制理

22、論中的PID 調(diào)節(jié)器控制原理，PID 控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用工業(yè)過(guò)程控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。由于PID 調(diào)節(jié)器模型中考慮了系統(tǒng)的誤差、誤差變化及誤差積累三個(gè)因素，因此，其控制性能大大地優(yōu)越于定值開(kāi)關(guān)控溫。其具體控制電路可以采用模擬電路或計(jì)算機(jī)軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)PID 調(diào)節(jié)功能。前者稱為模擬PID 控制器，后者稱為數(shù)字PID 控制器。其中數(shù)字PID 控制器的參數(shù)可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)在線整定，因此具有較大的靈活性，可以得到較好的控制效果。采用這種方法實(shí)現(xiàn)的溫度控制器，其控制品質(zhì)的好壞主要取決于三個(gè)PID 參數(shù)（比例值、積分值

23、、微分值）。只要PID參數(shù)選取的正確，對(duì)于一個(gè)確定的受控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其控制精度是比較令人滿意的。但是，它的不足也恰恰在于此，當(dāng)對(duì)象特性一旦發(fā)生改變，三個(gè)控制參數(shù)也必須相應(yīng)地跟著改變，否則其控制品質(zhì)就難以得到保證。3、智能溫度控制法PID控制是迄今為止最通用的控制方法之一。因?yàn)槠淇煽啃愿?、算法?jiǎn)單、魯棒性好，所以被廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制中,尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性系統(tǒng)。PID控制的效果完全取決于其四個(gè)參數(shù),即采樣周期ts、比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki、微分系數(shù)Kd。PID參數(shù)的整定與優(yōu)化一直是自動(dòng)控制領(lǐng)域研究的重要課題。PID在工業(yè)過(guò)程控制中的應(yīng)用已有近百年的歷史，在此期間雖然有許多控制算法

24、問(wèn)世,但由于PID算法以它自身的特點(diǎn)，再加上人們?cè)陂L(zhǎng)期使用中積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，使之在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用。在PID算法中，針對(duì)P、I、D三個(gè)參數(shù)的整定和優(yōu)化的問(wèn)題成為關(guān)鍵問(wèn)題。為了克服PID 線性控溫法的弱點(diǎn)，人們相繼提出了一系列自動(dòng)調(diào)整PID 參數(shù)的方法，如PID 參數(shù)的自學(xué)習(xí)，自整定等等。并通過(guò)將智能控制與PID 控制相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)溫度的智能控制。智能控溫法以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，并適當(dāng)加以專家系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化。其中應(yīng)用較多的有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及專家系統(tǒng)等。尤其是模糊控溫法在實(shí)際工程技術(shù)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。目前已出現(xiàn)一種高精度模糊控制器，可以很好的模擬人的操作經(jīng)驗(yàn)來(lái)改

25、善控制性能，從理論上講，可以完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。所謂第三代智能溫控儀表，就是指基于智能控溫技術(shù)而研制的具有自適應(yīng)PID 算法的溫度控制儀表。目前國(guó)內(nèi)溫控儀表的發(fā)展，相對(duì)國(guó)外而言在性能方面還存在一定的差距，它們之間最大的差別主要還是在控制算法方面，具體表現(xiàn)為國(guó)內(nèi)溫控儀在全量程范圍內(nèi)溫度控制精度比較低，自適應(yīng)性較差。這種不足的原因是多方面的不足而導(dǎo)致控制精度不穩(wěn)定。4、3液位控制液位控制是工業(yè)控制中的一個(gè)重要問(wèn)題，針對(duì)液位控制過(guò)程中存在大滯后、時(shí)變、非線性的特點(diǎn)，為適應(yīng)復(fù)雜系統(tǒng)的控制要求，人們研制了種類繁多的先進(jìn)的智能控制器，模糊PID控制器便是其中之一。模糊PID控制結(jié)合了PID控制算法和模糊控制

26、方法的優(yōu)點(diǎn)，可以在線實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的調(diào)整，使控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間大大縮短，超調(diào)量減少，振蕩次數(shù)少，具有較強(qiáng)的魯棒性和穩(wěn)定性，在模糊控制中扮演著十分重要的角色。系統(tǒng)的水箱主體由蓄水容器、檢測(cè)組件和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)三大部分構(gòu)成。水箱和儲(chǔ)水箱是用來(lái)蓄水的容器;檢測(cè)液位可以采用壓力傳感器或者浮漂加滑動(dòng)變阻器兩種方案來(lái)實(shí)現(xiàn)液位高度數(shù)字量的采集，采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥用來(lái)進(jìn)行控制回路流量的調(diào)節(jié)。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)不銹管道連接起來(lái)，儲(chǔ)水箱為三個(gè)水箱提供水源，通道閥門開(kāi)啟時(shí)，水可以被分別送至三個(gè)水箱。三個(gè)水箱底部均有兩個(gè)出水管道，其中裝有手動(dòng)閥的管道是控制系統(tǒng)的一部分，也可以手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度用來(lái)做漏水干擾的控制實(shí)驗(yàn);

27、另外一個(gè)直通管道則是在水箱液位達(dá)到最大值時(shí)經(jīng)由它流至儲(chǔ)水箱，以防止水箱里的水溢出水箱。除了上述的控制對(duì)象組件，另外還有一個(gè)智能儀表綜合控制臺(tái)和一臺(tái)計(jì)算機(jī)，這三個(gè)部分才構(gòu)成了完整的液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置。儀表綜合控制臺(tái)作為系統(tǒng)的電氣部分，主要由三部分組成:電源控制屏面板、儀表面板和I/O信號(hào)接面板。該控制臺(tái)通過(guò)插頭與對(duì)象系統(tǒng)連接，結(jié)合實(shí)驗(yàn)裝置水箱主體中應(yīng)用到的不同組件對(duì)象，實(shí)驗(yàn)操作員可以自行連線組成不同的控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)幾十種過(guò)程控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。計(jì)算機(jī)用于采集控制臺(tái)中的電流、電壓信號(hào)，使用MCGS組態(tài)軟件系統(tǒng)構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，并且與系統(tǒng)控制對(duì)象中的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥配套使用，組成最佳調(diào)節(jié)回路。4、4風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制變距控制的變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)已成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要發(fā)展方向，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是復(fù)雜多變量非線性系統(tǒng)，具有不確定性和多干擾等特點(diǎn)，其數(shù)學(xué)模型的建立和實(shí)驗(yàn)都非常困難，狀態(tài)方程在全