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今天山西快乐十分开奖昨天: 研制超級TCD檢測器的關鍵技術——SRFC-I型超精模糊控制???/strong>

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瀏覽 次【字號 】 發布時間:2012-7-6 打印本頁

山西快乐十分前三预测 www.cxclik.com.cn 研制超級TCD 檢測器 的關鍵技術

——SRFC-I型超精模糊控制???/FONT>

摘要: 國產 TCD低檔的根本原因,是 買不來先進精確溫控技術,只能采用傳統 PID 控制 TCD池溫,池溫波動難以突破±1%(據專家稱,采用PID 控制能夠達到100℃±1℃ ),造成信噪比低所至 。采用 SRFC-I 型超精模糊控制??榭刂?/SPAN> TCD 池溫, 使TCD 性能大幅度提高。

一.問題的提出

不難發現,高檔TCD的技術中,大多數技術都可以通過“拿來主義”得到,但有一些技術卻買不來,成為限制國產分析儀器進步的枷鎖。

我們先來看影響 熱導檢測器(TCD) 靈敏度的因素:

1.  熱導池橋電流(橋電流大,靈敏度高);

2.  熱導元件阻值(阻值大,靈敏度高);

3.  熱導池氣室的孔徑(孔徑小,峰高檢測靈敏度高);

4.  熱導池電源(輸出阻抗高,靈敏度高);

5.  載氣的種類(He、H2輕載氣,靈敏度高);

6.  載氣的流量(一般載氣流量小,靈敏度高);

7.  載氣的純度(載氣純度高,靈敏度高);

8.  工作溫度(工作溫度低,靈敏度高);

9.  信噪比(信噪比高,靈敏度高)。

在上述影響 TCD 靈敏度的9個因素中,因素1-8是通過“拿來主義”可得到技術;因素9(信噪比)是難以得到的技術。而影響因素9最大的元素是池 溫波動 ,它決定了TCD的噪聲水平,如 表1 所示 。

表1   影響TCD 信噪比 元素 

影響元素

噪聲值

橋流產生 熱絲溫度 變化

40μV/mA

溫波動 產生的熱絲溫度變化

12400μ v /℃

載氣流量

單臂

25μV/mL·min

雙臂

7μV/mL·min

池壓力

單臂

17.3μV/kPa

雙臂

1.12μV/kPa

機械沖擊(3g物體從2.5cm高處跌落在TCD外殼上)

10μV

國外知名企業擁有先進精確溫控技術,將 TCD 溫波動 減小到 ±0. 2 (由于國外知名企業不公開指標,據國內氣相色譜專家講國外知名企業的 TCD 溫波動 達到 ±0. 2 )。然而,為了壟斷技術獲取高額利潤,國外知名企業嚴格封鎖了先進精確溫控技術,使我國只能生產低檔TCD,控制性能只能達到:在過渡過程時間大于5小時的條件下池 溫波動 大于 ±1℃ ,在過渡過程時間小于1小時條件下池 溫波動 大于 ± 3 。國產TCD溫控過渡過程時間長,池 溫波動 大,導致產品性能復現性很差。不難看出,先進精確溫控技術 是研制超級TCD的核心技術。

二. TCD池溫低性能的原因

研究表明,采用溫場結構、犧牲快速性和PID控制等已經落后技術,是造成國產TCD池溫低性能的三大隱性殺手。 

1.  溫場結構造成不可控噪聲

人們對客觀世界的認知是有限的,我們還有很多的無奈。比如,傳統控制理論只認知了線性控制系統,而對有非線性、時變性和不確定性的工業系統還不甚了了,傳統控制面臨著嚴峻的挑戰。

傳統PID控制只解決了精確控制線性系統問題,還沒有解決精確控制有滯后的系統。為了使PID能夠控制滯后系統,傳統控制通常采用溫場結構回避滯后。傳統TCD就是通過在TCD外面加一個溫場加熱爐和測溫頭緊貼加熱器構造的溫場結構,如圖1所示。

 

圖1  溫場結構的 T CD

溫場結構雖然克服了滯后,使PID能夠精確控制溫場。但是,由于TCD被置于溫場閉環控制系統之外, TCD 內部擾 (比如:橋流、載氣流量、池壓力和機械沖擊等)影響了自身恒溫也影響了溫場的恒溫,導致了測量噪聲。我們做如下分析:請參見圖2, TCD 內部擾 動直接作用到TCD上而導致TCD溫度波動,這一變化通過結構內部熱傳遞又反過來影響了爐溫,于是爐溫控制系統發揮作用維持爐溫的恒定。然而,這個爐溫的控制精度即便很高并不代表對TCD溫度的控制具有同樣的動態與靜態精度?;謊災?,對于不同強度的擾動應該有一個與之對應的最佳爐溫來克服其產生的TCD溫度偏差。另一方面,雖然爐溫的反饋控制系統也包含了對各擾動所產生后果的克服,但不難看出控制通道比擾動通道長的多,亦即:擾動對TCD的影響快而有效,而控制作用欲將TCD的受擾狀況‘拉’回來,需要經過以下流程:TCD→爐溫→PID調節器輸出→加熱器功率→爐溫→TCD,不僅要花費很長時間,而且動態誤差不可避免,還可能會有靜差。

 

圖2  溫場系統與TCD檢測器框圖

2.  犧牲快速性制造了中國式頑疾

傳統PID也未解決精確控制時變系統的難題,而實際工業系統中又大量存在著時變性,比如,溫控系統使用環境的變化就是參數時變。為了使PID能夠精確控制時變系統,傳統控制采用通常犧牲系統的快速性保證系統的穩定性。

犧牲系統快速性等于失去自動控制的實用性,這是一個基本原則。然而,我國TCD性能測定嚴重違背了基本原則。國產TCD通常是在理想使用環境條件下(不允許開門窗、不允許人員走動的無干擾環境),采用超常的過渡過程時間(過渡過程時間≥5小時)測定的。這樣測定的TCD性能,不僅不能代表TCD實際性能,而且是一種“假”指標。實際應用后,必然發生穩定性、可靠性、靈敏度和重復率等問題。這就是國產分析儀器存在的中國式頑疾(說明書上是高性能指標,實際上是低性能、低穩定性、低可靠性、低靈敏度和低重復率)的內幕。

另外,國產儀器儀表常用溫度測量指標(0.1%)冒充控制性能指標,造成用戶以為國產儀器儀表的控制性能達到了國際水平,而實際上控制性能比指標低于一到二個數量級,這不僅擾亂了市場,而且毀壞了中國產品的名譽。

3.  PID控制TCD池溫波動難以突破±1%

傳遞函數為

 

的穩定二階系統的過渡過程有兩種收斂形式,即當阻尼比0<ζ<1時是衰減振蕩收斂形式和當ζ>1時是無振蕩指數收斂形式。推而廣之,我們將一般穩定系統的過渡過程也分為兩種收斂形式:一是衰減振蕩收斂形式,二是無振蕩收斂形式。

我們注意到,衰減振蕩的系統在過渡過程結束達到靜態后是不能繼續收斂的 等幅波動 ,為此,我們稱此類系統為雙邊收斂系統。而無振蕩收斂的系統(比如指數收斂的系統)在過渡過程結束達到靜態后依然繼續 單邊趨近 ,為此,我們稱此類系統為 單邊收斂 系統。由于雙邊收斂系統的靜態止步于 等幅波動 ,故雙邊收斂系統靜差較大,而單邊收斂系統的靜差隨著過渡過程時間的增加而減小,逐漸逼近于零,故單邊收斂系統靜差很小。然而,單邊收斂系統存在的致命缺點是喪失了快速性,也就是過渡過程時間很長。

為了兼顧穩、快、準三項性能,傳統PID控制一般將系統的過渡過程調整到衰減振蕩收斂形式, 最有代表性的是4:1衰減比 衰減振蕩 。如上所述, 傳統PID控制屬于 雙邊收斂 系統,系統達到靜態后止步于 等幅波動 靜差較大,實踐表明,傳統PID控制的控制精度難以突破±1%。同樣,采用PID控制的TCD池溫波動也難以突破±1%。

問題是,我們能否研制出“不喪失快速性” 的單邊收斂系統呢?這樣就可以同時提高穩、快、準性能。本文后面談到的 SRFC— I型 超精模糊控制 ???/SPAN> 采用位置學習算法實現了“不喪失快速性” 的單邊收斂系統。

四.SRFC-I型超精模糊控制???/FONT>

2007年4月, 北京泛控科技有限公司 應國家氣相色譜儀產業化項目和質譜儀產業化項目的邀請, 采用 自主產權的 SRFC— I型 超精模糊控制 ??椋虺艻型 ???/FONT> )控制了 TCD ,性能十分優秀,如下:

1.  支撐無溫場結構的 TCD

I型 ???/FONT> 適宜精確控制非線性、時變性和不確定性系統,能夠控制無溫場TCD。

實驗表明,無溫場TCD是難控被控對象。首先,滯后與慣性比值大于1:5,PID難于精確控制(即控制波動小于1%)。參見圖3,無溫場TCD的測溫頭遠離加熱器導致 測溫滯后較大 ,同時,TCD采用了絕熱保溫材料使被控對象的 慣性時間較小 ,最終使,系統滯后時間與慣性時間比值較大(1:5),PID控制能控制但難以高精度控制。       

其次,無溫場TCD的響應快速性與穩定性難以統一。一方面,TCD采用絕熱保溫材料小功率加熱器(3W)就能加熱到100℃, 然而,加熱時間太長不能滿足儀器要求;另一方面,TCD采用大功率加熱器(30W),又將發生毀滅性超調,即T發生超調后在絕熱材料保溫下TCD溫度長時間(大于2個小時)不回落。目前,PID控制TCD只能采用犧牲快速性保證穩定性(無超調)的“魯棒性參數”,犧牲快速性等于犧牲了抗干擾能力,“魯棒性參數”的PID控制抗干擾能力極低!            圖3  無溫場的 T CD

最后,“魯棒性參數”的PID控制不但不能抵抗無溫場TCD的增加了橋流、載氣流量、池壓力和機械沖擊等內部擾 ,反而,有增大溫度波動的后果。

I型 ??榻餼雋絲刂?/FONT> 無溫場 TCD 的難題,實現了下述性能:30W功率高速無超調升溫,過渡過程時間小于40分鐘(PID控制TCD的過渡過程時間為300分鐘);測溫頭安裝在離鎢錸絲最近的位置(參見圖3),提高抵抗 TCD 內部干擾能力,大幅度提高 TCD 信噪比;

2.  支撐高性能

I型 ??椴捎煤:評硨臀恢醚暗姆椒?, 實現單邊收斂(即在過渡過程結束達到靜態后依然繼續 單邊趨近 ),是最先進控制器。 I型 ??椴捎玫暮:評硎且恢腫災鞔蔥碌哪:評硭惴?,其核心進步是發現模糊推理函數化方法,解決了運算速度低和性能調整復雜的難題。 I型 ??椴捎玫奈恢醚耙彩且恢腫災鞔蔥碌目刂撲惴?,其核心進步是解決了消除靜差時破壞系統動態穩定性的難題, 實現單邊收斂 。

I型 ??榭刂?/FONT> TCD 的性能如下: 在過渡過程時間35分鐘條件下,池 溫波動 00 小于 ±0.0 5 (歡迎同仁交流競賽) 。

五.結論

1.  國產TCD采用PID控制系統靜差止步于 等幅波動 不可能太小。

2.  TCD的溫場結構不能抵抗TCD內部干擾, 造成不可控噪聲 。

3.  PID控制采用犧牲快速性控制時變系統的方法抗干擾能力很低,造成儀器 低穩定性、低可靠性、低靈敏度和低重復率 。

4.  SRFC— I型 超精模糊控制 ??榭梢鑰刂莆尬魯〗峁溝腡CD,在恒溫控制 TCD溫池的同時克服了 TCD內部干擾,降低了噪聲。

5.  SRFC— I型 超精模糊控制 ??樗惴ㄏ冉?/SPAN> ,控制TCD的抗干擾能力強,池溫波動100 小于 ±0. 05 。

研究作者:樊遠征

200 8年3月17日

單位: 北京泛控科技有限公司  

地址: 北京市海淀區翠微路 2 7 408  室(郵編: 100036 )。  

聯系人: 高小艷

聯系電話: 010- 86842988 , 13701372187 ,  010-63358841

Email [email protected] 

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