宽幅变温差示扫描量热仪温度控制方法研究与应用

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题名	宽幅变温差示扫描量热仪温度控制方法研究与应用
作者	郁洋1,2
答辩日期	2019-05-24
授予单位	中国科学院沈阳自动化研究所
授予地点	沈阳
导师	胡静涛
关键词	高精度差示扫描量热仪温度控制前馈-反馈复合控制冷热协同控制 DMC-PID串级控制
学位名称	博士
其他题名	Temperature Control Method of Wide Range Variable Differential Scanning Calorimeter
学位专业	检测技术与自动化装置
英文摘要	差示扫描量热仪温度控制问题是典型的非线性复杂动态系统的控制问题，具有较强的非线性、滞后和非对称性等特性，传统的线性控制方法无法实现宽幅变温下高精度控制要求。本文基于差示扫描量热原理，针对其温度控制特点，研究适用于宽幅变温和高精度要求下的温度控制方法，论文主要贡献包括以下内容：（1）针对差示扫描量热仪温度模式下不同的控温手段，基于瞬态平衡原理分别建立了不含液氮降温的DSC传热模型和带有液氮降温的传热模型，并分析了模型特性对温度控制的影响，对控制方法的研究提供理论指导。（2）针对高温区恒速升温控制问题，提出了双前馈-反馈复合多控制器方法。针对被控对象滞后特性引起的响应时间长和外部环境温度变化对炉内温度的扰动问题，利用前馈控制中精确控制的特点，分别设计环境温度前馈补偿控制器和设定值输入前馈控制器，有效减小调节时间，提高控制系统的控制精度和鲁棒性。针对被控对象非线性特性，将温度区间划分为若干近似线性子区间，在每个线性子区间设计PID控制器，将多个PID控制器组合起来形成多控制器方法。针对多控制器方法中不同温度区间控制器切换引起的控制量突变的问题，引入平滑滤波因子，实现不同温度区间的控制作用的缓慢过度。（3）针对高温区恒速升温过程的静差问题，从温度控制准确度的要求出发，基于预测控制算法超前预测和最优控制的特点，提出一种基于DMC的高温区恒速升温过程无静差控制方法。在主回路采用DMC控制器，通过预测控制器实现测量值与设定值无静差控制，改善控制系统的跟踪特性。副回路采用PID控制器，通过PID控制器的闭环反馈，加快被控对象的动态响应，改善被控对象的线性度和对参数变化的敏感性。预测控制器控制由PID控制器与DSC加热炉组成的广义对象，动态响应的加快减小了预测模型长度，减小了预测控制器的运算量。针对滞后特性引起预测控制器的过度调节问题，引入滞后参考轨迹的方法，对参考轨迹以滞后时间为基准进行移动，优化过程弥补了时滞带来的影响，系统输出平滑，稳定时间短，稳定时系统温度低。（4）针对低温区温度控制问题，提出基于液氮前馈的冷热协同温度控制方法。由于液氮冷却手段的加入，出现了控制液氮降温和加热丝升温的多周期协同控制问题。考虑到液氮的成本较高和液氮电磁阀控制精度低的问题，从能量平衡角度出发，由恒速降温所需的能量与控制量关系设计前馈控制器进行开环控制，同时，引入加热丝闭环控制，通过加热丝的快速调节作用实现精细控制，对扰动及其他因素引起的误差进行反馈补偿，形成以液氮前馈控制为主，加热丝反馈控制为辅的冷热协同复合多控制器系统，从而在保证控制精度的基础上达到减小电能和液氮消耗的目的，进而实现了满足热分析功能的宽幅变温要求。（5）在所研究控制方法的基础上，设计了差示扫描量热仪温度控制的硬件系统和软件架构，并在原理样机上进行了温度控制结果的检测，验证了本文所提方法有效性和实用性。
语种	中文
产权排序	1
页码	111页
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.sia.cn/handle/173321/25161]
专题	沈阳自动化研究所_数字工厂研究室
作者单位	1.中国科学院大学 2.中国科学院沈阳自动化研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	郁洋. 宽幅变温差示扫描量热仪温度控制方法研究与应用[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2019.