分布式大迟滞循环冷却水系统温度控制算法

摘要

超精密加工和测量领域对工作环境提出严格的要求，热污染成为制约制造和测量精度提高的关键因素之一。在这些装备中，均采用循环冷却水为关键的发热部件进行换热处理，因此循环冷却水的温度控制精度将直接影响到仪器和装备的精度指标。
　　循环冷却水的温度控制精度在很大程度上取决于温度控制算法的指标。但是循环冷却水系统具有分布式大迟滞的特点，会使得系统的控制性能变差。针对以上应用需求和被控对象的特性，本课题旨在研究高精度温度控制算法，解决超精密加工和测量领域对循环冷却水系统提出的精度高、响应快速、超调量小和稳定性高等问题。本课题主要研究内容如下：
　　首先，针对循环冷却水系统存在的分布式大迟滞的问题，在对目前针对大时滞系统提出的几种先进控制算法进行原理和仿真分析的基础上，完成了循环冷却水温度控制算法的总体方案设计，选用 Smith预估控制算法和模糊 PID控制算法作为课题方案；完成了算法的程序设计，并针对温度传感器在采样过程中存在的尖峰扰动的问题，设计了滑动均值滤波子程序。
　　其次，针对Smith预估控制算法需要精确的系统模型的问题，采用理论分析和实验相结合的方法对循环冷却水系统进行模型辨识。通过机理建模得到加热单元的模型；通过机理建模和最小二乘辨识得到制冷单元的模型；通过基于偏置的继电辨识法得到整体系统的模型；针对Smith预估器的参数失配问题，进行了分析和参数补偿，提高了预估器的准确性和补偿性能。
　　再次，完成了高精度温控器硬件电路的设计，并将Smith预估控制算法和模糊PID控制算法嵌入到温控器中。
　　最后，搭建高精度循环冷却水系统实验平台，对 Smith预估算法和模糊 PID算法的控制效果进行实验测试。实验结果表明，在循环冷却水的流量为16L/min、实验环境温度为25℃的条件下， Smith预估控制算法可以实现73.2s的调节时间和±0.017℃的温度稳定性能，具有0.015℃的控制分辨力；模糊PID控制算法可以实现53.5s的调节时间和±0.019℃的温度稳定性能，具有0.01℃的控制分辨力。稳定性指标与相同工况下采用日本岛电 SR23型顶级工业温控器实现的稳定性指标相当（±0.015℃），而响应速度指标有明显的提升（SR23调整时间171s）。

目录

第1章 绪 论

1.1课题背景及研究目的与意义

1.2国内外研究现状及分析

1.3课题主要研究内容

第2章 高精度循环冷却水系统模型辨识

2.1引言

2.2高精度循环冷却水系统原理及系统搭建

2.3加热单元模型辨识

2.4制冷单元模型辨识

2.5基于偏置继电辨识的循环冷却水系统模型辨识

2.6本章小结

第3章 循环冷却水系统温度控制算法设计

3.1引言

3.2 Smith预估控制算法

3.3模糊PID控制算法

3.4本章小结

第4章 高精度循环冷却水系统温控器设计

4.1引言

4.2循环冷却水系统关键硬件电路设计

4.3软件设计

4.4本章小结

第5章 循环冷却水系统温度控制算法性能测试实验

5.1引言

5.2实验装置与环境条件

5.3 PID参数整定实验

5.4循环冷却水系统性能测试实验

5.5温度控制算法性能测试实验

5.6与行业顶级产品性能对比

5.7本章小结

结论

参考文献

声明

致谢