现代控制理论在热工仪表校正中的应用

现代控制理论在热工仪表校正中的应用

鲁志军

（华能国际电力股份有限公司丹东电厂辽宁省丹东市118300）

摘要：热工仪表普遍具有非线性特性，诸如热电偶的热电势与温度的关系，节流式流量计流量与压差的关系，汽包水位计水位与压差的关系等都是非线性函数，直接影响参数测量的准确度和仪表显示的精确度。为减小热工仪表因非线性特性所产生的误差，通常可采用3种方法：一是减小仪表测量范围；二是采用非线性显示刻度；三是加入非线性校正环节。由于前2种方法并未对仪表输出信号进行线性化处理，虽然能在一定程度上减小测量误差，但无法满足自动控制装置所需信号为线性信号的要求，而第3种方法既能提高测量精度，又可以对仪表测量参数值进行线性化处理，因此成为研究热点。

关键词：现代控制理论；热工仪表；校正；应用；分析

引言：随着市场经济的发展，温度显示和控制仪表已广泛应用于社会生产的各个方面.温度仪表测量温度传感器传递来的模拟信号或数字信号，通过自身的信号调理电路或固化在芯片中的处理程序将所测得的温度转变成数字形式或模拟形式的显示值.为了保证测试系统的可靠性，对这些温度仪表及传感器的校准、调整和检修维护尤为重要.目前，在检定校准这类仪器时，由于校准方法的不一致，导致校准结果有一定的差异.本文在多次校准比较的基础上提出一种校准方法，在实际工作中有一定的参考价值。

1.现代控制理论的发展和研究现状

系统是由一些互相关联、互相约束的部件因某个特殊功能所组成的整体。系统具有相关性、多元性、抽象性和相对性。而动态系统即是空间和时间状态下不断变化的系统。通常，动态系统通过差分微分方程进行计算求解。而现代控制理论则建立在动态系统上。20世纪50年代，俄罗斯的数学家Pontryagin，LevSemionovich开始研究最优控制理论，并于1958年提出了将极大值原理应用于控制系统中的理论。20世纪60年代，匈牙利裔美国数学家ＲudolfEmilKalman和数学家Ｒ.S.Bucy提出了Kalman-Bucyfiltering方法，这种方法是在计算机上实现的能在输入带噪音的信号时，使期望和现实的输出信号之间误差最小借以达到最优的线性系统，该方法是控制理论中的重要研究方向。而同期内，ＲudolfEmilKalman和Ｒ.S.Bucy在研究空间技术的同时将其与控制理论相结合，使控制理论的研究走向了新的阶段。不久之后，以极大值原理、Kal-man-Bucyfiltering方法、动态系统及规划、空间技术奠基的现代控制系统基本形成。现代控制理论可以对多变量系统进行控制、观察检测及设计控制器件。现代控制理论包括最优控制理论、线性及非线性系统理论、最优估计、动态系统识别、自适应控制及预测控制等众多范围，与经典控制理论对比，能设计和分析多变量控制系统，能将系统以状态量和状态方程表示，体现出系统的特征，能在计算机上完成控制过程，能在状态空间方程的基础上对非线性系统进行稳定性分析。

2.热工仪表校验仪原理和特点

热工仪表校验仪是为高精度、多功能校准热工仪表而设计的台式校验仪表，采用高亮度带背光大屏幕、中文菜单显示，其结构坚固、紧凑，经济实用，能够在仪表车间、计量室、校准实验室使用，满足对各种热工仪表的检定、校准及维护的需要。它是一种用于温度传感器和测控仪表或测控系统校准、测试、调试的多功能综合性仪器。它的原理是以单片机或处理器为核心，配置人机接口界面和输入输出电路，通常具有以下几个特点：一是能测量多种热电阻、热电偶的信号并以温度值显示；二是具有冷端（参考端）温度自动补偿功能；三是能模拟输出多种热电阻、热电偶各温度对应的标准电量；四是能输出和测量电阻、直流电压或直流电流值。用户可以将要测量和显示的各项数据通过人机界面输入到指令操作电路中，单片机或处理器根据接收到的指令，控制电路做出相应的输入输出动作，并将其结果在显示屏上显示（有的功能较单一可能没有显示）。另外，由于热电阻、热电偶的电量值和温度值是非线性的，电路中通常还设有外扩的ROM程序存储器和RAM数据存储器.热电偶和热电阻非线性补偿方法可采用阵列存储数据查表形式，也可以采用公式计算，或两则结合的方法。对于带热电阻校准功能的热工仪表校验仪由于输入输出的都是电阻信号，直接通过A/D和D/A转换器就可以进行测控。

3.热工仪表非线性特征的校正

3.1热工仪表的非线性特性

热工仪表的非线性特性是与其线性特性相对立的特性，非线性无法使用迭代求解。在热工自动化控制系统中，例如晶体管放大元件，超过其工作范围后会出现其非线性特征；电动机在输入电压越限时亦会因永磁材料产生非线性特性等。死区是最容易出现非线性特性的区域。而在热工仪表中，流量仪表中液体压强差与流量为非线性关系，温度仪表中温差与电势为非线性关系等。要尽量修正热工仪表的非线性特征导致的误差，可以缩小热工仪表的测算范围，可以使用非线性刻度，可以使用非线性特征校正。而非线性校正可以更好的修正热工仪表线性及非线性误差，故应用较广泛，发展前景较大。非线性特性校正主要分为数字和模拟线性化校正。

3.2基于神经网络算法的非线性校正

3.2.1基于BP神经网络的流量非线性校正

BP（BackPropagation）神经网络是多层次前馈网络，其应用非常广泛。BP网络可以反映存储各种输入输出关系，该网络算法使用梯度下降法，不断通过前馈调整，减小网络的计算误差。火电厂热工仪表中的氧化锆氧量计是用于测试火电厂中烟雾含氧量的仪器。在火电厂中，为了降低成本，提高锅炉燃烧效率，控制燃烧锅炉中的含氧量具有重要意义。将锅炉含煤量与含空气量之比用β表示，锅炉中空气量可以通过含氧量与空气大致的比例计算得出。而火电厂一般选择氧化锆氧量计计算测量锅炉含氧量，其通过氧浓度差原理进行测量，即采用待测烟雾和已知固定含氧量的气体分别置于其两端，若待测烟雾含氧量和参照气体的含氧量之间具有差值，将会形成氧浓度差蓄电池，该电池电势与气体含氧量的差值成正比，继而可以通过电池电势计算待测的烟雾含氧量。

3.2.2基于CMAC神经网络的温度测量计非线性校正

CMAC（CerebellarModelArticulationController）神经网络为局部逼近神经网络，该网络为模拟人体小脑控制身体动作的原理而建立的网络模型，能表现非线性映射，具有局部泛化能力。温度测量计由热电阻和热电偶组成，可以对温度进行传感，进而对温度进行测量。其中，不一样的温度能导致热电偶具有不一样的热电势，从而对温度进行测量计算。

总结：综上所述，通过对色谱柱结构以及其中成分的分析并通过多次试验以及现场实际运行，目前初步找到色谱柱活化的方法以及活化的温度要求，同时找到了清理色谱柱杂质的办法，并明确了杂质清理是活化色谱柱过程中必不可少的一步。

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