快速高精度冷镜式露点仪的控制方法与流程

本发明涉及一种冷镜式露点议测量的控制方法，该方法能能消除控制失调而引起的系统震荡，加快露点的测量，提高测量精度。

背景技术：

冷镜式露点仪是一种典型的光电型露点仪，它有露点室、光电检测系统、制冷系统、测温系统和单片机控制处理系统组成。其测量原理为：被测气体通过露点室的冷凝镜，在单片机控制处理系统和光电检测系统配合下，通过等压制冷，使气体中的水汽逐渐到达饱和，这时冷镜上会有霜或露，当冷镜上霜层或露层达到一定厚度，从霜层逃逸的水分子等于从样气中凝结的水分子到达动态平衡，并保持一段时间时的值，就是露点值。然后通过测温系统测出露点温度值，然后根据露点值通过换算得到样气中的水汽含量，目前市面上大多数是PID控制等，其中PID调节为固定比例、积分和微分系数的调节方式，由于在整个测试中，系数值固定，所以调节系统适应能力较差，测量过程类似阻尼振动波形，反复振荡造成测量时间延长，甚至可能无法达到稳定状态而没有读数值。

技术实现要素：

为了克服以上问题，本发明提供一种快速高精度露点仪的控制方法，对现有冷镜式露点仪的控制方法做了极大改进，减少了系统振荡，加快了测试速度，提高了鲁棒性，并提高了测量的精度。

本发明技术方案及原理：

本发明提供的高精度冷镜式露点仪，包括露点室、光电检测系统、测温系统、制冷系统、单片机控制处理系统及输入输出系统。光洁镜面位于半导体制冷器上面，控制器通过D/A变换为电流，从而控制镜面温度。本系统采用两种控制模式的复合控制：先设置一个阈值，系统实时测量反应霜层厚度的反射光的光能量，计算当前光能量与控制目标值的差值Rx和光能量的变化率ΔRx，若Rx＞阈值时，进行模糊处理控制；当误差Rx＜阈值时，根据比例积分PI控制规则，然后进行控制处理，控制工作电流使光能量达到控制目标值，控制光能量的变化率在允许的范围内，停止比例积分控制，输出露点值。模糊控制能获得良好的瞬态性能，减少系统的平衡时间，但其缺少积分环节，不能消除系统静差，测量带来误差，而比例积分控制，以消除系统静差提高精度；故把模糊控制与比例积分控制复合应用，既提高了系统的响应速度又提高了系统的精度。详细方案如下：

步骤1：首先在镜面干燥的情况下，得到一个反射光的初始值Ro，作为系统基准，W₁为结露误判系数，W₂为系统控制目标系数，将W₁×Ro作为判别初略露点的阈值，将W₂×Ro作为控制目标值，0＜W₂＜W₁＜1的实数。

步骤2：系统开始测量时，系统实时采集反射光的光能量，并计算当前光能量与控制目标值的差值Rx，由于刚开始制冷，系统远未达到结露，所以这时测得的Rx肯定大于初略露点的阈值W₁×Ro，系统处于模糊控制模态。

步骤3：在模糊控制状态，得到实时采集的反射光与控制目标W₂×Ro的差值Rx和该差值Rx的变化率ΔRx，把他们变为模糊值送入到模糊控制器，由模糊规则推理得出输出控制量的模糊集，再将输出量进行逆模糊化处理得到清晰的控制量U₁(k)；其中模糊控制器的算法如下：

U₁(K)＝K₁×R(K)+K₂×[R(K)-R(K-1)]

其中K为采样序号，R(K)为采样时刻K输入的偏差值，R(K)和R(K-1)分别为第K次采样时刻输入的偏差值与第K-1次采样时刻输入的偏差值，K₁为比例系数，K₂为微分系数， K₁和K₂是控制器通过模糊推理并逆模糊化得到的值，对比例微分控制器进行在线自整定而得，利用偏差的比例和微分环节计算出输出量U₁(K)；这种控制模式一直保持到R(K)大于模式转换阈值W₁×Ro，一旦R(K)小于模式转换阈值W₁×Ro时，系统则进入比例积分PI控制模式。

步骤4：当进入比例积分PI控制模式时，此时已经是初略露点的阈值了，这时系统非常接近平衡状态了，然后根据比例积分PI控制器的输出U₂(K)，使反射光的光能量达到控制目标值；控制光能量的变化率在允许范围内；这时的温度值就是露点；

所述的比例积分PI控制算法如下：

其中Kp、Ki为PI控制器的比例系数和积分系数

采用此控制方法，提高了系统的响应速度，减少了振荡，也提高了测量精度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的冷镜式露点仪的测量装置示意图

图2为本方法控制流程图示意图

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步说明本发明

本发明提供的快速高精度冷镜式露点仪，其结构意如图1所示。包括露点室、光电检测系统、测温系统、制冷系统、单片机控制处理系统等。其中露点室包括由发光二极管1、光敏二极管2和镜面3组成的光电检测单元、铂电阻4和制冷单元5；测量电路由光电检测电路6、测温电路7组成；控制电路由控制器9和制冷驱动电路8组成；测量电路分别与露点室的光电检测单元、铂电阻4和控制器9连接；控制电路分别与控制器和制冷单元5连接；

本发明首先在镜面干燥的情况下，得到一个反射光的初始值Ro，作为系统基准，W为结露误判系数，W₂为系统控制目标系数，将W₁×Ro作为判别初略露点的阈值，将W₂×Ro作为控制目标值，0＜W₂＜W₁＜1的实数，一般取W₂＝0.60，W₁＝0.65。

系统开始测量时，系统实时采集反射光的光能量，并计算当前光能量与控制目标值的差值Rx，由于刚开始制冷，系统远未达到结露，所以这时测得的Rx肯定大于初略露点的阈值W₁×Ro，系统处于模糊控制模态。

在模糊控制状态，得到实时采集的反射光与控制目标W₂×Ro的差值Rx和该差值Rx的变化率ΔRx，把他们变为模糊值送入到模糊控制器，由模糊规则推理得出输出控制量的模糊集，再将输出量进行逆模糊化处理得到控制量U₁(k)；其中模糊控制器的算法如下：

U₁(K)＝K₁×R(K)+K₂×[R(K)-R(K-1)]

其中K为采样序号，R(K)为采样时刻K输入的偏差值，R(K)和R(K-1)分别为第K次采样时刻输入的偏差值与第K-1次采样时刻输入的偏差值，K₁为比例系数，K₂为微分系数，K₁和K₂是控制器通过模糊推理并逆模糊化得到的值，对比例微分控制器进行在线自整定而得，利用偏差的比例和微分环节计算出输出量U₁(K)，利用U₁(K)电压控制制冷温度值，使反应霜层厚度的反射光逼近控制目标值。这种控制模式一直保持到R(K)大于模式转换阈值W₁×Ro，一旦R(K)小于模式转换阈值W₁×Ro时，系统则进入比例积分PI控制模式。

R(K)小于模式转换阈值W₁×Ro时，系统则进入比例积分PI控制模式，此时已经是初略露点的阈值了，表示已经接近平衡状态，此时控制器转变为比例积分控制方式，然后根据比例积分控制，控制器输出U₂(K)，使反射光的光能量ΔRx达到控制目标值(＜W₂×Ro)；控制光能量的变化率在允许范围内(＜0.01％)；这时的温度值就是露点；

所述的比例积分PI控制算法如下：

其中Kp、Ki为PI控制器的比例系数和积分系数，取工作经验值，该值一经设置，在系统的控制过程中就不会变化。