溫控系統(tǒng)中熱電偶的延時特性分析

文/查鵬

溫度調(diào)節(jié)器在工業(yè)生產(chǎn)中起著非常重要的作用，并且隨著電子技術和控制理論的發(fā)展，對溫度調(diào)節(jié)器的要求也越來越高。基于單片機為核心實現(xiàn)的數(shù)字控制器因成本低、調(diào)試簡單易行等優(yōu)點而得到廣泛應用。本文主要討論在單片機溫度控制系統(tǒng)中采用PD控制理論抑制溫控系統(tǒng)中的延時特性。并且通過實驗驗證PD控制理論的合理性和有效性。

1 溫控系統(tǒng)結(jié)構

溫控系統(tǒng)的控制對象為發(fā)動機渦輪后燃氣溫度。溫度調(diào)節(jié)器（以下簡稱調(diào)節(jié)器）接收來自溫度接受器、狀態(tài)傳感器、發(fā)動機限溫檢查電門的信號，確定限制溫度基準值T限制值；調(diào)節(jié)器同時接受由轉(zhuǎn)接器輸入的經(jīng)過冷端補償處理后的渦輪后燃氣溫度信號T6，調(diào)節(jié)器根據(jù)渦輪后燃氣溫度T6和限制溫度基準值T限制值，采用比例控制規(guī)律，輸出占空比可變的PWM信號，提供給執(zhí)行機構，來改變放油活門的開度，從而達到改變發(fā)動機的供油量，實現(xiàn)限制渦輪后燃氣溫度。如圖1所示。

調(diào)節(jié)器采用的控制規(guī)律公式為：

其中，F(xiàn)為輸出PWM信號的占空比；Kp為比例系數(shù)；T6為熱電偶采集到的發(fā)動機渦輪后的燃氣溫度值；fv為設定的限制溫度基準值。

圖1：溫控系統(tǒng)結(jié)構

2 熱電偶延時特性分析

2.1 開環(huán)狀態(tài)

發(fā)動機未開車時，溫控系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)，通過毫伏供電箱給調(diào)節(jié)器輸入模擬的發(fā)動機渦輪后燃氣溫度信號，在任一限制溫度基準值，調(diào)節(jié)器均能輸出準確、穩(wěn)定的PWM信號，能夠滿足溫控系統(tǒng)靜態(tài)控制規(guī)律要求。

2.2 閉環(huán)狀態(tài)

發(fā)動機開車時，發(fā)動機渦輪后燃起溫度信號連接至調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器輸出的PWM信號作用于燃油執(zhí)行控制機構，溫控系統(tǒng)處于閉環(huán)狀態(tài)。系統(tǒng)結(jié)構如圖2所示。

（1）當檢測到T6<設定的基準電壓值fv時，由公式（1）得，輸出占空比小于50%的脈沖，燃油控制機構加油，發(fā)動機溫度T5升高，T6也隨之升高，但由于熱電偶的延時特性，T6fv；

（2）當檢測到T6>設定的基準電壓值fv時，由公式（1）得，輸出占空比大于50%的脈沖，燃油控制機構切油，發(fā)動機溫度T5下降，T6也隨之下降，但由于熱電偶的延時特性，T6>T5。所以當T5=fv時，此時的T6>fv，調(diào)節(jié)器繼續(xù)輸出占空比大于50%的脈沖，燃油控制機構仍然加油，使得T5

所以，采用比例控制方法，由于熱電偶的延時特性，會導致發(fā)動機渦輪后燃氣溫度T5在設定基準值附近振蕩的現(xiàn)象。

圖2：溫控系統(tǒng)結(jié)構示意圖

3 熱電偶延時特性消除

由以上分析可得，解決比例控制方法的振蕩問題，關鍵在于消除熱電偶的延時。熱電偶的特性屬于一階延時系統(tǒng)，一階延時系統(tǒng)的運動微分方程為：

其中Tr為一階延時系統(tǒng)的時間常數(shù)，即熱電偶的時間常數(shù)（一般為2s左右）。

其中F為輸出占空比，fv為基準溫度，為相鄰兩次采樣值的差值，△t為采樣時間，令式（2）中則可以得到計算輸出脈沖占空比的公式為：

圖3：比例控制方法

圖4：PD控制方法

4 試驗驗證及結(jié)論

在調(diào)節(jié)器渦輪后燃氣溫度模擬信號前端采用RC電路模擬熱電偶的延時特性，比較分別采用比例控制方法與PD控制方法調(diào)節(jié)器的PWM輸出信號的響應特性，如圖3所示。

由圖3和圖4中PWM信號輸出時間的對比可以看出，采用PD控制方法的調(diào)節(jié)器的響應速度快于采用比例控制方法的調(diào)節(jié)器，且控制穩(wěn)定、精準。因此引入微分環(huán)節(jié)后的調(diào)節(jié)器可以很好的抑制由熱電偶導致的延時特性。

5 結(jié)論

引入微分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)器可以抑制溫控系統(tǒng)中熱電偶的延時特性帶來的滯后。本文中只考慮了熱電偶的延時特性，未包含調(diào)節(jié)機構、執(zhí)行機構的延時特性，若能將調(diào)節(jié)機構與執(zhí)行機構的延時計算在內(nèi)，則可以使得調(diào)節(jié)器更精確。