１９９８中国控制与决差学术年会论文集水的沸点自动控制盛建伦（宁夏工学院电气工程系・银ＪＩＩ．７５００２１）擒蔓对束在加热时的温升特性的实验研究的基础上，利用底层水的温升特性的非线性．提出一种对木的沸点白动控制的新策略．按此策略设计的控制系统可在相当竟的范围内自动适应沸点的变化，具有良好的鲁棒性以及简单、易实现和低成本等优点．关键词鲁棒控制．沸点控制．永的温升特性１引言水的沸点自动控制问题，似乎是一个简单的温度给定点控制问题：只要用温度传感器测量水的温度，当其达到给定的沸点时驱动某种执行机构。停止加热即可。但实际上，水的沸点并非一个常数，而是大气压力的函数Ｔ，一１００．００－ｔ－０．０３７６（Ｐ一７６０）一０．００００２３（Ｐ一７６０）。式中，丁ｊ是水的拂点（℃）；Ｐ是大气压力（ｍｍＨｇ）。影响大气压力变化的因素有多种。大气压力随海拔高度的升高而减少．水的沸点也相应降低．大气压力还受气象因素的影响，除昼夜和四季的有规律的小幅度变化外，有许多天气过程都会使大气压力发生较大幅度的改变．这就是说．大气压力是随时间而变化的．此外，若水中含盐和矿物质多时，沸点也会升高．如，海水的沸点约为１０３．７℃．由于这些扰动的存在，简单地把温度测控装置用于水的沸点控制就会不可避免地出现失控现象。２水的沮升特性为了找出性能良好的控制方法，笔者对水在加热时的温升特性进行了实验研究．实验装置妇图ｌ所示。管状电热元件安装于加热容器之内，完全浸没于水中，其高度不超过水深的１／２并与容器底有一些距离。两只水银温度计沿褰器边垂直插入水中，分别测量上层和底层的水温。实测结果表明，在加热过程中，水的温度并不是随时间线性增长的，且上层和底层的水的温升特性明显不同．上层的水温在开始通电加热后即迅速上升，其温度上升率在大部分时间里约４～６℃／ｒａｉｎ。而底层的水温在开始加热后上升的非常缓慢，最初的温度上升率在１℃／２４３水银温度计瞳１鼍升特性实验装置ｍｉｎ以下，数分钟后以约２Ｃ／ｍｉｎ的速度上升。这样，上层和底层的水之间很快就形成１０～６０‘Ｃ的温差。当上层的水温升至距沸点约５ｃ时，其温度上升率降到２＂Ｃ／ｒａｉｎ以下，以十分缓慢的速度上升．而此时，底层的水温则以６～３５＂ＣＩｍｉｎ的速度快速上升至接近沸点（图中ＡＢ段）。在沸腾前的最后Ｉ～２ｒｎｉｎ内，上层和底层的水的温差小于１＇Ｃ。上层和底层的水的温升曲线合成一个类似滞环的图形（图２，测试地点海拔低于１００米）。１∞∞∞７０∞芝∞ｈ柏∞２０１０Ｏ’’“搴霉兽粤斜’’卜拿０等０甜ｆ／Ⅱ‘１ｎｔｌｍｌｎ田２嬲试地点低于海拔１０＠米的沮升曲线田３涮试地点在海拔１１＠米的沮升曲线为了观察沸点变化对温升曲线的影响，先后在海拔１５００米以下的若干地点进行了测试．图３所示是用同一套装置在海拔约１１００米处（沸点为９６．５＂Ｃ）获得的温升曲线。结果表明，沸点变化对温升曲线的形状，即温升特性无明显影响。实验发现，可影响温升曲线的因素有：被加热的水的质量与加热元件的功率之比，加热元件的安装高度，加热元件的形状与尺寸，加热容器的形状，加热元件的个数与安装方式，承的沸点．初始水温等，但一些参数可在相当宽的范围内变化而保持上述温升规律不变。当使用相同的装置、在同一地点．但水的质量较少时的测量结果，与用另一套装置（加热元件的功率、形状和尺寸，被加热的水的质量等参数都不同）在海拔约１１００米处测量的结果均显示出温升特性是相同的。进行试验的几个地点的海拔高度在５０～１５００米间，相应的沸点变化范围为９５．５～１００℃．虽然，未能对更大范围的沸点变化进行测试，但可以推断，同一套装置在沸点为８８～１０１℃范围内变化时的温升特性是相同的，且从温度达到Ｂ点到沸腾所需的时间几乎不受沸点变化的影响．３控镪策略根据水的温升特性的非线性，特别是底层水的温升特性在加热后期变化急剧，ＡＢ段时间很短而温度上升率大，以及从温度达到Ｂ点到沸腾所需的时间几乎不受沸点变化的影响等特点，笔者提出一种用于水的沸点Ｉｔｌ动控制的策略：１）温度传感器应安装于尽可能靠近容器底部的位置，其水平高度必须低于加热元件的位２４４置，以反映底层水温的变化。２）控制系统的给定点选在底层水的温度上升率最大的一段中，即图２中的Ｃ点，约在８０～８５Ｃ间。在沸点为８８～１００Ｃ范围内，从Ｃ点到水沸腾所需的最大时间为丁。。ｒ。需要通过实验确定。３）当温度达到给定点后．启动延时电路，延迟Ｔ。（丁，＝ａＴ。，ｎ＞１）时间后驱动执行机构停止加热或打开电磁阀。系数ｎ是根据实验数据、可靠性以及用户要求等因素选取的。４）在无故障情况下，满足温度达到给定点且延迟时间丁，到的条件，执行机构动作一定是在水沸腾之后．但是＋如果在７１，期间发生掉电等故障，则执行机构动作时很可能水尚未沸腾。因此，控制系统必须具有故障检测功能，监测加热元件失效和电源掉电等故障。上述控制策略把控制点前移到底层水的温度上升率最大的一段中不随沸点变化的Ｃ点，避开了易受扰动影响而改变的实际沸点。其后的一段延时由于有温度测量和故障监测电路的共同作用，系统仍然是闭环控制的，按照此策略设计控制系统，可以保证当沸点从８８～１０１℃间变化时，不会发生失控。系统可在相当宽的范围内自动适应沸点变化，具有良好的鲁棒性。此控制策略已经分别在数字电路和单片机控制的系统上得到验征。４结语影响水的沸点的最主要因素是大气压力受海拔高度或天气变化的影响而改变．采用简单的温度给定点控制的各种电热沸水装置，由于不能自动适应沸点变化丽易发生失控，用户往往被迫将控制给定点设置在略低于当地正常沸点处，以保护其沸水装置。因而，在大部分时间里得裂的并非沸水。要使自动控制系统能自动适应大气压力的变化，传统的方法是在系统中增加一个检测大气压力的部分，用压力的变化量来调整控制点。这不仅需要使用价格昂贵的压力传感器，而且要求控制系统有较高的精度，无论是用模拟电路，数字电路或微机控制实现都是如此．然而，本文所提出的鲁棒控制策略，对于控制电路的精度要求则相对较低。因为，底层水温通过ＡＢ段的时间很短，ｃ点本身不是一个精确的点，延迟时间丁。也不需精确设定。因而对电路群元件精度的要求都不高，实现较容易，又不需昂贵的压力传感器，系统总成本自然就低得多。２４５水的沸点自动控制
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盛建伦
工学院电气工程系
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