一种电加热炉温度控制方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN105911862A(43)申请公布日2016.08.31(21)申请号201610316929.4(22)申请日2016.05.13(71)申请人中南大学地址410083湖南省长沙市岳麓区麓山南路932号(72)发明人彭辉聂仕媛田晓盈罗旭光程琢张天曾灿(74)专利代理机构长沙正奇专利事务所有限责任公司43113代理人马强王娟(51)Int.Cl.G05B13/04(2006.01)权利要求书3页说明书6页附图1页(54)发明名称一种电加热炉温度控制方法(57)摘要本发明公开了一种电加热炉温度控制方法，以单回路加热炉为被控对象，根据被控对象的强非线性及纯滞后特性，采用分段线性化处理方法进行最小拍算法控制器的设计，使得被控对象在任意有效的起始温度及任意有效的温度跳变值情况下都有唯一对应的最大上升速度，可以有效解决因模型参数与实际对象不完全匹配而造成的控制效果不佳的问题。本发明还采用改进型的带衰减因子的最小拍控制算法，可实现对控制量的柔化，使系统可以快速平稳地由动态过程进入到稳态过程，并能有效降低加热炉温度控制系统的超调量。在上述改进型最小拍算法的基础上还添加了积分环节，可消除系统的稳态误差，最终实现对加热炉温度快速、准确的控制。CN105911862ACN105911862A权利要求书1/3页1.一种电加热炉温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)测试加热炉温度控制系统开环特性，根据开环特性曲线，计算出所需的被控对象参数：加热炉温度控制系统比例系数K1，加热炉温度控制系统惯性时间常数τ1，加热炉温度控制系统纯滞后拍数N0，加热炉温度控制系统最大上升速度Δymax；2)结合1)中所得参数，对加热炉温度控制系统进行系统建模，选取采样周期T1，对加热炉温度控制系统进行离散化，得到加热炉温度控制系统的Z变换模型；3)利用步骤1)与2)所得结果，针对温度的非线性特性，将加热炉温度的最大上升速度Δymax按照温度设定值与实际值偏差的不同，进行分段线性化处理，并添加衰减因子及积分环节，进行改进型最小拍算法的加热炉温度控制器的设计，使加热炉温度能够快速有效精确地达到稳定状态。2.根据权利要求1所述的电加热炉温度控制方法，其特征在于，步骤1)中，被控对象参数的计算过程包括：1)使加热炉处在初始稳定条件下，给定加热炉温度控制系统一个阶跃电压V，选取加热炉温度控制系统采样周期T1，获取加热炉温度控制系统由初始稳定状态到最终稳定状态过程中的所有温度数据，绘制开环特性曲线；2)加热炉温度控制系统比例系数yr表示加热炉温度控制系统最终稳定状态时的温度，y0表示加热炉温度控制系统初始温度状态时的温度；加热炉温度控制系统惯性时间常数τ1对应于温度为yτ的时间，其中yτ＝0.632×(yr-y0)+y0，加热炉温度控制系统纯滞后拍数θ1表示加热炉温度控制系统纯滞后时间；加热炉温度控制系统最大上升速度(y2,t2)与(y1,t1)分别为开环曲线上斜率绝对值最大处的切线上的两个点，其中，t1,t2表示时间，y1,y2表示对应于t1,t2的温度值。3.根据权利要求2所述的电加热炉温度控制方法，其特征在于，步骤2)中，对加热炉温度控制系统进行系统建模的具体过程包括：1)针对加热炉温度的一阶惯性及纯滞后特性，建立系统模型的频域传递函数为根据采样周期T1，对频域传递函数进行离散化，并进行Z变换，得到加热炉温度控制系统在Z域上的模型G(z)为：2)加热炉温度控制系统的输出为实际温度值，将加热炉温度控制系统的输出进行Z变换，得到的温度输出Y(z)的表达式为：其中，ys表示温度设定值，y0表示当前温度值，m表示由当前温度值达到温2CN105911862A权利要求书2/3页度设定值所需的整数拍数，其计算公式为3)根据加热炉温度控制系统的输入与输出关系，得到加热炉温度控制系统在Z域上的期望闭环传递函数W(z)为：4.根据权利要求3所述的电加热炉温度控制方法，其特征在于，步骤3)中，改进型最小拍算法的加热炉温度控制器的设计过程包括：1)根据W(z)与G(z)，得到加热炉温度控制系统的传统最小拍算法控制器D(z)为：其中，2)针对加热炉温度的强非线性特性，在温度设定值ys与当前温度值y0的偏差值e有效范围内，将该偏差值e进行分段，使得在每一段内的温度最大上升速度Δy′max都是该偏差值e的线性化函数，且Δy′max与Δymax正相关：其中，f1,f2…fn表示常数系数，e1,e2…en-1表示偏差值的分段阈值，根据当前的设定温度与实际温度的偏差e，得到一个唯一对应的最大上升速度，代入到1)中所得D(z)的表达式中，得到对应分段的控制器表达式；3)加热炉温度达到设定温度所需拍数为m，在加热炉温度控制系统控制达