一种超大空间温度场PID控制器参数整定方法技术

一种超大空间温度场PID控制器参数整定方法，包括：1)确定超大空间温度场控制系统模型：求取超大空间温度场、换热器、电动调节阀及温度传感器的传递函数；2)搭建控制系统Simulink仿真模型：基于步骤1)求取的传递函数，在MATLAB的Simulink工具箱中，设计PID控制器模型，设置采样周期，搭建超大空间温度场的PID闭环控制系统仿真模型；3)PID参数整定。本发明专利技术可减少经验凑试法获取PID参数整定值的时间，提高参数整定值的准确性，简单可靠。

【技术实现步骤摘要】
一种超大空间温度场PID控制器参数整定方法
本专利技术属于飞机强度仿真技术，涉及一种超大空间温度场PID控制器参数整定方法。
技术介绍
在人工气候环境实验室、高低温试验箱等采用空调系统调节空气温度的温度场中，常采用PID控制器来调节温度，PID控制器效果的好坏与控制器参数的整定有着密切的联系。PID参数整定的目的就是通过整定得到最佳的比例系数KP、积分系数KI和微分系数KD，在满足系统稳定性的前提下，保证控制系统的性能指标最佳。目前，理论整定法(如对数频率特性法、根轨迹法等)均需获取被控对象的动态特性，计算复杂且工作量大，难以在工程实践中采用，所以这类过程控制系统常采用经验凑试法整定PID参数。经验凑试法是根据经验将控制器的参数设置在某些数值上，然后直接在闭合的控制系统中通过改变给定值和施加扰动信号，观测系统的输出响应曲线，根据PID各参数对控制系统的影响规律，通过凑试来调整相应的参数，直到获得满意的动、静态特性为止。虽然这种方法操作简单，但需要丰富的工程经验，需要反复调整才能获得满意的效果。由于超大空间温度场是一个大惯性、大滞后的被控对象，经验凑试法耗费时间，很难获得最佳的PID参数整定值，无法保证控制系统的品质。针对该需求设计一种超大空间温度场PID控制器参数整定方法，简单实用，以获得最佳的PID参数整定值。
技术实现思路
本专利技术的目的是：提供一种超大空间温度场PID控制器参数的整定方法，减少经验凑试法获取PID参数整定值的时间，无需丰富的工程经验，提高参数整定值的准确性，简单可靠，以获得PID控制器的最佳参数整定值。本专利技术的技术方案是：一种超大空间温度场PID控制器参数整定方法，其步骤为：1)确定超大空间温度场控制系统模型：求取超大空间温度场、换热器、电动调节阀及温度传感器的传递函数：a)超大空间温度场传递函数有纯滞后的超大空间温度场传递函数为式(1)中的参数滞后时间τ1、时间常数T、放大系数K按以下方法计算：其中N为温度场每小时的换气次数。(2)T＝10τ1(3)其中a、b、h为温度场的长宽高。(4)将超大空间温度场的参数代入式(1)、(2)、(3)、(4)，即求出温度场传递函数。b)换热器传递函数对于采用调节换热器入口盐水流量来控制出口空气温度的空调系统，换热器的传递函数为式(5)中K1、τ2、τ3按以下方法计算：其中，K'、F分别为换热器的传热系数和传热面积，G1、G2为换热器两侧流体的质量流量，c1、c2是换热器两侧流体的比热，T1i、T2i是盐水进入换热器和流出换热器的温度，W1、W2为换热器两侧流体的蓄存量。将换热器的设计参数代入式(5)、(6)、(7)、(8)，即求出换热器传递函数。c)电动调节阀传递函数调节换热器入口盐水流量的电动调节阀的传递函数为：式(9)中Δ(Q/Qmax)表示阀可调节的最大相对水流量变化值(％)，ΔV表示阀的输入信号变化范围。将电动调节阀的参数代入式(9)，即求出电动调节阀传递函数。d)温度传感器传递函数温度传感器的传递函数为：T1为时间常数。2)搭建控制系统Simulink仿真模型：基于步骤1)求取的传递函数，在MATLAB的Simulink工具箱中，设计PID控制器模型，设置采样周期，搭建超大空间温度场的PID闭环控制系统仿真模型；3)PID参数整定：依据临界比例度法，在步骤2)搭建的仿真模型中，将PID控制器的积分系数和微分系数设置为零，使控制系统只有比例环节，逐渐增大比例系数，直到系统响应为等幅振荡，记录此时的比例系数K'p和临界周期Tk，根据临界比例度法经验公式计算出PID控制器参数整定值。临界比例度法经验公式见表1。表1进一步的，还可以如下步骤：4)PID参数微调：若按步骤3)求得的控制器参数不能获得满意的动静态特性，可将计算值做进一步调整，如控制系统的超调量或最大偏差较大时，可将比例系数调整为计算值的2/3左右，再由小到大分别对积分系数和微分系数进行整定，直到获得满意的过渡过程为止。与现有技术相比，本专利技术超大空间温度场PID控制器参数整定方法具有以下优点：采用Simulink仿真工具与临界比例度法相结合的方法获取控制器参数整定值，可获取最佳的PID控制器参数，提高超大空间温度场的控制品质；给出超大空间温度场控制系统传递函数的计算方法，解决了搭建Simulink仿真模型需明确数学模型的问题；避免了大惯性超大空间温度场采用经验凑试法整定PID参数的盲目性，简单省时，易于掌握；减少了超大空间温度场控制系统动态响应的调节时间，避免了过渡过程中的频繁振荡，间接的节省了空调系统的能耗。附图说明图1本专利技术超大空间温度场控制系统Simulink仿真模型。其中，1-阶跃信号、2-比例系数、3-积分系数、4-微分系数、5-增量式数字PID控制器、6-零阶保持器、7-电动调节阀传递函数、8-换热器入口最大盐水流量、9-换热器传递函数、10-温度场传递函数、11-温度传感器传递函数、12-热扰动、13-波形显示模块。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做进一步说明。本专利技术一种超大空间温度场PID控制器参数整定方法，其步骤为：1)确定超大空间温度场控制系统模型：求取超大空间温度场、换热器、电动调节阀及温度传感器的传递函数：a)超大空间温度场传递函数有纯滞后的超大空间温度场传递函数为式(1)中的参数滞后时间τ1、时间常数T、放大系数K按以下方法计算：其中N为温度场每小时的换气次数。(2)T＝10τ1(3)其中a、b、h为温度场的长宽高。(4)将超大空间温度场的相关参数代入式(1)、(2)、(3)、(4)，即求出温度场传递函数。b)换热器传递函数对于采用调节换热器入口盐水流量来控制出口空气温度的空调系统，换热器的传递函数为式(5)中K1、τ2、τ3按以下方法计算：其中，K'、F为换热器的传热系数和传热面积，G1、G2为换热器两侧流体的质量流量，c1、c2是换热器两侧流体的比热，T1i、T2i是盐水进入换热器和流出换热器的温度，W1、W2为换热器两侧流体的蓄存量。将换热器的设计参数代入式(5)、(6)、(7)、(8)，即求出换热器传递函数。c)电动调节阀传递函数调节换热器入口盐水流量的电动调节阀的传递函数为：式(9)中Δ(Q/Qmax)表示阀可调节的最大相对水流量变化值(％)，ΔV表示阀的输入信号变化范围。将电动调节阀的参数代入式(9)，即求出电动调节阀传递函数。d)温度传感器传递函数温度传感器的传递函数为：对于铂电阻，时间常数T1可取5。2)搭建控制系统Simulink仿真模型：基于步骤1)求取的传递函数，在MATLAB的Simulink工具箱中，设计PID控制器模型，设置采样周期，搭建超大空间温度场的PID闭环控制系统仿真模型；3)PID参数整定：依据临界比例度法，在步骤2)搭建的仿真模型中，将PID控制器的积分系数和微分系数设置为零，使控制系统只有比例环节，逐渐增大比例系数，直到系统响应为等幅振荡，记录此时的比例系数K'p和临界周期Tk，根据临界比例度法经验公式(见表1)计算出PID控制器参数整定值。表1临界比例度法PID参数整定公式4)PID参数微调：若按步骤3)求得的控制器参数不能获得满意的动静态特性，可将计算值做进一步调整，如控制系统的超调量或最大本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超大空间温度场PID控制器参数整定方法，其特征为所述步骤包括：1)确定超大空间温度场控制系统模型：求取超大空间温度场、换热器、电动调节阀及温度传感器的传递函数：a)超大空间温度场传递函数有纯滞后的超大空间温度场传递函数为

【技术特征摘要】
1.一种超大空间温度场PID控制器参数整定方法，其特征为所述步骤包括：1)确定超大空间温度场控制系统模型：求取超大空间温度场、换热器、电动调节阀及温度传感器的传递函数：a)超大空间温度场传递函数有纯滞后的超大空间温度场传递函数为式(1)中的参数滞后时间τ1、时间常数T、放大系数K按以下方法计算：其中N为温度场每小时的换气次数；(2)T＝10τ1(3)其中a、b、h为温度场的长宽高；(4)将超大空间温度场的参数代入式(1)、(2)、(3)、(4)，即求出温度场传递函数；b)换热器传递函数对于采用调节换热器入口盐水流量来控制出口空气温度的空调系统，换热器的传递函数为式(5)中K1、τ2、τ3按以下方法计算：其中，K'、F分别为换热器的传热系数和传热面积，G1、G2为换热器两侧流体的质量流量，c1、c2是换热器两侧流体的比热，T1i、T2i是盐水进入换热器和流出换热器的温度，W1、W2为换热器两侧流体的蓄存量；将换热器的设计参数代入式(5)、(6)、(7)、(8)，即求出换热器传递函数；c)电动调节阀传递函数调节换热器...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴相甫，李冬梅，吴敬涛，
申请(专利权)人：中国飞机强度研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61