【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及过程控制的自动化
，特别涉及一种基于改进型最小拍算法的电加热炉温度控制器设计方法。
技术介绍
在自动化控制
中，过程控制系统是一类将表征生产过程的参量作为被控对象并使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统，而表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等，通过对这些过程参量的控制，可降低生产能耗，增大产品产量，提高生产质量。一般的过程控制系统通常采用反馈控制的形式，这是过程控制的主要方式，加热炉的温度控制就是过程控制的一个典型例子：通过温度传感器获取到加热炉实际温度以后，将实际温度与设定温度的偏差作为控制器的输入，通过控制器作用以后，将控制器的输出作为控制量传送给加热炉中的执行机构，通过执行机构的动作来对加热炉的实际温度进行控制。随着信息化时代工业的蓬勃发展，对温度这一类被控对象的控制策略也在不断发展，由传统控制到现代控制，由初级控制策略到高级复杂算法，例如经典PID控制，因其设计简单，计算量小等优点而被广泛使用，直接数字控制，模糊控制，专家控制，预测控制以及鲁棒控制等因其良好的控制效果而备受关注，但是越是高级精确的算法，越是需要依赖被控对象的精确模型，这给系统的建模带来一定的困难。最小拍算法控制器是在系统离散化以后的基础上采用Z变换方法进行设计的，当合理选择采样周期，将系统离散化以后，最小拍控制器便可使系统在典型的输入作用下，经过有限个采样周期后结束过渡过程，进入到稳定状态。最小拍算法控制实质上是时间最优控制，它可以让系统的动态调节时间尽可能地短，使系统快速进入稳定状态并保持。但由于传统的最小拍控制算法对系统参...
【技术保护点】
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。
【技术特征摘要】
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： G ( z ) = K 1 z - N 0 - 1 1 - e - T 1 / τ 1 1 - e - T 1 / τ 1 z - 1 ; ]]>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： Y ( z ) = Σ i = 1 m Δ y ‾ z - N 0 - i 1 - z - 1 + ( 1 - m Δ y ‾ ) z - N 0 - m - 1 1 - z - 1 ; ]]>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： W ( z ) = Σ i = 1 m Δ y ‾ z - N 0 - i + ( 1 - m Δ y ‾ ) z - N 0 - m - 1 . ]]>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： D ( z ) = c ( 1 - az - 1 ) [ Σ i = 1 m Δ y ‾ z - i + 1 + bz - m ] 1 - Σ i = 1 m Δ y ‾ z - N 0 - i - bz - N 0 - m - 1 ; ]]>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： Δy max ′ = f 1 × e × Δy m a x ; 0 < e ≤ e 1 f 2 × e × Δy m a x ; e 1 < e < e 2 . . . . . . f n × e × Δy m a x ; e ≥ e n - 1 ; ]]>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到第(m-10)～(m-5)拍的时候，给加热炉温度控制器添加一个衰减因子λ，使系统的最大上升速度呈指数衰减趋势，最终趋近于0，加热炉温度控制系统达到稳定状态，带衰减因子的最小拍控制器D(z)′表达式为： D ( z ) ′ = c ( 1 - az - 1 ) [ Σ i = 1 m Δ y ‾ λ i z - i + 1 + bz - m ] 1 - Σ i = 1 m Δ y ‾ λ i z - N 0 - i - bz - N 0 - m - 1 ; ]]>其中，λi表示衰减因子的指数形式，i＝1,2,3…m。4)根据D(z)′，利用Z反变换，得到加热炉温度控制系统前(m-10)～(m-5)拍不包含衰减因子的t时刻的控制量u(t)表达式为： u ( t ) = Δ y ‾ Σ i = 1 m u ( t - N 0 - i ) + b u ( t - N 0 - m - 1 ) + c [ ...
【专利技术属性】
技术研发人员：彭辉，聂仕媛，田晓盈，罗旭光，程琢，张天，曾灿，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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