一种一阶纯时延炉温系统控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一阶纯时延炉温系统控制方法，所述控制方法包括：S1：一阶纯时延模型参数设定及推导；S2：系统结构设计；S3：控制器设计；S4：对比仿真结果，得出结论。本发明专利技术所述设计的控制器结构，具有较好的跟踪输入信号和有效的抑制扰动信号的特征，可用于一阶纯时延炉温系统的控制。

【技术实现步骤摘要】
一种一阶纯时延炉温系统控制方法
本专利技术涉及一种一阶纯时延炉温系统控制方法，属于工业时延控制系统

技术介绍
通常情况下，在工业生产过程控制系统中，普遍存在着时延现象，时延的存在使被控量不能及时反映系统所承受的扰动，将导致系统动态误差增大，稳定裕度减小，甚至引起系统振荡。因此，时延系统的控制方法一直是控制理论和控制工程中研究的一个热点问题，许多学者针对时延系统提出了多种控制器的设计方法。目前，对时延系统的研究主要以传统的Smith预估控制器为基础，进行以下几类的研究：一类是对Smith预估控制器进行结构优化；一类是对Smith预估控制器结合PID参数整定方法；还有一类主要是将Smith预估控制器与模糊控制、神经网络等先进的控制方法相结合。
技术实现思路
本专利技术是针对现有技术存在的不足，提供一种一阶纯时延炉温系统控制方法，解决了
技术介绍
存在的技术问题，满足实际使用要求。为解决上述问题，本专利技术所采取的技术方案如下：一种一阶纯时延炉温系统控制方法，所述控制方法包括：S1：一阶纯时延模型参数设定及推导在工业控制领域，尤其是在金属材料加工、流体控制中，加热炉的炉温直接影响加工材料质量的好坏以及能源的利用效率，加热炉是一个具有纯时延和时间常数的温度，以加热炉为控制对象，其包括：u—电热丝两端电压；T1—加热后炉内温度；Qi—单位时间内电热丝产生的热量；电热丝质量为M，比热为C，传热面积为A，未加温前炉内温度为T0，加温后的炉温为T1，则根据热力学原理，即有Qi与u的平方成比例，即Qi与u为非线性关系，将其在平衡点(Q0,u0)进行线性化，得Ku＝ΔQi/Δu，则加热炉的增量方程为：式中：ΔT＝T1-T0，T＝MC/HA，K＝Ku/HA由式(2)可得传递函数但实际加热炉系统在响应时具有一定热惯性，使系统存在时延τ，故加热炉炉温可以用一阶纯时延模型表示为：S2：系统结构设计其包括：Xr(s)为系统输入量、Xc(s)为系统输出量、G(s)为被控对象模型、Gf(s)为反馈通道控制器、D(s)为前馈通道控制器、Xd1(s)为系统输入扰动及Xd2(s)为系统输出扰动；则有：系统在输入量Xr(s)作用下的闭环传递函数为：系统在输入扰动Xd1(s)作用下的闭环传递函数为：系统在输出扰动Xd2(s)作用下的闭环传递函数为：S3：控制器设计：包括：前向通道控制器D(s)设计和反馈通道控制器Gf(s)设计这里，β为可调参数，当β＜1时，根据e指数函数的泰勒级数展开式则前向通道控制器D(s)可以写为：引理：考虑S2中所述的系统结构，使kp＝α(τ+β)0≤α＜1(11)使：为保证闭环系统的稳定性，增益kd可以设为：这里，表示系统的相位裕度，且0≤α＜1，β为可调参数，可以证明当选择α＝0.4，时闭环稳定性和鲁棒性均可满足；这样，增益kd可以简化为：当给系统外加阶跃输入时，系统的响应：在阶跃输入扰动作用下的响应：在阶跃输出扰动作用下的响应：表明，系统具有良好的阶跃跟踪和阶跃扰动作用；S4：对比仿真结果，得出结论。本专利技术与现有技术相比较，本专利技术的实施效果如下：本专利技术所述设计的控制器结构，具有较好的跟踪输入信号和有效的抑制扰动信号的特征，可用于一阶纯时延炉温系统的控制。附图说明图1为本专利技术实施例加热炉结构示意图；图2为本专利技术所述实施例控制系统结构示意图；图3为本专利技术控制方法和传统Smith控制方法仿真结果坐标示意图；图4为本专利技术控制系统存在扰动时的时间响应坐标示意图。具体实施方式下面将结合具体的实施例来说明本专利技术的内容。一、问题描述(一阶纯时延模型参数设定及推导)在工业控制领域，尤其是在金属材料加工、流体控制中，加热炉的炉温直接影响加工材料质量的好坏以及能源的利用效率，加热炉是一个具有纯时延和时间常数的温度，加热炉为控制对象，结构示意图如图1所示：图中，u—电热丝两端电压；T1—加热后炉内温度；Qi—单位时间内电热丝产生的热量；如果电热丝质量为M，比热为C，传热面积为A，未加温前炉内温度为T0，加温后的炉温为T1，则根据热力学原理，即有Qi与u的平方成比例，即Qi与u为非线性关系，将其在平衡点(Q0,u0)进行线性化，得Ku＝ΔQi/Δu，则加热炉的增量方程为式中，ΔT＝T1-T0，T＝MC/HA，K＝Ku/HA由式(2)可得传递函数但实际加热炉系统在响应时具有一定热惯性，使系统存在时延τ，故加热炉炉温可以用一阶纯时延模型表示为：二、系统结构设计本专利技术设计的典型控制系统结构如图2所示：其中，Xr(s)为系统输入量，Xc(s)为系统输出量，G(s)为被控对象模型，Gf(s)为反馈通道控制器，D(s)为前馈通道控制器，Xd1(s)为系统输入扰动，Xd2(s)为系统输出扰动；则有，系统在输入量Xr(s)作用下的闭环传递函数为：系统在输入扰动Xd1(s)作用下的闭环传递函数为：系统在输出扰动Xd2(s)作用下的闭环传递函数为：三、控制器设计针对一阶纯时延炉温系统，在图2结构中，前向通道控制器D(s)和反馈通道控制器Gf(s)可以分别设计为：这里，β为可调参数，当β＜1时，根据e指数函数的泰勒级数展开式则前向通道控制器D(s)可以写为：引理：考虑如图2所示的系统结构，使kp＝α(τ+β)0≤α＜1(11)使：为保证闭环系统的稳定性，增益kd可以设为：这里，表示系统的相位裕度，且0≤α＜1，β为可调参数，可以证明当选择α＝0.4，时闭环稳定性和鲁棒性均可满足。这样，增益kd可以简化为：当给系统外加阶跃输入时，系统的响应：在阶跃输入扰动作用下的响应在阶跃输出扰动作用下的响应这表明，系统具有良好的阶跃跟踪和阶跃扰动作用。四、仿真结果考虑某加热炉炉温一阶纯时延模型表示为：假定给定的炉温为50℃，用传统的Smith控制方法和本专利技术控制方法进行控制，仿真结果如图3所示。其中，curve1为β＝0.1时，本专利技术控制方法仿真结果；curve2为β＝0.4时，本专利技术控制方法仿真结果；curve3为β＝1时，本专利技术控制方法仿真结果。从图3中可以看出，本专利技术所述的方法中，尽管随着可调参数β值的增大，系统响应时间加长，但其时间响应特性优于传统Smith控制方法。此外，在图3时间响应的基础上，分别在系统响应时间为10秒和25秒时，加入扰动，系统响应结果如图4所示；从图4可以看出，在扰动信号的作用下和传统的Smith控制方法相比，本专利技术的控制方法仍然具有较好的时间响应特性，可以有效抑制干扰作用。以上内容是结合具体的实施例对本专利技术所作的详细说明，不能认定本专利技术具体实施仅限于这些说明。对于本专利技术所属
的技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本专利技术保护的范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种一阶纯时延炉温系统控制方法，其特征在于：控制方法包括：S1：一阶纯时延模型参数设定及推导在工业控制领域，尤其是在金属材料加工、流体控制中，加热炉的炉温直接影响加工材料质量的好坏以及能源的利用效率，加热炉是一个具有纯时延和时间常数的温度，以加热炉为控制对象，其包括：u—电热丝两端电压；T1—加热后炉内温度；Qi—单位时间内电热丝产生的热量；电热丝质量为M，比热为C，传热面积为A，未加温前炉内温度为T0，加温后的炉温为T1，则根据热力学原理，即有

【技术特征摘要】
1.一种一阶纯时延炉温系统控制方法，其特征在于：控制方法包括：S1：一阶纯时延模型参数设定及推导在工业控制领域，尤其是在金属材料加工、流体控制中，加热炉的炉温直接影响加工材料质量的好坏以及能源的利用效率，加热炉是一个具有纯时延和时间常数的温度，以加热炉为控制对象，其包括：u—电热丝两端电压；T1—加热后炉内温度；Qi—单位时间内电热丝产生的热量；电热丝质量为M，比热为C，传热面积为A，未加温前炉内温度为T0，加温后的炉温为T1，则根据热力学原理，即有Qi与u的平方成比例，即Qi与u为非线性关系，将其在平衡点(Q0,u0)进行线性化，得Ku＝ΔQi/Δu，则加热炉的增量方程为：式中：ΔT＝T1-T0，T＝MC/HA，K＝Ku/HA由式(2)可得传递函数但实际加热炉系统在响应时具有一定热惯性，使系统存在时延τ，故加热炉炉温可以用一阶纯时延模型表示为：S2：系统结构设计其包括：Xr(s)为系统输入量、Xc(s)为系统输出量、G(s)为被控对象模型、...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛海燕，陆清茹，黄卉，
申请(专利权)人：东南大学成贤学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32