一种用于温度控制的PID参数自整定算法制造技术

本发明专利技术旨在提供一种能够有效避免出现较大超调、保证温度的稳定性以及整定速度快的用于温度控制的PID参数自整定算法。本发明专利技术通过在设备启动温度控制时执行自整定，通过记录全功率调节温度时达到温度限值以及目标温度的时间，并在到达目标温度后根据激励函数执行输出可变激励至控温模块使受控环境内温度逐步变化，随后收集到达目标温度后受控环境的实际温度极限值和回到温度限值的时间，根据实际温度的极限值、最大激励、温度限值、t0、t1、t2以及控制器的控制周期TC，结合Ziegler

【技术实现步骤摘要】
一种用于温度控制的PID参数自整定算法


[0001]本专利技术应用于PID控制的
,特别涉及一种用于温度控制的PID参数自整定算法。

技术介绍

[0002]对于对环境温度较为敏感的产品或场所，为了保证产品或场所中的物品不会因温度的改变而发生形态或变质等情况，需要对场所温度进行严格控制，如谷仓、大棚等对温度控制要求严格的场所，也如注塑设备中的原料融化保温的结构。现在的温度控制设备大多采用基本都采用PID控制器进行温度的自动调节，以保证场所温度相对恒定。
[0003]现有的温度PID控制的各项参数获取主要有阶跃开环自整定方法、阶跃闭环自整定方法、继电自整定方法以及继电反馈自整定方法。
[0004]其中，阶跃开环自整定方法为向输入应用阶跃并等待，直至达到稳态（过程变量保持不变），该方法假定用户可将任何过程建模为一阶滞后和纯死区时间，阶跃开环自整定方法测试控制器的死区时间Td、时间常量T和过程增益K值，并根据启发式方法的公式对其进行相乘；例如，大部分PID使用Ziegler
‑
Nichols方法。阶跃闭环自整定方法与阶跃开环方法相近，要比阶跃开环方法更快达到稳态。如图1所示，继电自整定方法为使用设定值继电实验确定对控制器进行整定所需的信息。继电反馈自整定方法是闭环阶跃测试的变体，但对大型时间常量的系统更为有效。
[0005]上述方法中开环和继电器算法会出现较大超调，在高温控制场合可能造成危险。同时，开环、继电器算法在整定中会突然取消激励(或者施加反向最大激励)，使得系统突变带来噪声。另外，继电器算法整定时间长，至少需要两个周期才能稳定。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种能够有效避免出现较大超调、保证温度的稳定性以及整定速度快的用于温度控制的PID参数自整定算法。
[0007]本专利技术所采用的技术方案是：本专利技术包括以下步骤：步骤S1.设定目标温度T和温度阈值T
thr
；步骤S2.执行自整定；步骤S3.自整定初始阶段时初始化时间t为0，设备输出最大激励E
Max
至控温模块，进而控制受控环境内实际温度A向目标温度T变化；步骤S4.当实际温度A达到温度阈值T
thr
时，将当前时间记录为时刻t0；步骤S5.当实际温度A达到目标温度T时，将当前时间记录为时刻t1；步骤S6.设备根据激励函数执行输出可变激励E至控温模块使受控环境内温度变化，并收集时刻t1后实际温度A的极值T
ext
；所述激励函数为，其中t为当前时刻；
步骤S7.当实际温度A变回至时刻t0的温度阈值T
thr
时，将当前时间记录为时刻t2；步骤S8.根据实际温度的极值T
ext
、最大激励E
Max
、温度阈值T
thr
、t0、t1、t2以及控制周期TC，结合Ziegler
‑
Nichols方法，计算出PID控制参数。
[0008]由上述方案可见，通过采用步骤S6中记载的函数作为激励函数，能够及时调整控温模块的激励信号，进而有效抑制在执行自整定过程中温度出现较大超调，导致的实际温度超过设定的上限或下限，保证受控场景中的物品或原料等不会损伤或变质。同时，采用该激励函数可在一个控制周期内完成参数整定，进而保证温度在整定过程中相对恒定，保证温度控制效果。另外，还能够实现在整定过程中无突变，利于过滤采集实际温度时的扰动。
[0009]一个优选方案是，所述温度阈值T
thr
包括温度上限T
Max
以及温度下限T
min
；当受控环境的需求为升温时，步骤S4中的所述温度阈值T
thr
为温度下限T
min
；当受控环境的需求为降温时，步骤S4中的所述温度阈值T
thr
为温度上限T
Max
。
[0010]一个优选方案是，步骤S8中所述Ziegler
‑
Nichols方法为根据获得的参数计算极限增益KU和振荡周期TU，并根据受控环境的温度变化速度选定比例参数Kc、积分作用参数Ti以及微分作用参数Td的计算系数；其中所述极限增益KU满足，所述振荡周期TU满足。
[0011]一个优选方案是，根据受控场景以及设备硬件参数的所述激励函数的变形式为，其中,
…
为计算系数，根据受控场景以及设备硬件参数确定。
附图说明
[0012]图1是现有的继电自整定方法的工作原理图；图2是本专利技术实施例一的激励信号变化图；图3是本专利技术实施例一的温度变化图。
具体实施方式
[0013]实施例一：在本实施例中温度控制方式为升温控制，受控场景的温度随时间变化而降低，设备包括用于检测受控环境内实时温度A的温度传感器以及用于提高受控环境内温度的加热装置，所述加热装置由PID控制器或P控制器或PI控制器进行加热功率的控制，通过调整输出的激励信号执行加热功率的调节；通过所述PID参数自整定算法进行PID算法参数调整，使执行恒温时温度波动更小。
[0014]如图2和图3所示，所述PID参数自整定算法包括以下步骤：步骤S1.根据受控环境以及环境内物品的物理性质或化学性质确定，需要环境内的温度需求，通过计算机与设备通信进行目标温度T、温度上限T
Max
以及温度下限T
min
的设
定；步骤S2.启动PID控制器自整定；步骤S3.自整定的初始阶段时初始化时间t为0，此时设备输出最大激励E
Max
至控温模块，控温模块全功率对受控环境进行升温，进而使受控环境内实际温度A逐渐升高；步骤S4.当温度传感器检测到当前时间的实际温度A达到温度下限T
min
时，系统将当前时间记录为时刻t0，并保持全功率升温；步骤S5.当温度传感器检测到当前时间的实际温度A达到目标温度T时，系统将当前时间记录为时刻t1，并停止全功率升温转入变温模式；步骤S6.变温模式中设备根据激励函数执行输出可变激励E至控温模块，使控温模块的功率逐渐降低，期间受控环境内温度会受控温模块的余热影响保持短时间的温度升高随后变为降温，并实时监测时刻t1后实际温度A温度变化并获取变温过程中实时温度的最大值A
Max
；所述激励函数为，其中t为当前时刻；步骤S7.当实际温度A回落至温度下限T
min
时，系统将当前时间记录为时刻t2；步骤S8.根据实际温度的最大值A
Max
、最大激励E
Max
、温度下限T
min
、t0、t1、t2以及PID控制器的控制周期TC，结合Ziegler
‑
Nichols方法，计算出PID控制参数。
[0015]在本实施例中，PID控制器的控制周期TC为所选用的PID控制器的固有参数，根据选用的PID控制器型号对应的参本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于温度控制的PID参数自整定算法，其特征在于，它包括以下步骤：步骤S1.设定目标温度T和温度阈值T
thr
；步骤S2.执行自整定；步骤S3.自整定初始阶段时初始化时间t为0，设备输出最大激励E
Max
至控温模块，进而控制受控环境内实际温度A向目标温度T变化；步骤S4.当实际温度A达到温度阈值T
thr
时，将当前时间记录为时刻t0；步骤S5.当实际温度A达到目标温度T时，将当前时间记录为时刻t1；步骤S6.设备根据激励函数执行输出可变激励E至控温模块使受控环境内温度变化，并收集时刻t1后实际温度A的极值T
ext
；所述激励函数为 ，其中t为当前时刻；步骤S7.当实际温度A变回至时刻t0的温度阈值T
thr
时，将当前时间记录为时刻t2；步骤S8.根据实际温度的极值T
ext
、最大激励E
Max
、温度阈值T
thr
、t0、t1、t2以及控制周期TC，结合Ziegler
‑
Nichols方法，计算出PID控制参数...

【专利技术属性】
技术研发人员：李继磊，孙涛，周玉凯，宋小福，
申请(专利权)人：成都市运泰利自动化设备有限公司，
类型：发明
国别省市：