一种用于温度场分区控制系统的解耦控制方法及系统的制作方法
一种用于温度场分区控制系统的解耦控制方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于工业过程温度控制领域，设及一种用于温度场分区控制系统的解禪控 制方法及系统。
【背景技术】
[0002] 在化工、冶金、石油等生产过程的物理过程和化学反应中，温度往往是一个很重要 的参数，需要加W控制。可见，温度控制系统是用途很广的一类工业控制系统。温控系统的 控制方法繁多，而温度场分区控制就是其中一种非常有用的控制方法，通常应用在汽车驾 驶室空调温度控制，巧片固化炉的温度控制、热风回流焊机等。
[0003] 由于温度场分区控制系统属于多变量控制系统，各温区之间存在着较强的禪合关 系，给实际的系统设计及控制带来不便。例如；巧片固化炉中往往有若干个加热板，并且相 互之间有影响，对于基板上的某一点而言，它的温度是多个加热板热效应叠加的结果，即， 加热板传热时存在禪合，会使系统的特性发生变化，造成控制器参数设计困难，并且容易造 成温度超调、波动大的问题，从而影响到巧片固化的质量。
[0004] 当前的工业过程中，为了解决温度场分区控制的解禪问题，常用的解禪方法主要 包括前馈补偿解禪法，反馈解禪法，对角矩阵解禪法，单位矩阵解禪法等。但在实际工程中， 往往由于解禪算法太复杂而难W实现较好的解禪，因而，寻求简单、易行、有效的解禪方法 是目前普遍关注的问题。
[0005] 温度场分区控制的解禪问题，影响着实际工业过程的温度控制，是过程控制领域 中的研究难题和热点。
【发明内容】
[0006] 本发明提供了一种用于温度场分区控制系统的解禪控制方法及系统，针对在实际 的温控系统中，各温区之间存在的禪合问题，通过在控制回路中加入扰动观测器消除各温 区之间的禪合关系，并选用PID控制器进行控制，提高系统的响应速度，减少时滞的影响， 最终实现温度场分区控制系统的解禪控制。
[0007] 一种用于温度场分区控制系统的解禪控制方法，W温度场i区的目标温度信号而 和温度场i区的测量信号Ym作为PID控制器Ci的误差信号E1，W温度场i区的测量信号 Ym与温度场i区的数学模型Li的输出信号Y的差值di作为滤波器Fi输入信号，将PID控 制器输出的控制信号Ui和温度场i区数学逆模型输出的补偿信号U叠加作用于温度场i 区，控制温度场i区的输出温度Yf;
[000引同时，将PID控制器输出的控制信号Ui和温度场i区数学逆模型输出的补偿信号 也叠加后得到的信号作为温度场i区数学模型Li的输入信号；
[0009] 所述温度场i区数学逆模型的输入信号为滤波器。的输出信号；
[0010] 其中，所述测量信号Ym为温度传感器测量温度场i区得到的温度测量值；
[0011] 所述温度场i区的传递函数是通过采集温度实验数据辨识得到；
[0012] 所述温度场i区的数学模型是利用先验知识和建模目的确定，所述温度场i区的 数学逆模型通过温度场i区的数学模型反演获得；
[0013] 所述温度场i区数学逆模型输出的补偿信号山由滤波器Fi的输出信号经过温度 场i区数学逆模型获得；
[0014] 所述滤波器。为低通滤波器，其数学模型为
【主权项】
1. 一种用于温度场分区控制系统的解耦控制方法，其特征在于，以温度场i区的目标 温度信号&和温度场i区的测量信号Y bi作为PID控制器C i的误差信号E i，以温度场i区 的测量信号Ybi与温度场i区数学模型L i的输出信号Y ai的差值d i作为滤波器F i输入信号， 将PID控制器输出的控制信号仏和温度场i区数学逆模型输出的补偿信号U &叠加作用于 温度场i区，控制温度场i区的输出温度Yi; 同时，将PID控制器输出的控制信号仏和温度场i区数学逆模型输出的补偿信号U^叠 加后得到的信号作为温度场i区数学模型Li的输入信号； 所述温度场i区数学逆模型的输入信号为滤波器Fi的输出信号； 其中，所述测量信号Ybi为温度传感器测量温度场i区得到的温度测量值； 所述温度场i区的传递函数是通过采集温度实验数据辨识得到； 所述温度场i区的数学模型是利用先验知识和建模目的确定，所述温度场i区的数学 逆模型通过温度场i区的数学模型反演获得； 所述温度场i区数学逆模型输出的补偿信号Ucd*滤波器F ^勺输出信号经过温度场i 区数学逆模型获得； 所述滤波器Fi为低通滤波器，其数学模型为
其中，η为阶数，取值范围为1-2, Tf为设定参数，为0.0 lT p~0.1 Tp之间的正数，T 5为 温度场分区控制系统的过程时间常数； 所述PID控制器Ci的传递函数为
Kp为比例系数，T d为微分时间 常数，Ti为积分时间常数，s为复参数，PID控制参数的采用临界比例度法整定。
2. 根据权利要求1所述的一种用于温度场分区控制系统的解耦控制方法，其特征在 于，所述滤波器Fi的阶数η取值为1。
3. 根据权利要求2所述的一种用于温度场分区控制系统的解耦控制方法，其特征在 于，所述温度场i区的数学模型采用一阶环节表示：，其中，K为稳态增益，T为 时间常数。
4. 一种用于温度场分区控制系统的解耦控制系统，其特征在于，基于权利要求1-3任 一项所述的用于温度场分区控制系统的解耦控制方法，该控制系统包括温度场i区PID控 制器、温度场i区数学模型单元、温度场i区数学逆模型单元及滤波器； 所述温度场i区PID控制器的输出端与温度场i区数学逆模型单元的输出单元均与温 度场i区的控制输入单元相连； 所述温度场i区的控制输出端与所述温度场i区数学模型单元的输出单元均与所述滤 波器的输入单元相连； 所述滤波器的输出单元与所述温度场i区数学逆模型单元的输入单元相连； 所述温度场i区目标温度信号给定单元与温度场i区的测量信号单元均与温度场i区 PID控制器的输入端相连。
【专利摘要】本发明公开了一种用于温度场分区控制系统的解耦控制方法及系统，该方法以温度场i区的目标温度信号Ri和测量信号Ybi作为PID控制器Ci的误差信号Ei，以测量信号Ybi与温度场i区的数学模型输出信号Yai作为滤波器Fi的输入信号di，将PID控制器输出的控制信号Ui和温度场i区数学逆模型输出的补偿信号Uci叠加作用于温度场i区,控制温度场i区的输出温度Yi，即利用温度场i区的数学模型作为扰动观测器，以温度场i区数学模型与真实对象输出的差值作为干扰量di进行补偿，有效地解除了温度场i区和其它温区之间的耦合，从而易于实现PID控制器参数的整定，达到好的温度控制效果；整个控制系统结构简单，操作方便，能够明显提高对温度场区的控制精度。
【IPC分类】G05D23-30
【公开号】CN104865989
【申请号】CN201510134573
【发明人】李涵雄, 谭芳, 沈平
【申请人】中南大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年3月26日
【技术领域】
[0001] 本发明属于工业过程温度控制领域，设及一种用于温度场分区控制系统的解禪控 制方法及系统。
【背景技术】
[0002] 在化工、冶金、石油等生产过程的物理过程和化学反应中，温度往往是一个很重要 的参数，需要加W控制。可见，温度控制系统是用途很广的一类工业控制系统。温控系统的 控制方法繁多，而温度场分区控制就是其中一种非常有用的控制方法，通常应用在汽车驾 驶室空调温度控制，巧片固化炉的温度控制、热风回流焊机等。
[0003] 由于温度场分区控制系统属于多变量控制系统，各温区之间存在着较强的禪合关 系，给实际的系统设计及控制带来不便。例如；巧片固化炉中往往有若干个加热板，并且相 互之间有影响，对于基板上的某一点而言，它的温度是多个加热板热效应叠加的结果，即， 加热板传热时存在禪合，会使系统的特性发生变化，造成控制器参数设计困难，并且容易造 成温度超调、波动大的问题，从而影响到巧片固化的质量。
[0004] 当前的工业过程中，为了解决温度场分区控制的解禪问题，常用的解禪方法主要 包括前馈补偿解禪法，反馈解禪法，对角矩阵解禪法，单位矩阵解禪法等。但在实际工程中， 往往由于解禪算法太复杂而难W实现较好的解禪，因而，寻求简单、易行、有效的解禪方法 是目前普遍关注的问题。
[0005] 温度场分区控制的解禪问题，影响着实际工业过程的温度控制，是过程控制领域 中的研究难题和热点。
【发明内容】
[0006] 本发明提供了一种用于温度场分区控制系统的解禪控制方法及系统，针对在实际 的温控系统中，各温区之间存在的禪合问题，通过在控制回路中加入扰动观测器消除各温 区之间的禪合关系，并选用PID控制器进行控制，提高系统的响应速度，减少时滞的影响， 最终实现温度场分区控制系统的解禪控制。
[0007] 一种用于温度场分区控制系统的解禪控制方法，W温度场i区的目标温度信号而 和温度场i区的测量信号Ym作为PID控制器Ci的误差信号E1，W温度场i区的测量信号 Ym与温度场i区的数学模型Li的输出信号Y的差值di作为滤波器Fi输入信号，将PID控 制器输出的控制信号Ui和温度场i区数学逆模型输出的补偿信号U叠加作用于温度场i 区，控制温度场i区的输出温度Yf;
[000引同时，将PID控制器输出的控制信号Ui和温度场i区数学逆模型输出的补偿信号 也叠加后得到的信号作为温度场i区数学模型Li的输入信号；
[0009] 所述温度场i区数学逆模型的输入信号为滤波器。的输出信号；
[0010] 其中，所述测量信号Ym为温度传感器测量温度场i区得到的温度测量值；
[0011] 所述温度场i区的传递函数是通过采集温度实验数据辨识得到；
[0012] 所述温度场i区的数学模型是利用先验知识和建模目的确定，所述温度场i区的 数学逆模型通过温度场i区的数学模型反演获得；
[0013] 所述温度场i区数学逆模型输出的补偿信号山由滤波器Fi的输出信号经过温度 场i区数学逆模型获得；
[0014] 所述滤波器。为低通滤波器，其数学模型为
【主权项】
1. 一种用于温度场分区控制系统的解耦控制方法，其特征在于，以温度场i区的目标 温度信号&和温度场i区的测量信号Y bi作为PID控制器C i的误差信号E i，以温度场i区 的测量信号Ybi与温度场i区数学模型L i的输出信号Y ai的差值d i作为滤波器F i输入信号， 将PID控制器输出的控制信号仏和温度场i区数学逆模型输出的补偿信号U &叠加作用于 温度场i区，控制温度场i区的输出温度Yi; 同时，将PID控制器输出的控制信号仏和温度场i区数学逆模型输出的补偿信号U^叠 加后得到的信号作为温度场i区数学模型Li的输入信号； 所述温度场i区数学逆模型的输入信号为滤波器Fi的输出信号； 其中，所述测量信号Ybi为温度传感器测量温度场i区得到的温度测量值； 所述温度场i区的传递函数是通过采集温度实验数据辨识得到； 所述温度场i区的数学模型是利用先验知识和建模目的确定，所述温度场i区的数学 逆模型通过温度场i区的数学模型反演获得； 所述温度场i区数学逆模型输出的补偿信号Ucd*滤波器F ^勺输出信号经过温度场i 区数学逆模型获得； 所述滤波器Fi为低通滤波器，其数学模型为
其中，η为阶数，取值范围为1-2, Tf为设定参数，为0.0 lT p~0.1 Tp之间的正数，T 5为 温度场分区控制系统的过程时间常数； 所述PID控制器Ci的传递函数为
Kp为比例系数，T d为微分时间 常数，Ti为积分时间常数，s为复参数，PID控制参数的采用临界比例度法整定。
2. 根据权利要求1所述的一种用于温度场分区控制系统的解耦控制方法，其特征在 于，所述滤波器Fi的阶数η取值为1。
3. 根据权利要求2所述的一种用于温度场分区控制系统的解耦控制方法，其特征在 于，所述温度场i区的数学模型采用一阶环节表示：，其中，K为稳态增益，T为 时间常数。
4. 一种用于温度场分区控制系统的解耦控制系统，其特征在于，基于权利要求1-3任 一项所述的用于温度场分区控制系统的解耦控制方法，该控制系统包括温度场i区PID控 制器、温度场i区数学模型单元、温度场i区数学逆模型单元及滤波器； 所述温度场i区PID控制器的输出端与温度场i区数学逆模型单元的输出单元均与温 度场i区的控制输入单元相连； 所述温度场i区的控制输出端与所述温度场i区数学模型单元的输出单元均与所述滤 波器的输入单元相连； 所述滤波器的输出单元与所述温度场i区数学逆模型单元的输入单元相连； 所述温度场i区目标温度信号给定单元与温度场i区的测量信号单元均与温度场i区 PID控制器的输入端相连。
【专利摘要】本发明公开了一种用于温度场分区控制系统的解耦控制方法及系统，该方法以温度场i区的目标温度信号Ri和测量信号Ybi作为PID控制器Ci的误差信号Ei，以测量信号Ybi与温度场i区的数学模型输出信号Yai作为滤波器Fi的输入信号di，将PID控制器输出的控制信号Ui和温度场i区数学逆模型输出的补偿信号Uci叠加作用于温度场i区,控制温度场i区的输出温度Yi，即利用温度场i区的数学模型作为扰动观测器，以温度场i区数学模型与真实对象输出的差值作为干扰量di进行补偿，有效地解除了温度场i区和其它温区之间的耦合，从而易于实现PID控制器参数的整定，达到好的温度控制效果；整个控制系统结构简单，操作方便，能够明显提高对温度场区的控制精度。
【IPC分类】G05D23-30
【公开号】CN104865989
【申请号】CN201510134573
【发明人】李涵雄, 谭芳, 沈平
【申请人】中南大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年3月26日
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