CN104865989B - 一种用于温度场分区控制系统的解耦控制方法及系统 - Google Patents

一种用于温度场分区控制系统的解耦控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

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的差值作为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。

Description

一种用于温度场分区控制系统的解耦控制方法及系统
技术领域
本发明属于工业过程温度控制领域，涉及一种用于温度场分区控制系统的解耦控制方法及系统。
背景技术
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，需要加以控制。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，芯片固化炉的温度控制、热风回流焊机等。
由于温度场分区控制系统属于多变量控制系统，各温区之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，芯片固化炉的温度控制、热风回流焊机等。间存在着较强的耦合关系，给实际的系统设计及控制带来不便。例如：芯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，加热板传热时存在耦合，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，从而影响到芯片固化的质量。
当前的工业过程中，为了解决温度场分区控制的解耦问题，常用的解耦方法主要包括前馈补偿解耦法，反馈解耦法，对角矩阵解耦法，单位矩阵解耦法等。但在实际工程中，往往由于解耦算法太复杂而难以实现较好的解耦，因而，寻求简单、易行、有效的解耦方法是目前普遍关注的问题。
温度场分区控制的解耦问题，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
本发明提供了一种用于温度场分区控制系统的解耦控制方法及系统，针对在实际的温控系统中，各温区之间存在的耦合问题，通过在控制回路中加入扰动观测器消除各温区之间的耦合关系，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耦控制。
一种用于温度场分区控制系统的解耦控制方法，以温度场i区的目标温度信号Ri和温度场i区的测量信号Ybi的差值作为PID控制器Ci的误差信号Ei，以温度场i区的测量信号Ybi与温度场i区的数学模型Li的输出信号Yai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Uci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Ui和温度场i区数学逆模型输出的补偿信号Uci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Uci由滤波器Fi的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，n为阶数，取值范围为1-2，τf为设定参数，为0.01Tp～0.1Tp之间的正数，Tp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，Td为微分时间常数，Ti为积分时间常数，s为复参数，PID控制参数采用临界比例度法整定。
所述滤波器Fi的阶数n取值为1。
低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。温度场中存在高频干扰信号，选用低通滤波器进行抑制。
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。
一种用于温度场分区控制系统的解耦控制系统，基于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区的输入单元相连；
所述温度场i区的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；
温度场i区目标温度信号Ri给定单元与温度场i区的测量信号Ybi单元均与温度场i区PID控制器的输入端相连。
有益效果
本发明提供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的差值作为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。
附图说明
图1为根据本发明所述方法实现芯片固化炉温度场解耦控制的硬件连接示意图；
图2为本发明所述方法的控制原理示意图；
图3为采用本发明所述方法和现有技术中的PID控制算法进行温度控制，芯片固化炉加热板1的温度变化对比图；
图4为采用本发明所述方法和现有技术中的PID控制算法进行温度控制，芯片固化炉加热板2的温度变化对比图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
为了应用本发明中提出的温度场分区解耦控制方法及系统，选取芯片固化炉作为具体实施对象。实际的芯片固化炉中往往有若干个加热板，每个加热板对应一个温区，且互相之间有影响，对基板上的某一点而言，它的温度是多个加热板热效应的叠加结果，难以精确控制温度，从而影响芯片固化的质量。可见，芯片固化炉中温度场各温区之间存在强耦合，需要进行解耦控制。
如图1所示，为根据本发明所述方法实现芯片固化炉温度场解耦控制的硬件连接示意图；主要包括以下几个器件：
1.dSPACE实时控制系统：用于温度信号的采集、输出、显示，芯片固化炉的实时控制；
2.信号处理装置：负责传感器信号的预处理，并将处理信号反馈给dSPACE实时控制系统；
3.芯片固化炉：内置加热板、传感器等；
4.温度传感器：用于测量温度，将输出信号传输给信号处理装置。
图1所示的dSPACE实时控制系统包含计算机和dSPACE仪器，在计算机的dSPACE软件中设定相关值，经过dSPACE仪器给出PWM控制信号，芯片固化炉的加热板在给定的PWM控制信号下工作，传感器将所在位置的测量值传送给信号处理装置，经处理后，反馈给dSPACE实时控制系统，经本发明所述的方法处理后，发送调整信号，实现对芯片固化炉温度场的解耦控制。
在芯片固化炉中以加热板1和加热板2分别作为被控对象，给定两个加热板的目标温度分别为R1和R2。两个加热板在dSPACE控制系统给出的两路PWM控制信号下独立工作，热电偶传感器1、2置于引线框架的正下方，用于检测所在位置当前温度，并传给dSPACE实时控制系统。固化炉系统的输入为PWM信号u1，u2，输出温度值为y1，y2。可见，固化炉系统为一个双输入双输出的温度场分区控制系统，系统的传递函数为
在工业过程控制中，可用一阶环节来表示加热过程，选用作为芯片固化炉的数学模型，其中K为稳态增益，T为时间常数。
首先设定加热板1的目标温度R1为110℃，加热板2的目标温度R2为180℃，采样时间为1秒。每个加热板采集30000组数据。分别选取加热板1、2的采样数据30组如下所示：
表1加热板1的30组温度采样数据(单位为℃)
表2加热板2的30组温度采样数据(单位为℃)
173.25275 173.53113 173.36661 173.32176 173.34999
173.48264 173.545 173.52415 173.67966 173.68544
173.45271 173.40579 173.37424 173.55182 173.35307
173.52832 173.41431 173.52191 173.57547 173.64267
173.70044 173.82561 173.97691 173.79053 173.7429
173.65919 173.67741 173.60338 173.68163 173.91075
本实例中，基于芯片固化炉，运用温度传感器分别测得芯片固化炉中加热板1和加热板2的温度数据，所测的温度数据用于模型辨识，得到对应温度场的传递函数。
针对实验数据，运用MATLAB中的Ident辨识工具箱进行系统辨识，获得固化炉系统传递函数的对应参数，具体表达式如下：
加热板1数学模型为得到加热板1数学逆模型为热板2数学模型为得到加热板2数学逆模型为
根据实验进行调试，获得为达到给定目标温度所需的PWM信号值，加热板1给定目标温度R1对应的PWM信号u1＝3/35，加热板2给定目标温度R2对应的PWM信号u2＝1/14。
根据系统辨识出的传递函数设计加热板1、2的PID控制器的参数。如下表所示：
表3芯片固化炉PID控制参数
采用本专利的仿真实验结果如图3、4所示，图中分别显示了纯PID控制和本发明的解耦控制对应的温度响应曲线，从图3和图4可以看出，应用本发明所述方法进行解耦控制，温度响应曲线明显早于现有技术中PID控制方法达到参考信号，因此，采用本专利的解耦控制方法能够更好地实现芯片固化炉的温度控制。

Claims (3)

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Ri和温度场i区的测量信号Ybi的差值作为PID控制器Ci的误差信号Ei，以温度场i区的测量信号Ybi与温度场i区数学模型Li的输出信号Yai的差值di作为滤波器Fi输入信号，将PID控制器Ci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；
同时，将PID控制器Ci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区数学模型Li是利用先验知识和建模目的确定，采用一阶环节表示，其中，K为稳态增益，T为时间常数，所述温度场i区数学逆模型通过温度场i区数学模型Li反演获得；
所述温度场i区数学逆模型输出的补偿信号Uci由滤波器Fi的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，n为阶数，取值范围为1-2，τf为设定参数，为0.01Tp～0.1Tp之间的正数，Tp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，Td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n取值为1。
3.一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1-2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Ci、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Fi；
所述温度场i区PID控制器Ci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区的输入单元相连；
所述温度场i区的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Fi的输入单元相连；
所述滤波器Fi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；
温度场i区目标温度信号Ri给定单元与温度场i区的测量信号Ybi单元均与温度场i区PID控制器Ci的输入端相连。
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