CN105892518A

CN105892518A - 一种水蒸气温度控制方法和系统

Info

Publication number: CN105892518A
Application number: CN201410589399.1A
Authority: CN
Inventors: 黄宇
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2014-10-23
Filing date: 2014-10-23
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2034-10-23
Also published as: CN105892518B

Abstract

本发明实施例公开了一种水蒸气温度控制方法，用于蒸汽温度控制系统，所述蒸汽温度控制系统的水蒸气发生装置连接管道，管道上装设的温度测量点有多个，分别分布在管道预设位置，所述控制终端接收并处理所述测量点的温度数据，所述水蒸气发生装置的输出功率受控于所述控制终端；所述控制终端的算法基于比例微积分PID控制与内模控制；所述蒸汽温度控制方法由所述控制终端实现包括：采集所述测量点监控回传的温度值；当所述监控回传的温度值与初始温度设定值不符时，控制调节所述水蒸气发生装置的输出功率，直至所述监控回传的温度值达到温度跟踪设定值。本发明实施例达到精确控制的技术目的。

Description

一种水蒸气温度控制方法和系统

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，更具体地说，涉及一种水蒸气温度控制方法和系统。

背景技术

水箱水位控制是科研和教学中常见的计算机直接控制系统实验项目，现有的计算机直接控制系统多基于PID(比例(proportion)、积分(integration)、微分(differentiation))的直接控制方案。

然而，作为科研和教学中同样较为重要的实验项目，水蒸气温度的控制，由于受环境影响较大，可控程度较低并且常规的PID控制方法并不能得到精确的控制效果。

从而对于水蒸气温度的控制过程实现亟需可控度高且精确的控制方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种水蒸气温度控制方法和系统，以提高对水蒸气温度的可控程度，并且能够精确地实现控制过程。

一种水蒸气温度控制方法，用于蒸汽温度控制系统，所述蒸汽温度控制系统的水蒸气发生装置连接管道，管道上装设的温度测量点有多个，分别分布在管道预设位置，所述控制终端接收并处理所述测量点的温度数据，所述水蒸气发生装置的输出功率受控于所述控制终端；

所述控制终端的算法基于比例微积分PID控制与内模控制；

所述蒸汽温度控制方法由所述控制终端实现包括：

采集所述测量点监控回传的温度值；

当所述监控回传的温度值与初始温度设定值不符时，控制调节所述水蒸气发生装置的输出功率，直至所述监控回传的温度值达到温度跟踪设定值。

优选地，所述控制终端的算法基于比例微积分PID控制与内模控制包括：

设定PID控制与内模控制接口；

在PID控制环境下设置有初始温度设定值、PID控制参数及控制周期：

控制调节所述水蒸气发生装置的输出功率包括：

计算加热功率变化量：

Δu(n)＝q₀e(n)+q₁e(n-1)+q₂e(n-2)；

Δu(n)＝q₀(e(n)-e(n-1))；

e(n)＝T_set-T_out，

q_{0} = K_{p} (1 + \frac{T_{s}}{T_{i}} + \frac{T_{d}}{T_{s}});

其中：q₁和q₂为第一微分增益与第二微分增益，

Kp为比例系数；Ti为积分时间；Td为微分时间；Ts为采样周期；Tset为温度设定；

所述输出功率为u(n)＝u(n-1)+Δu(n)；

以及，

在内模控制环境下设置有控制器开度、开环条件下的阶跃响应曲线及通过调用该曲线并利用阶跃相应法和最小二乘法完成的辨识；

控制调节所述水蒸气发生装置的输出功率包括：

利用微控制器IMC调节所述水蒸气发生装置的输出功率。

优选地，所述控制终端的算法基于比例微积分PID控制与内模控制还包括：设置的预设控制算法接口。

优选地，所述的水蒸气温度控制方法，还包括：

所述控制终端接收手动与自动转换请求；

解析所述手动与自动转换请求，并指示手动与自动转换制式转换。

优选地，采集所述测量点监控回传的温度值包括：

采集所述测量点监控回传的温度模拟量；

将所述温度模拟量通过模拟/数字转换装置A/D转换装置转换为温度数字量。

优选地，控制调节所述水蒸气发生装置的输出功率包括：

根据监控回传的温度值与初始温度设定值的判断结果，将生成的数字控制量通过数字/模拟转换装置转换为温度模拟量。

一种水蒸气温度控制系统，包括：水蒸气发生装置、管道、温度测量点和控制终端，其中：

所述水蒸气发生装置连接所述管道，管道上设置所述温度测量点，所述温度测量点有多个，分别分布在所述管道预设位置，所述控制终端接收并处理所述测量点的温度数据，所述水蒸气发生装置的输出功率受控于所述控制终端；

所述系统应用权利要求1所述的水蒸气温度控制方法。

优选地，所述温度测量点包括第一测量点，第二测量点和第三测量点，所述第一测量点装设于所述水蒸气发生装置的水蒸气出口位置；所述第二测量点装设于所述管道管路中间位置；所述第三测量点装设于管道管路末端。

优选地，水蒸气温度控制系统还包括：模拟/数字转换装置A/D转换装置，用于采集所述测量点监控回传的温度模拟量；

将所述温度模拟量通过所述A/D转换装置转换为温度数字量。

优选地，所述的水蒸气温度控制系统还包括：数字/模拟转换装置D/A转换装置，根据监控回传的温度值与初始温度设定值的判断结果，将生成的数字控制量通过D/A转换装置转换为温度模拟量。

从上述的技术方案可以看出，本发明实施例的水蒸气温度控制方法和系统，基于结构合理的实验硬件设定，并且在控制终端中嵌入PID控制策略和内模控制策略，克服了水蒸气温度的控制受环境影响较大的问题，并通过PID控制策略和内模控制策略结合的方式，达到精确控制的技术目的。并且，所述控制终端还具有兼容其他控制算法的接口，以方便水蒸气温度控制过程中调试其他算法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种水蒸气温度控制方法流程图；

图2为本发明实施例公开的一种水蒸气温度控制方法流程图；

图3为本发明又一实施例公开的一种水蒸气温度控制方法流程图；

图4为本发明实施例公开的一种水蒸气温度控制系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种水蒸气温度控制方法和系统，以提高对水蒸气温度的可控程度，并且能够精确地实现控制过程。

由于水蒸气温度控制受到环境温度和设备本身的影响，在温度监测、跟踪和调节上，存在较多不可控因素。现有的单一PID控制方式很难获得较好的控制效果，本实施例中，将所述控制终端的算法基于比例微积分PID控制与内模控制结合，能够在原有PID参数控制基础上，对水蒸气温度进行更为精确的控制。

图1示出了一种水蒸气温度控制方法，所述方法应用于蒸汽温度控制系统，所述蒸汽温度控制系统至少包括：水蒸气发生装置、管道、温度测量点和控制终端，所述蒸汽温度控制系统的水蒸气发生装置连接管道，管道上装设的温度测量点有多个，分别分布在管道预设位置，所述控制终端接收并处理所述测量点的温度数据，所述水蒸气发生装置的输出功率受控于所述控制终端；

所述控制终端的算法基于比例微积分PID控制与内模控制：

所述蒸汽温度控制方法由所述控制终端实现，包括：

S11：采集所述测量点监控回传的温度值；

S12：判断监控回传的温度值是否与初始温度设定值不符，如果是，执行S14，否则执行S13。

S13：执行下一温度点的控制步骤；

S14：控制调节所述水蒸气发生装置的输出功率，直至所述监控回传的温度值达到温度跟踪设定值。

如图2，所述PID控制过程可包括：

S21：设定PID控制与内模控制接口；

S22：在PID控制环境下设置有初始温度设定值、PID控制参数及控制周期：

S23：控制调节所述水蒸气发生装置的输出功率；

包括：计算加热功率变化量：

Δu(n)＝q₀e(n)+q₁e(n-1)+q₂e(n-2)；

Δu(n)＝q₀(e(n)-e(n-1))；

e(n)＝T_set-T_out，

q_{0} = K_{p} (1 + \frac{T_{s}}{T_{i}} + \frac{T_{d}}{T_{s}});

其中：q₁和q₂为第一微分增益与第二微分增益，Kp＝txtKp.Text；Ti＝txtKI.Text；Td＝txtKd.Text＝0；Ts＝txtTs.Text，Tset＝txttemp.Text；

最终控制的输出功率为u(n)＝u(n-1)+Δu(n)。

在内模控制条件下，设置有控制器开度、开环条件下的阶跃响应曲线及通过调用该曲线并利用阶跃相应法和最小二乘法完成的辨识；

控制调节所述水蒸气发生装置的输出功率包括：

利用微控制器IMC调节所述水蒸气发生装置的输出功率。

需要说明的是，所述调节控制器开度，获取开环条件下输出的阶跃响应曲线；

在数据库中保存该曲线；

调用该曲线，利用阶跃响应法和最小二乘法对该系统的辨识，可以通过手动方式实现，具体实现形式并不局限。

在本控制步骤中，为了保证温度控制的精准性，将PID控制与内模控制相结合的方式，由于所述PID控制只能对常规的PID参数进行监测和控制，内模控制使得当前无法对对水蒸气温度精确控制成为可能。

图3示出了又一种水蒸气温度控制方法，在上一实施例相同的系统条件下，包括：

所述控制终端的算法基于比例微积分PID控制与内模控制，并设置由预设控制算法接口；

所述蒸汽温度控制方法由所述控制终端实现包括：

S31：采集所述测量点监控回传的温度模拟量；

S32：将所述温度模拟量通过模拟/数字转换装置A/D转换装置转换为温度数字量。

S33：判断监控回传的当所述监控回传的温度值是否与初始温度设定值不符，如果是，执行S35，否则执行S34。

S34：执行下一温度点的控制步骤；

S35：控制调节所述水蒸气发生装置的输出功率，直至所述监控回传的温度值达到温度跟踪设定值。

在进行判断的同时，所述控制终端将计算所述监控回传的温度值与初始温度设定值的差值，该差值作为误差信号经数模转换后用作控制调节所述水蒸气发生装置的输出功率的误差信号。

根据需要，系统设置的管道、监测点虽有不同，但在采集所述测量点监控回传的温度值均需要进行模数转换，而在温度调节时，需要将温度调节转化为功率调节，并进行数模转换，从而在兼容PID控制模式，内模控制模式及其他控制模式时，仅能达到温度的精准控制的技术效果。

图4示出一种水蒸气温度控制系统，包括：水蒸气发生装置41、管道42、温度测量点43和控制终端44，其中：

所述水蒸气发生装置连接所述管道42，管道上设置所述温度测量点43，所述温度测量点43有多个，分别分布在所述管道42预设位置，所述控制终端44接收并处理所述测量点43的温度数据，所述水蒸气发生装置41的输出功率受控于所述控制终端；

所述系统应用权利要求1所述的水蒸气温度控制方法，水蒸气控制方法参见图1-3图示及其对应说明，在此不再赘述。

所述水蒸气放生装置可优选为烧水壶，该系统可放置于立柜中，方便集中使用。

作为优选实施方式，所述温度测量点43包括第一测量点431，第二测量点432和第三测量点433，所述第一测量点431装设于所述水蒸气发生装置41的水蒸气出口位置；所述第二测量点432装设于所述管道42管路中间位置；所述第三测量点433装设于管道42管路末端。

需要指出的是，所述测量点的个数和排布并不局限于上述列举形式，可以根据实际的实验和应用的需要进行增减和改装。包括所述系统的布置方式，图4仅作为一种实现形式进行展示，并不局限于此。

图4中未显示出模拟/数字转换装置A/D转换装置，用于采集所述测量点监控回传的温度模拟量；

将所述温度模拟量通过所述A/D转换装置转换为温度数字量。

以及，数字/模拟转换装置D/A转换装置，根据监控回传的温度值与初始温度设定值的判断结果，将生成的数字控制量通过D/A转换装置转换为温度模拟量。

上述A/D转换装置及D/A转换装置可嵌入所述控制终端44设置，也可以单独设置，并不局限。

综上所述：

本发明实施例的水蒸气温度控制方法和系统，基于结构合理的实验硬件设定，并且在控制终端中嵌入PID控制策略和内模控制策略，克服了水蒸气温度的控制受环境影响较大的问题，并通过PID控制策略和内模控制策略结合的方式，达到精确控制的技术目的。并且，所述控制终端还具有兼容其他控制算法的接口，以方便水蒸气温度控制过程中调试其他算法。

需要说明的是，在本申请文件中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对于系统实施例而言，由于其基本相应于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种水蒸气温度控制方法，其特征在于，用于蒸汽温度控制系统，所述蒸汽温度控制系统的水蒸气发生装置连接管道，管道上装设的温度测量点有多个，分别分布在管道预设位置，所述控制终端接收并处理所述测量点的温度数据，所述水蒸气发生装置的输出功率受控于所述控制终端；

所述控制终端的算法基于比例微积分PID控制与内模控制；

所述蒸汽温度控制方法由所述控制终端实现包括：

采集所述测量点监控回传的温度值；

2.如权利要求1所述的水蒸气温度控制方法，其特征在于，所述控制终端的算法基于比例微积分PID控制与内模控制包括：

设定PID控制与内模控制接口；

控制调节所述水蒸气发生装置的输出功率包括：

计算加热功率变化量：

Δu(n)＝q₀e(n)+q₁e(n-1)+q₂e(n-2)；

Δu(n)＝q₀(e(n)-e(n-1))；

e(n)＝T_set-T_out，

q_{0} = K_{p} (1 + \frac{T_{s}}{T_{i}} + \frac{T_{d}}{T_{s}});

其中：q₁和q₂为第一微分增益与第二微分增益，

所述输出功率为u(n)＝u(n-1)+Δu(n)；

以及，

控制调节所述水蒸气发生装置的输出功率包括：

利用微控制器IMC调节所述水蒸气发生装置的输出功率。

3.如权利要求1-2任一项所述的水蒸气温度控制方法，其特征在于，所述控制终端的算法基于比例微积分PID控制与内模控制还包括：设置的预设控制算法接口。

4.如权利要求1所述的水蒸气温度控制方法，其特征在于，还包括：

所述控制终端接收手动与自动转换请求；

5.如权利要求1所述的水蒸气温度控制方法，其特征在于，采集所述测量点监控回传的温度值包括：

采集所述测量点监控回传的温度模拟量；

6.如权利要求1所述的水蒸气温度控制方法，其特征在于，控制调节所述水蒸气发生装置的输出功率包括：

7.一种水蒸气温度控制系统，其特征在于，包括：水蒸气发生装置、管道、温度测量点和控制终端，其中：

所述系统应用权利要求1所述的水蒸气温度控制方法。

8.如权利要求7所述的水蒸气温度控制系统，其特征在于，包括：所述温度测量点包括第一测量点，第二测量点和第三测量点，所述第一测量点装设于所述水蒸气发生装置的水蒸气出口位置；所述第二测量点装设于所述管道管路中间位置；所述第三测量点装设于管道管路末端。

9.如权利要求7所述的水蒸气温度控制系统，其特征在于，还包括：模拟/数字转换装置A/D转换装置，用于采集所述测量点监控回传的温度模拟量；

将所述温度模拟量通过所述A/D转换装置转换为温度数字量。

10.如权利要求7所述的水蒸气温度控制系统，其特征在于，还包括：数字/模拟转换装置D/A转换装置，根据监控回传的温度值与初始温度设定值的判断结果，将生成的数字控制量通过D/A转换装置转换为温度模拟量。