CN106094936A - 面向线网反应器的升温速率随意可调的快速加热控制算法 - Google Patents

Abstract

本发明属于温度控制技术领域，尤其涉及面向线网反应器的升温速率随意可调的快速加热控制算法。其特征在于，根据硬件性能确定采样速度；确定稳定温度‐输出功率之间的函数关系和升温速度‐功率匹配之间的函数关系；计算给定目标稳定温度所对应的输出功率值和给定目标升温速度所对应的输出功率值；在升温的起始阶段，按照升温速度所对应的输出功率来进行快速升温，当实际温度接近目标温度时，将输出功率调整到目标稳定温度所对应的输出功率附近，然后采用特定的控制算法调整至温度稳定。本发明能够保证满足不同升温速度的控制要求，升温速度由用户来实时调整，能够保证调稳过程中超调量很小，调节稳定速度快，扩展性好，能无极限地提高升温速度。

Description

面向线网反应器的升温速率随意可调的快速加热控制算法

技术领域

本发明属于温度控制技术领域，尤其涉及一种面向线网反应器的升温速率随意可调的快速加热控制算法。

背景技术

线网反应器就是目前最理想的实现准确地模拟煤粉被投入到锅炉这一瞬间的快速加热反应过程的实验装置。实验时煤粉放在金属丝(线)网上，金属丝网通电发热，通过温度控制系统实现线网的快速并可变的升温过程，从而研究煤粉等颗粒燃料的热解和燃烧机理。开发控温更可靠灵活的线网反应器不仅对于煤的清洁利用研究具有重要意义，在生物质燃料研究等相关研究领域也有广泛的应用前景。

线网反应器是一个具有惯性和纯迟延的热系统。这种快速加热反应器国内只有两家：清华大学热能系2008年时研制出了线网反应器平台，然而该平台的反应速度仅有固定的几种，50℃/s，100℃/s，1000℃/s。不能任意调试，且加热只能一次完成，而且最高加热速度仅仅为1000℃/s。上海交通大学自动化系2015年研制出基于labview实现的线网反应器高速升温控制系统，实现过程简单，然而该系统仅显示能够达到的最大升温速度为700℃/s。清华实验台的控制算法采用传统PID，算法设计相对简单，但是一个完整的升温过程有三个阶段构成，每个阶段的PID参数都不一样，而不同升温速率的升温过程需要调整不同一套PID参数，因而参数调节过程非常复杂，而且参数不具有推广性。上海交大实验台采用位置PID控制与增量PID控制相结合的方式。其基本思路仍然是把升温过程分成两个阶段，升温过程采用位置PID控制，而邻近目标温度时采用增量PID控制以维持稳定。一个升温过程需要调整两套PID参数，升温速度变化，则会导致PID参数重新调整。因此，上述两种算法的本质是相同的，即按照一个完整的升温过程进行参数调整，升温速度只能在备选的几种中做选择，并不能实现升温速度连续灵活调整。另外PID的调整特性决定了如果要升温的快速性好，则稳定性时间就比较长，而如果要无超调稳定呢，则调节的快速性就要下降。鉴于此，本发明目的是公开一种能够实现快速加热反应器，且加热速度连续灵活多样，加热方式在单阶/双阶二者之间灵活可选的控制算法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明采取的技术方案为如下：

一种面向线网反应器的升温速率随意可调的快速加热控制算法，其特征在于，包括：

步骤1、根据温度传感器，温度变送器这些前端数据采集硬件的整体响应速度，以及控制芯片信号引起功率变化的响应时间，确定采样速度控制算法的采样速度；

步骤2、确定线网的稳定温度-控制芯片所控制的输出功率之间的函数关系；

步骤3、确定线网的升温速度-实际输出功率匹配之间的函数关系；

步骤4、给定目标稳定温度和目标升温速度，分别依据步骤2和步骤3，计算得到给定目标稳定温度所对应的输出功率值和给定目标升温速度所对应的输出功率值；

步骤5、起始阶段的升温速度由升温速度-输出功率匹配函数所确定的输出功率值来决定；当实际温度小于目标稳定温度的设定比例即过冲比例时，按照步骤4中计算得到的升温速度所需要的输出功率值对应的控制电压恒定输出；

当实际温度大于目标稳定温度的设定比例时，控制电压输出调整到目标稳定温度所对应的输出功率值，该输出仅维持一个采样周期；

步骤6、在接下来的采样周期内，按照自动调节控制算法调节，直到调节时间到为止。

所述步骤2中确定稳定温度-输出功率以及升温速度-输出功率对应函数关系时，使得控制器输出的控制信号从零开始按照设定步距递增控制电压，并保持恒定输出，得到升温后稳定的温度值，由此得到一组稳定温度-输出功率匹配数据对；将得到的稳定温度-输出功率的数据对，进行数据拟合，得到稳定温度与输出功率之间的函数关系。

所述步骤3中确定升温速度-功率匹配之间的函数关系为利用步骤2中得到的稳定温度-输出功率数据对，进一步计算升温过程中温度上升部分的曲线斜率，计算得到升温速度，从而得到一组升温速度-功率匹配数据对；将得到的升温速度-功率匹配数据对进行数据拟合，得到升温速度与输出功率之间的函数关系。

所述自动调节控制算法需要先测量实际待控制的线网反应器系统时间常数和纯滞后时间，采用一阶惯性滞后系统进行建模；然后设定闭环系统的理想时间常数和纯滞后时间；根据设定的闭环系统的理想时间常数和纯滞后时间，以及测量得到的被控的线网反应器系统的实际时间常数和纯滞后时间，分别按照下式计算控制调节系数AA、系数BB和系数CC：

其中:AA＝(1-exp(-ts/tao2))/(1-exp(-ts/tao1))

BB＝AA*exp(ts/tao1)；

$CC=\exp (-\frac{ts}{tao2});$

式中ts是采样时间间隔，tao2和tao1是用户给定的两个参数；

自动调节的控制电压u＝k1*AA*error-k2*BB*error_1+CC*u_1+(1-CC)*u_2；

其中k1和k2是用户用来调整的参数；error为当前采样周期计算得到的目标稳定温度与实测温度之间的误差；error_1为前一次采样计算得到的目标稳定温度与实测温度之间的误差；u_1为前一个采样周期所输出的控制电压；u_2为前一个采样周期之前的那个采样周期所输出的控制电压。

有益效果

(1)能够实现升温速度连续可调。

(2)能够实现升温过程两种升温模式选择：即升温过程一次完成/分两次完成。

(3)能够实现升温过程的调节快速且稳定。

(4)能够实现温度稳定阶段波动不超过20度。

本发明对于实现各种升温过程的实验室模拟具有重要理论和应用意义。

附图说明

图1控制算法整体实现流程

图2自动调节部分的算法流程

图3线网反应器实验平台系统的结构图

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

本发明提出的一种线网反应器的升温速度连续灵活可调，升温模式可选择的升温控制算法，其整体控制算法流程如图1所示，

步骤1、根据硬件性能，确定采样速度。

采样速度取决于控制系统构成硬件的性能。主要涉及温度变送器的性能以及执行机构的性能。采样速度要略大于温度变送器和执行机构的响应时间。采样周期应远小于对象的时间常数，否则无法反映瞬变过程；同时折中考虑对象所要求的调节品质，运算速度，以及费用的要求。

步骤2、测量得到稳定温度-输出功率之间的函数关系

从零开始按照一定步距递增控制电压，并保持恒定输出，得到升温后稳定的温度值，由此得到一组稳定温度-输出功率匹配数据对；将得到的稳定温度-输出功率的数据对，进行数据拟合，得到稳定温度与输出功率之间的函数关系。

步骤3、测量计算得到升温速度-输出功率匹配之间的函数关系。

利用上面测量得到的稳定温度-输出功率数据对，进一步计算升温过程中温度上升部分的曲线斜率，计算得到升温速度，从而得到一组升温速度-功率匹配数据对；将得到的升温速度-功率匹配数据对进行数据拟合，得到升温速度与输出功率之间的函数关系。

步骤4、给定目标稳定温度和目标升温速度，分别依据步骤2和步骤3，计算得到给定目标稳定温度所对应的输出功率值，以及给定目标升温速度所对应的输出功率值。

步骤5、当实际温度小于目标稳定温度的一定比例时(这个比例称作过冲比例)；按照步骤4中计算得到的升温速度所需要的输出功率值对应的控制电压恒定输出。

这一步骤保证升温过程起始部分的升温速度在目标升温速度附近，而实际的升温速度应该以实测值升温曲线的计算斜率为准。如果实际升温速度与目标升温速度有差别，则需要用户自行调整目标升温速度的修订值参数，直到满足要求为止。起始阶段的升温速度由升温速度-输出功率匹配函数所确定的输出功率值来决定。

步骤6、当实际温度大于目标稳定温度的一定比例时，控制电压输出调整到目标稳定温度所对应的输出功率值。该输出仅维持一个采样周期。

这一步骤目的是输出功率拉到目标稳定温度对对应的输出功率附近，而实际，这个由步骤2函数关系计算得到的目标稳定温度所对应的输出功率值与实际的真实需要往往有差别，如果偏大/偏小，会增大升温过程的超调量。则此时需要用户根据升温曲线自行调整，直到满足要求为止。升温过程的超调量由稳定温度温度-输出功率匹配函数所确定的输出功率值来决定。

步骤7、在接下来的采样周期内，按照控制算法来自动调节，直到调节时间到为止。

自动调节的控制算法如图2所示。

1)测量系统的时间常数和纯滞后，并设定期望闭环系统的时间常数和纯滞后。

2)计算AA，BB，CC

其中:AA＝(1-exp(-ts/tao2))/(1-exp(-ts/tao1))

BB＝AA*exp(ts/tao1)；

$CC=\exp (-\frac{ts}{tao2})$

3)按照下面的公式计算控制电压

u＝k1*AA*error-k2*BB*error_1

+CC*u_1+(1-CC)*u_2

其中error为当前采样周期计算得到的目标稳定温度与实测温度之间的误差；error_1为前一次采样计算得到的目标稳定温度与实测温度之间的误差；u_1为前一个采样周期所输出的控制电压；

u_2为前一个采样周期之前的那个采样周期所输出的控制电压；

4)是否接收到停止命令，如果没有，继续按照第三步进行输出。

将本发明的方法应用于线网反应器实验平台系统，该系统可以模拟锅炉升温过程，进行煤粉特性分析。图3是线网反应器实验平台系统的结构图。

依据本发明提供的步骤，实施过程如下所示：

步骤1、确定采样速度。

由于本实例中温度变送器的响应时间为22ms，执行机构的响应时间为20ms，因此，这里选择采样速度为25ms。

步骤2、测量得到稳定温度-输出功率之间的函数关系

本实例中，根据测量的数据对，进行数据拟合后，得到稳定温度与输出功率之间的函数关系满足下式：

temp_aim(output_u)＝1340·output_u^0.4546-451.9

步骤3、测量计算得到升温速度-输出功率匹配之间的函数关系。

本实例中，根据测量的数据对，进行数据拟合后，得到升温速度与输出功率之间的函数关系满足下式：

speed(output_u)＝287.7·output_u^2.423

步骤4、给定目标稳定温度和目标升温速度，分别依据步骤2和步骤3，计算得到给定目标稳定温度所对应的输出功率值，以及给定目标升温速度所对应的输出功率值。

假设给定的目标稳定温度为600度，目标升温速度为1000度/s，则按照步骤2和步骤3所得函数关系，分别确定目标稳定温度所对应的输出功率值为(0.5871/3.3)*10k＝1.779kw、目标升温速度所对应的输出功率值为(1.6722/3.3)*10k＝5.067kw.

步骤5、过冲比例设成0.7，即当实际温度小于目标稳定温度的70％时；按照步骤4中计算得到的升温速度所需要的输出功率值对应的控制电压恒定输出。

而实际升温速度为930度/s，与目标升温速度略有差别，则用户自行将目标升温速度略调大一些，直到满足要求为止。

步骤6、当实际温度大于目标稳定温度的70％时，控制电压输出调整到目标稳定温度所对应的输出功率值，即为(0.5871/3.3)*10k＝1.779kw。该输出仅维持一个采样周期。

步骤7、测量得到试验台系统的时间常数为0.8s，纯滞后为0.2s，设定期望的闭环系统的时间常数为0.005s，纯滞后为1s。

自动调节的控制算法如图2所示。

AA＝0.2101

BB＝0.2381；

CC＝0.9753

按照下面的公式计算控制电压

u＝k1*0.2101*error-k2*0.2381*error_1

+0.9753*u_1+(1-0.9753)*u_2

其中error、error_1、u_1、u_2物理意义如前所述。

直到接收到停止命令为止。

结果分析

由上面的分析实施过程可见，在对线网反应器采用一阶大惯性大滞后建模的基础上，根据实际测量和数据拟合分别得到稳定温度-输出功率的函数关系，以及升温速度-输出功率的函数关系，并以此为指导，由给定的目标稳定温度与目标升温速度，分别计算其所对应的输出功率值。然后在升温过程的起始阶段，输出升温速度所对应的输出功率值，然后将输出值调整到稳定温度所对应的输出功率，并在此基础上，采用自动控制算法调节稳定。本方法可以确保升温速度连续灵活可调，对于实验室模拟各种现场升温过程，分析煤粉特性具有重要的工程应用价值。

Claims (4)

1.一种面向线网反应器的升温速率随意可调的快速加热控制算法，其特征在于，包括：

步骤1、根据温度传感器，温度变送器这些前端数据采集硬件的整体响应速度，以及控制芯片信号引起功率变化的响应时间，确定采样速度控制算法的采样速度；

步骤2、确定线网的稳定温度-控制芯片所控制的输出功率之间的函数关系；

步骤3、确定线网的升温速度-实际输出功率匹配之间的函数关系；

步骤4、给定目标稳定温度和目标升温速度，分别依据步骤2和步骤3，计算得到给定目标稳定温度所对应的输出功率值和给定目标升温速度所对应的输出功率值；

步骤5、起始阶段的升温速度由升温速度-输出功率匹配函数所确定的输出功率值来决定；当实际温度小于目标稳定温度的设定比例即过冲比例时，按照步骤4中计算得到的升温速度所需要的输出功率值对应的控制电压恒定输出；

当实际温度大于目标稳定温度的设定比例时，控制电压输出调整到目标稳定温度所对应的输出功率值，该输出仅维持一个采样周期；

步骤6、在接下来的采样周期内，按照自动调节控制算法调节，直到调节时间到为止。

2.根据权利要求1所述的一种面向线网反应器的升温速率随意可调的快速加热控制算法，其特征在于，所述步骤2中确定稳定温度-输出功率以及升温速度-输出功率对应函数关系时，使得控制器输出的控制信号从零开始按照设定步距递增控制电压，并保持恒定输出，得到升温后稳定的温度值，由此得到一组稳定温度-输出功率匹配数据对；将得到的稳定温度-输出功率的数据对，进行数据拟合，得到稳定温度与输出功率之间的函数关系。

3.根据权利要求2所述的一种面向线网反应器的升温速率随意可调的快速加热控制算法，其特征在于，所述步骤3中确定升温速度-功率匹配之间的函数关系为利用步骤2中得到的稳定温度-输出功率数据对，进一步计算升温过程中温度上升部分的曲线斜率，计算得到升温速度，从而得到一组升温速度-功率匹配数据对；将得到的升温速度-功率匹配数据对进行数据拟合，得到升温速度与输出功率之间的函数关系。

4.根据权利要求1所述的一种面向线网反应器的升温速率随意可调的快速加热控制算法，其特征在于，所述自动调节控制算法需要先测量实际待控制的线网反应器系统时间常数和纯滞后时间，采用一阶惯性滞后系统进行建模；然后设定闭环系统的理想时间常数和纯滞后时间；根据设定的闭环系统的理想时间常数和纯滞后时间，以及测量得到的被控的线网反应器系统的实际时间常数和纯滞后时间，分别按照下式计算控制调节系数AA、系数BB和系数CC：

其中:AA＝(1-exp(-ts/tao2))/(1-exp(-ts/tao1))

BB＝AA*exp(ts/tao1)；

$CC=\exp (-\frac{ts}{tao2});$

式中ts是采样时间间隔，tao2和tao1是用户给定的两个参数；

自动调节的控制电压u＝k1*AA*error-k2*BB*error_1+CC*u_1+(1-CC)*u_2；

其中k1和k2是用户用来调整的参数；error为当前采样周期计算得到的目标稳定温度与实测温度之间的误差；error_1为前一次采样计算得到的目标稳定温度与实测温度之间的误差；u_1为前一个采样周期所输出的控制电压；u_2为前一个采样周期之前的那个采样周期所输出的控制电压。