CN109298735A - 差示扫描量热仪恒速升温过程的前馈-反馈复合控制方法 - Google Patents

差示扫描量热仪恒速升温过程的前馈-反馈复合控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种差示扫描量热仪恒速升温过程的前馈‑反馈复合控制方法，设计前馈控制器，得到前馈控制器的输出值；划分温度空间生成若干温度子空间，对温度子空间设计炉温PID控制器，采集并判断当前时刻温度测量所属的温度子区间，计算当前时刻PID控制器的控制参数；计算温度控制偏差，得到PID控制器的输出值；输出温度控制信号，控制炉内温度的变化。本发明提高炉温控制系统的控制精度，降低使用该类仪器进行热分析实验的失败率；利用前馈控制中精确控制的特点，在控制起始时刻加入前馈控制量，减小控制作用的调节时间，提高控制精度；提出多控制器方法，通过平滑切换因子，解决不同温度区间之间进行控制器切换引起的控制量突变问题。

Description

差示扫描量热仪恒速升温过程的前馈-反馈复合控制方法
技术领域
本发明涉及过程控制领域，具体地说是一种差示扫描量热仪恒速升温过程的前馈-反馈复合控制方法。
背景技术
差示扫描量热仪是一种用于测量样品在一定气氛及程序控温下，样品端与参比端热流差随温度或时间的变化关系的热分析科学仪器，能定量测定多种热力学参数，广泛应用于材料、食品的研发、性能检测与质量控制。其程序控温包括线性升温、降温、恒温三种控制方式。
在使用仪器进行热分析实验时，测定的热力学参数只有在差示扫描量热仪的炉体温度控制曲线线性度良好的条件下，才是准确有效的。差示扫描量热仪的升温过程具有非线性、时滞和热惯性等特点。(1)非线性:由于炉体比热容、温度相位控制等本身存在的非线性，加热过程具有非线性特征，表现为给定不同控制量加热过程的升温表现出不同的动态和稳态特性。(2)滞后特性:由于被控对象热传导具有惯性，在升温控制中，存在着时间滞后，即当前时刻的控制，要到一段时间的延迟后控制作用才得以显现，这种响应的推迟，将导致输出过渡过程时间加长，从而使控制系统的动态品质变差，甚至出现发散振荡。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种差示扫描量热仪恒速升温过程的前馈-反馈复合控制方法，解决了差示扫描量热仪在程序控温过程中控制精度不高和调节时间长的问题。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种差示扫描量热仪恒速升温过程的前馈-反馈复合控制方法，包括以下步骤：
步骤1：设计前馈控制器Gf(s)，并整定前馈控制器Gf(s)的控制参数；
步骤2：将按照设定速率加热的温度设定值作为前馈控制器Gf(s)的输入，得到前馈控制器Gf(s)的输出值；
步骤3：划分温度空间，生成若干温度子空间，对温度子空间设计炉温PID控制器，并整定各个温度子区间的PID控制器的控制参数；
步骤4：采集并判断当前时刻温度测量所属的温度子区间，计算平滑切换因子α，计算当前时刻PID控制器的控制参数；
步骤5：计算温度控制偏差e(k)，并将温度控制偏差e(k)作为PID控制器输入，得到PID控制器的输出值；
步骤6：将PID控制器的输出值与前馈控制器Gf(s)的输出值叠加，输出温度控制信号，按照温度控制目标控制炉内温度的变化。
所述前馈控制器Gf(s)为：
其中，Kf为静态增益参数，T1为超前时间参数；T2为滞后时间参数，s为复频域中的复频率。
所述温度子空间通过温度空间等分而成。
所述平滑切换因子α为：
其中，α为平滑切换因子，PV为当前时刻温度值，[Tem_li,Tem_hi]为第i(1<i<n)个温度子区间。
所述当前时刻PID控制器的控制参数为：
其中，kp为当前时刻PID控制器的比例系数，kI为当前时刻PID控制器的积分系数，kd为当前时刻PID控制器的微分系数，kpi为第i(1<i<n)个温度子区间所对应的PID控制器的比例系数，kIi为第i(1<i<n)个温度子区间所对应的PID控制器的积分系数，kdi为第i(1<i<n)个温度子区间所对应的PID控制器的微分系数，kp(i-1)为第i-1个温度子区间所对应的PID控制器的比例系数，kI(i-1)为第i-1个温度子区间所对应的PID控制器的积分系数，kd(i-1)为第i-1个温度子区间所对应的PID控制器的微分系数，α为当前时刻的平滑切换因子，[Tem_li,Tem_hi]为第i(1<i<n)个温度子区间，[Tem_l(i-1),Tem_h(i-1)]为第i-1个温度子区间。
所述温度控制偏差e(k)为：
e(k)＝r(k)-y(k)
其中，e(k)为温度控制偏差，r(k)为炉内温度设定值，y(k)为炉内温度测量值。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明提高了炉温控制系统的控制精度,从而降低使用该类仪器进行热分析实验的失败率；
2.本发明针对被控对象滞后特性引起的响应时间长和反馈作用调节时间长的问题，利用前馈控制中精确控制的特点，在控制起始时刻加入前馈控制量，减小控制作用的调节时间，提高控制精度；
3.本发明针对被控对象非线性特性，提出将温度区间划分为若干近似线性子区间，对于每个子区间设计PID控制器的多控制器方法，并通过加入平滑切换因子，解决不同温度区间之间进行控制器切换引起的控制量突变的问题。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明的方法结构图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明包括多控制设计和前馈-反馈复合控制器设计两部分：
对于非线性被控对象，结合分解合成法则，将复杂的非线性系统分解为在若干平衡点附近的多个线性系统或近似线性系统，针对各线性系统进行控制器设计和控制器参数辨识，将各线性子系统的控制器组合起来形成全局控制器，实现对非线性系统的分段线性控制，即多控制器方法。
从加热过程能量传递和平衡的机理角度分析，差示扫描量热仪加热过程中，存在控制器输出与升温速率的一一对应关系，结合前馈控制器精确控制的特点，将加热炉升温所需能量通过设计前馈控制器提前实现对升温速率的开环控制，同时引入闭环反馈，对扰动或其他因素引起的误差进行反馈补偿。与反馈控制系统相比，引入的前馈控制器可有效减小调节时间。
本发明的方法流程图如图1所示；本发明的算法结构图如图2所示。
差示扫描量热仪前馈-反馈复合多控制器方法对温度控制的步骤为：
(1)设计前馈控制器为
设定静态增益参数Kf和动态时间参数T1、T2，将(1)式写成微分方程形式为：
将(2)式离散化，可得：
其中T为采样周期。
将(3)式整理可得前馈控制器输出：
(2)假设温度空间为[Tem_l,Tem_h]，该温度空间划分为n个子空间，分别为：[Tem_l1,Tem_h1]，[Tem_l2,Tem_h2]……[Tem_ln,Tem_hn]。设计炉温PID控制器为:对于每个子空间，分别整定PID控制器参数为(kp1,kI1,kd1)，(kp2,kI2,kd2)……(kpn,kIn,kdn)。
(3)采集当前时刻温度值为PV，判定当前时刻温度处于第i(1<i<n)个温度子区间[Tem_li,Tem_hi]，计算平滑切换因子：
计算当前时刻PID控制器的控制参数为：
(4)计算温度控制偏差e(k)作为PID控制器输入，计算PID控制器输出
(5)将u1(k)与u2(k)进行叠加，输出温度控制信号u(k)＝u1(k)+u2(k)，控制加热丝功率变化，按照温度控制目标控制加热炉内温度的变化。
前馈控制器用来精确补偿差示扫描量热仪升温所需的能量。多控制器方法中在不同温度区间切换控制器时加入平滑切换因子α。平滑切换因子α的取值为当前时刻的温度值在温度区间内的占比。

Claims (6)

1.一种差示扫描量热仪恒速升温过程的前馈-反馈复合控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：设计前馈控制器Gf(s)，并整定前馈控制器Gf(s)的控制参数；
步骤2：将按照设定速率加热的温度设定值作为前馈控制器Gf(s)的输入，得到前馈控制器Gf(s)的输出值；
步骤3：划分温度空间，生成若干温度子空间，对温度子空间设计炉温PID控制器，并整定各个温度子区间的PID控制器的控制参数；
步骤4：采集并判断当前时刻温度测量所属的温度子区间，计算平滑切换因子α，计算当前时刻PID控制器的控制参数；
步骤5：计算温度控制偏差e(k)，并将温度控制偏差e(k)作为PID控制器输入，得到PID控制器的输出值；
步骤6：将PID控制器的输出值与前馈控制器Gf(s)的输出值叠加，输出温度控制信号，控制炉内温度的变化。
2.根据权利要求1所述的差示扫描量热仪恒速升温过程的前馈-反馈复合控制方法，其特征在于：所述前馈控制器Gf(s)为：
其中，Kf为静态增益参数，T1为超前时间参数；T2为滞后时间参数。
3.根据权利要求1所述的差示扫描量热仪恒速升温过程的前馈-反馈复合控制方法，其特征在于：所述温度子空间通过温度空间等分而成。
4.根据权利要求1所述的差示扫描量热仪恒速升温过程的前馈-反馈复合控制方法，其特征在于：所述平滑切换因子α为：
其中，α为平滑切换因子，PV为当前时刻温度值，[Tem_li,Tem_hi]为第i(1<i<n)个温度子区间。
5.根据权利要求1所述的差示扫描量热仪恒速升温过程的前馈-反馈复合控制方法，其特征在于：所述当前时刻PID控制器的控制参数为：
其中，kp为当前时刻PID控制器的比例系数，kI为当前时刻PID控制器的积分系数，kd为当前时刻PID控制器的微分系数，kpi为第i(1<i<n)个温度子区间所对应的PID控制器的比例系数，kIi为第i(1<i<n)个温度子区间所对应的PID控制器的积分系数，kdi为第i(1<i<n)个温度子区间所对应的PID控制器的微分系数，kp(i-1)为第i-1个温度子区间所对应的PID控制器的比例系数，kI(i-1)为第i-1个温度子区间所对应的PID控制器的积分系数，kd(i-1)为第i-1个温度子区间所对应的PID控制器的微分系数，α为当前时刻的平滑切换因子，[Tem_li,Tem_hi]为第i(1<i<n)个温度子区间，[Tem_l(i-1),Tem_h(i-1)]为第i-1个温度子区间。
6.根据权利要求1所述的差示扫描量热仪恒速升温过程的前馈-反馈复合控制方法，其特征在于：所述温度控制偏差e(k)为：
e(k)＝r(k)-y(k)
其中，e(k)为温度控制偏差，r(k)为炉内温度设定值，y(k)为炉内温度测量值。
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