CN109324646A - 一种小振幅快速温度控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于自动控制领域，具体公开了一种小振幅快速温度控制装置及方法。该方法包括：获取被控对象的实时温度，并记录被控对象的初始温度；响应于初始温度小于相关于目标温度的设定温度，加热被控对象；记录加热过程中的最小温度；以及响应于实时温度大于最小温度与浮动值之和，停止加热被控对象。本发明可以使被控对象的温度快速地接近目标温度，并有效地减小控制过程中的温度超调量。

Description

一种小振幅快速温度控制装置及方法

技术领域

本发明属于自动控制领域，具体涉及一种小振幅快速温度控制装置，以及一种小振幅快速控制温度的方法。

背景技术

在自动控制领域，通常采用PID闭环控制的方式来控制被控对象的温度。在温度控制系统中，控制对象(温度)的数学模型一般可近似为带纯滞后的一阶惯性环节，可用以下公式表示：

式中：Kw为对象增益；L为对象纯滞后时间；T为对象时间常数；S为拉普拉斯变换的复变量。

现有的PID整定方法大都采用位式(On-Off)振荡法，其整定过程如图1所示，被控对象的温度起伏较大，且整定过程也相对较长。

在现有的位式(On-Off)振荡法的整定过程中，为了相对准确地计算出闭环控制的PID参数，必须放弃第一个超调波形，根据第二个完整波形的开关时间Ton和Toff，以及测量值变化的峰-峰值ΔPVpp，才能近似计算出比例度P；再根据计算出的对象纯滞后时间L，才能得出积分时间Ti和微分时间Td。

现有的位式(On-Off)振荡法必须要截取2～3个温度振荡波形，才能相对准确地计算出闭环控制的PID参数。这种方法虽然简单，但是其控制温度的过渡过程存在耗时太长，且温度超调量过大的缺陷。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

为了解决现有的温度控制方法过渡过程太长，且温度超调量过大的技术问题，本发明提供了一种小振幅快速温度控制装置，以及一种小振幅快速控制温度的方法。通过采用本发明提供的上述小振幅快速温度控制装置，或上述小振幅快速控制温度的方法，可以使被控对象的温度快速地接近目标温度，并有效地减小控制过程中的温度超调量。

本发明提供的上述小振幅快速温度控制装置，可以获取被控对象的实时温度，并记录被控对象的初始温度；

响应于上述初始温度小于相关于目标温度的设定温度，加热被控对象；

记录加热过程中的最小温度；以及

响应于实时温度大于上述最小温度与浮动值之和，停止加热被控对象。

优选地，在本发明提供的上述小振幅快速温度控制装置中，上述响应于上述初始温度小于预设的设定温度，加热被控对象，还可以包括：

响应于上述初始温度小于上述设定温度，且大于辅助设定值，加热被控对象，上述辅助设定值小于上述设定温度。

优选地，在本发明提供的上述小振幅快速温度控制装置中，上述温度控制装置还可以记录停止加热后的最大温度；

响应于实时温度小于上述最大温度与上述浮动值之差，判定自整定过程结束；

根据上述停止加热被控对象的时间Lr1、上述停止加热被控对象时间内的温度变化量ΔPV1、上述加热被控对象的时间Lr2，以及上述加热被控对象时间内的温度变化量ΔPV2，计算比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数；以及

根据上述比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数，以及控制偏差，进行PID控制。

可选地，在本发明提供的上述小振幅快速温度控制装置中，上述温度控制装置也可以响应于上述初始温度大于上述设定温度，且实时温度小于上述设定温度，以上述实时温度重新记录上述初始温度。

可选地，在本发明提供的上述小振幅快速温度控制装置中，上述响应于上述初始温度小于预设的设定温度，加热被控对象，还可以包括：

响应于上述初始温度小于辅助设定值，初次加热被控对象，上述辅助设定值小于上述设定温度；

响应于实时温度大于上述辅助设定值与上述浮动值之和，初次停止加热被控对象；

记录初次停止加热后的最大温度；以及

响应于实时温度小于上述最大温度与上述浮动值之差，加热被控对象。

优选地，在本发明提供的上述小振幅快速温度控制装置中，上述温度控制装置还可以响应于实时温度大于上述最小温度与浮动值之和，判定自整定过程结束；

根据上述初次停止加热被控对象的时间Lr1、上述初次停止加热被控对象时间内的温度变化量ΔPV1、上述加热被控对象的时间Lr2，以及上述加热被控对象时间内的温度变化量ΔPV2，计算比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数；以及

根据上述比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数，以及控制偏差，进行PID控制。

可选地，在本发明提供的上述小振幅快速温度控制装置中，上述设定温度的取值可以为被控对象的目标温度与上述浮动值的差。

可选地，在本发明提供的上述小振幅快速温度控制装置中，上述辅助设定值的取值可以为上述设定温度的70％-80％，或比上述设定温度低30-40℃。

可选地，在本发明提供的上述小振幅快速温度控制装置中，上述浮动值可以指示上述小振幅快速控制温度的方法的控制不灵敏范围，上述浮动值的取值可以为上述小振幅快速温度控制装置的控制范围的0.2-0.5％。

优选地，在本发明提供的上述小振幅快速温度控制装置中，上述计算比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数，可以包括：

Pr＝1.2×(ΔPV1+ΔPV2)；Ti＝2×Lr；Td＝0.5×Lr，其中，上述Lr为参考纯滞后时间，Lr＝(Lr1+Lr2)/2。

优选地，在本发明提供的上述小振幅快速温度控制装置中，上述计算比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数，还可以包括：

以修正系数对上述比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数进行修正，上述修正系数的取值正相关于上述测量值的振荡幅度或上述比例度Pr的参数；

上述根据上述比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数，进行PID控制，还可以进一步包括：

根据修正后的比例度、修正后的积分时间和修正后的微分时间的参数，进行PID控制。

根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种小振幅快速控制温度的方法，包括：

获取被控对象的实时温度，并记录被控对象的初始温度；

响应于上述初始温度小于相关于目标温度的设定温度，加热被控对象；

记录加热过程中的最小温度；以及

响应于实时温度大于上述最小温度与浮动值之和，停止加热被控对象。

优选地，在本发明提供的上述小振幅快速控制温度的方法中，上述响应于上述初始温度小于预设的设定温度，加热被控对象，还可以包括：

响应于上述初始温度小于上述设定温度，且大于辅助设定值，加热被控对象，上述辅助设定值小于上述设定温度。

优选地，在本发明提供的上述小振幅快速控制温度的方法中，还可以包括：

记录停止加热后的最大温度；

响应于实时温度小于上述最大温度与上述浮动值之差，判定自整定过程结束；

根据上述停止加热被控对象的时间Lr1、上述停止加热被控对象时间内的温度变化量ΔPV1、上述加热被控对象的时间Lr2，以及上述加热被控对象时间内的温度变化量ΔPV2，计算比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数；以及

根据上述比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数，以及控制偏差E，进行PID控制。

可选地，在本发明提供的上述小振幅快速控制温度的方法中，还可以包括：

响应于上述初始温度大于上述设定温度，且实时温度小于上述设定温度，以上述实时温度重新记录上述初始温度。

可选地，在本发明提供的上述小振幅快速控制温度的方法中，上述响应于上述初始温度小于预设的设定温度，加热被控对象，还可以包括：

响应于上述初始温度小于辅助设定值，初次加热被控对象，上述辅助设定值小于上述设定温度；

响应于实时温度大于上述辅助设定值与上述浮动值之和，初次停止加热被控对象；

记录初次停止加热后的最大温度；以及

响应于实时温度小于上述最大温度与上述浮动值之差，加热被控对象。

优选地，在本发明提供的上述小振幅快速控制温度的方法中，还可以包括：

响应于实时温度大于上述最小温度与浮动值之和，判定自整定过程结束；

根据上述初次停止加热被控对象的时间Lr1、上述初次停止加热被控对象时间内的温度变化量ΔPV1、上述加热被控对象的时间Lr2，以及上述加热被控对象时间内的温度变化量ΔPV2，计算比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数；以及

根据上述比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数，以及控制偏差E，进行PID控制。

可选地，在本发明提供的上述小振幅快速控制温度的方法中，上述设定温度的取值可以为被控对象的目标温度与上述浮动值的差。

可选地，在本发明提供的上述小振幅快速控制温度的方法中，上述辅助设定值的取值为上述设定温度的70％-80％，或比上述设定温度小30-40℃。

可选地，在本发明提供的上述小振幅快速控制温度的方法中，上述浮动值可以指示上述小振幅快速控制温度的方法的控制不灵敏范围，上述浮动值的取值可以为上述小振幅快速控制温度的方法的控制范围的0.2-0.5％。

优选地，在本发明提供的上述小振幅快速控制温度的方法中，上述计算比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数，可以包括：

Pr＝1.2×(ΔPV1+ΔPV2)；Ti＝2×Lr；Td＝0.5×Lr，其中，上述Lr为参考纯滞后时间，Lr＝(Lr1+Lr2)/2。

优选地，在本发明提供的上述小振幅快速控制温度的方法中，上述计算比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数，还可以包括：

以修正系数对上述比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数进行修正，上述修正系数的取值正相关于上述测量值的振荡幅度或上述比例度Pr的参数；

上述根据上述比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数，进行PID控制，还可以进一步包括：

根据修正后的比例度、修正后的积分时间和修正后的微分时间的参数，进行PID控制。

基于以上描述，本发明的有益效果在于：可以使被控对象的温度快速地接近目标温度，并有效地减小控制过程中的温度超调量。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1示出了现有的位式振荡法自整定过程的温度变化示意图。

图2示出了本发明一实施例提供的小振幅快速控制温度方法的流程示意图。

图3示出了本发明一实施例提供的小振幅快速控制温度方法的温度变化示意图。

图4示出了本发明一实施例提供的小振幅快速控制温度方法的温度变化示意图。

图5示出了本发明一实施例提供的小振幅快速控制温度方法的流程示意图。

图6示出了本发明一实施例提供的小振幅快速控制温度方法的温度变化示意图。

图7示出了本发明一实施例提供的自整定PID参数方法的流程示意图。

图8示出了本发明一实施例提供的自整定PID参数方法的流程示意图。

图9示出了本发明一实施例提供的小振幅快速温度控制装置的系统框图。

附图标记：

T0 初始温度；

Tmin 最小温度；

Tmax 最大温度；

SP 设定温度；

SP’ 辅助设定值；

Lr1 停止加热被控对象的时间；

Lr2 加热被控对象的时间；

ΔPV1 停止加热被控对象时间内的温度变化量；

ΔPV2 加热被控对象时间内的温度变化量；

101-104 小振幅快速温度控制方法的步骤；

1022-1025 响应于初始温度加热被控对象的步骤；

1051-1063 自整定PID参数的步骤。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合优选实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

现有的位式(On-Off)振荡法过渡过程耗时太长，且温度超调量过大的缺陷，对一些特定的被控对象和控制场合尤为严重。

例如在与注塑机配套的热流道模具温度控制器中，注塑机连续运行，不断地制造产品。一旦上述温度控制器发生故障需要更换，新的温度控制器必须在模具对象的温度出现明显波动之前，快速整定出与该模具对象相适应的PID参数，以确保注塑机的正常连续运行，从而不出或少出废品。

又例如在保温性能特别好的化纤融化设备中，被控对象的热惯性非常大。一旦化纤融化设备中的温度超过目标温度，就很难再降下来，根本无法采用现有的位式(On-Off)振荡法来进行温度控制。本领域的技术人员只能凭借个人经验来调试PID参数，其整定时间长，且温度控制效果差。

为了解决现有的温度控制方法过渡过程太长，且温度超调量过大的技术问题，本发明提供了一种小振幅快速温度控制装置的实施例，以及一种小振幅快速控制温度的方法的实施例。通过采用本发明提供的上述小振幅快速温度控制装置，或上述小振幅快速控制温度的方法，可以使被控对象的温度快速地接近目标温度，并有效地减小控制过程中的温度超调量。

如图2所示，本实施例提供的上述小振幅快速控制温度的方法，可以包括步骤：

101：获取被控对象的实时温度，并记录被控对象的初始温度T0；

102：响应于上述初始温度T0小于相关于目标温度的设定温度SP，加热被控对象；

103：记录上述加热过程中出现的最小温度Tmin；以及

104：响应于实时温度大于上述最小温度Tmin与浮动值之和，停止加热被控对象。

在本实施例提供的上述小振幅快速控制温度的方法中，上述被控对象指示需要进行温度控制的对象，例如：上述与注塑机配套的热流道模具温度控制器；上述保温性能特别好的化纤融化设备，以及其他温度控制器的恒温室等。

上述实时温度，指示上述被控对象在控制温度的过程中出现的温度变化情况。上述实时温度可以随时间的推移而不断变化，因此需要进行实时获取。

上述初始温度T0，指示被控对象在上述控制温度的方法开始时的具体温度。上述初始温度T0可以作为本实施例中选择具体温度控制模式的判断依据，可以通过记录上述温度控制开始时的实时温度来获得。

上述目标温度，指示上述控制温度的方法需要使上述被控对象达到的温度。上述目标温度可以作为后续闭环PID控制的温度标准，可以通过技术人员的手动输入来获得。

上述设定温度SP，指示上述控制温度的方法是否需要加热被控对象的温度标准。上述设定温度SP的取值相关于上述目标温度，可以直接以上述目标温度作为上述设定温度；也可以将比上述目标温度低一个浮动值的温度作为上述设定温度。

上述最小温度Tmin，指示被控对象在上述步骤102的加热过程中出现的最小温度。如背景技术中所述，被控对象的温度数学模型一般可近似为带纯滞后的一阶惯性环节。因此，在上述步骤102开始加热被控对象后，被控对象的温度并不是直接上升的，而是会先下降一段时间后才逐渐上升，从而产生一个温度的最低点，即上述最小温度Tmin。上述最小温度Tmin可以作为本实施例提供的小振幅快速控制温度的方法的一个浮动控制点，用作控制停止加热被控对象的依据。

上述浮动值，指示一个温度小量，主要用于在上述浮动控制点的基础上，逐步缩小上述控制温度的方法中温度变化的范围，从而有效减小控制过程中的温度超调量。上述浮动值的取值可以进一步指示上述温度控制方法的控制不灵敏范围，优选为上述温度控制方法的控制范围的0.2-0.5％。

本领域的技术人员可以理解，相比于现有的位式振荡法仅根据一个固定的目标温度，对被控对象进行加热或停止加热的简单控制，本实施例提供的上述小振幅快速控制温度的方法，能够以上述浮动控制点为依据，对被控对象进行加热或停止加热的控制，从而实现快速控制被控对象的温度接近目标温度，并有效地减小控制过程中的温度超调量的目的。

为了进一步加快上述控制温度方法的控制过程，并减小上述温度控制过程中的温度超调量，本发明还提供了另一种小振幅快速控制温度的方法的实施例。

本实施例提供的上述小振幅快速控制温度的方法，可以通过进一步引入辅助设定值SP’的方式，根据被控对象的初始温度T0对被控对象进行分区控制。

上述辅助设定值SP’的取值取决于上述设定温度SP，可以是上述设定温度SP的70％-80％；也可以比上述设定温度SP低30-40℃。

相应地，上述步骤102加热被控对象的响应范围也可以进一步限定为：

1021：响应于上述初始温度T0小于上述设定温度SP，且大于上述辅助设定值SP’，加热被控对象。

在本实施例提供的上述小振幅快速控制温度的方法中，上述被控对象实时温度的变化情况绘示于图3。

如图3所示，在上述小振幅快速控制温度的方法中，响应于被控对象的上述初始温度T0小于上述设定温度SP，且大于上述辅助设定值SP’，可以直接加热被控对象。由于该被控对象的温度可近似为带纯滞后的一阶惯性环节，实时温度并不会随上述加热的开始而直接上升，而是会先下降一段时间后才逐渐上升，因此会产生一个温度的最低点，即上述最小温度Tmin。

在上述小振幅快速控制温度的方法中，可以将上述最小温度Tmin作为浮动控制点，响应于被控对象的实时温度大于上述最小温度Tmin与浮动值(例如：2℃)之和，即响应于被控对象的实时温度比上述最小温度Tmin高2℃，停止加热被控对象。由于该被控对象的温度可近似为带纯滞后的一阶惯性环节，实时温度会继续上升一段时间后才逐渐下降，从而产生一个温度的最高点，即最大温度Tmax。

如图3所示，当被控对象自然冷却，实时温度从上述最大温度Tmax下降2℃左右时，被控对象的温度接近上述目标温度。因此，可以认为上述小振幅快速控制温度的方法，实现了将被控对象的温度控制到目标温度的目的。

通过对比图1和图3可知，本实施例提供的上述小振幅快速控制温度的方法能够有效加快控制温度的过程，并有效地减小控制过程中的温度超调量。

相应于上述实施例提供的小振幅快速控制温度的方法，若被控对象的初始温度T0大于上述设定温度SP，可以让被控对象自然冷却，直到其实时温度下降到小于上述设定温度SP的范围内，再实施上述控制温度的方法。

在上述小振幅快速控制温度的方法中，上述被控对象实时温度的变化情况绘示于图4。如图4所示，在上述小振幅快速控制温度的方法中，响应于上述初始温度T0大于上述设定温度SP，不对被控对象进行加热。被控对象的实时温度随其自然冷却而逐渐下降。

当被控对象的实时温度下降到小于上述设定温度SP的瞬间，上述初始温度T0大于设定温度SP，且实时温度小于设定温度SP的条件被同时满足，因此，可以将此时的实时温度重新记录为新的初始温度T0。

由于在上述重新记录新的初始温度T0的步骤后，初始温度T0将小于上述设定温度SP，因此，即使被控对象的实时温度继续下降，也不会再重复触发上述重新记录初始温度T0的步骤。

响应于被控对象的上述初始温度T0小于上述设定温度SP，且大于上述辅助设定值SP’，可以按照上述实施例提供的上述小振幅快速控制温度的方法，将被控对象的温度控制到目标温度。

通过对比图1和图4可知，本实施例提供的上述小振幅快速控制温度的方法也能够有效加快控制温度的过程，并有效地减小控制过程中的温度超调量。

相应于上述实施例提供的小振幅快速控制温度的方法，若上述初始温度T0小于上述辅助设定值SP’，即被控对象的初始温度T0远低于上述控制温度方法的目标温度，可以进一步通过分两次加热被控对象的方式，以实现将被控对象的温度控制到目标温度的目的。

相应地，如图5所示，上述步骤102加热被控对象的响应范围和方法也可以进一步限定为：。

1022：响应于上述初始温度T0小于上述辅助设定值SP’，初次加热被控对象；

1023：响应于实时温度大于上述辅助设定值SP’与上述浮动值之和，初次停止加热被控对象；

1024：记录初次停止加热后的最大温度Tmax；以及

1025：响应于实时温度小于上述最大温度Tmax与所述浮动值之差，加热被控对象。

在图5所示的上述小振幅快速控制温度的方法中，上述被控对象实时温度的变化情况绘示于图6。

如图6所示，在上述小振幅快速控制温度的方法中，响应于被控对象的上述初始温度T0小于上述辅助设定值SP’，可以对被控对象进行初次加热。

在上述小振幅快速控制温度的方法中，可以将上述辅助设定值SP’作为第一个浮动控制点，响应于被控对象的实时温度上升到比上述辅助设定值SP’高2℃，初次停止加热被控对象。在上述初次停止加热被控对象后的自然冷却过程中，由于该被控对象的温度可近似为带纯滞后的一阶惯性环节，实时温度会继续上升一段时间后才逐渐下降，从而产生一个温度的最高点，即最大温度Tmax。

在上述小振幅快速控制温度的方法中，可以再将上述最大温度Tmax作为第二个浮动控制点，响应于实时温度下降到比上述最大温度Tmax低2℃，加热被控对象。在上述加热被控对象的过程中，由于该被控对象的温度可近似为带纯滞后的一阶惯性环节，实时温度并不会随上述加热的开始而直接上升，而是会先下降一段时间后才逐渐上升，因此会产生一个温度的最低点，即上述最小温度Tmin。

在上述小振幅快速控制温度的方法中，还可以再将上述最小温度Tmin作为第三个浮动控制点，响应于实时温度比上述最小温度Tmin高2℃，停止加热被控对象。

如图6所示，停止加热被控对象后，该被控对象的实时温度仍会继续上升一段时间以接近上述目标温度。因此，可以认为上述小振幅快速控制温度的方法，实现了将被控对象的温度控制到目标温度的目的。

通过对比图1和图6可知，由于本实施例提供的上述小振幅快速控制温度的方法，对其加热被控对象和自然冷却过程中的温度变化量的目标值小于现有的位式振荡法，上述控制温度的方法所需的加热时间和自然冷却时间也会小于现有的位式振荡法。因此，即使是在被控对象的初始温度T0远低于目标温度的情况下，本实施例提供的上述小振幅快速控制温度的方法，仍能够通过上述分两次加热被控对象的方式，快速地将被控对象的温度控制到目标温度，并有效地减小控制过程中的温度超调量。

本领域的技术人员可以理解，将上述小振幅快速控制温度的方法，根据被控对象的初始温度T0的取值而分为三种不同的具体控制方式，只是本实施例的一种优选方案。

该优选方案的主要目的在于进一步优化控制效果，从而在被控对象的初始温度T0高于上述设定温度SP时，尽可能地减少温度超调量；在被控对象的初始温度T0略低于上述设定温度SP时，尽可能地简化控制步骤，以加快控制过程；以及在被控对象的初始温度T0远低于上述设定温度SP时，尽可能快地将被控对象的温度准确地控制到目标温度，并减小控制过程中的温度超调量。

在其他实施例中，本领域的技术人员即使不将上述小振幅快速控制温度的方法进行分区控制，也能快速地将被控对象的温度控制到目标温度，并有效地减小控制过程中的温度超调量。

相应地，本领域的技术人员还能够以其他参数为判据，基于本实施例提出的上述小振幅快速控制温度的方法的构思，将其改变为其他的具体控制方式，从而实现将被控对象的温度控制到目标温度，并有效地减小控制过程中的温度超调量的目的。

本领域的技术人员还可以理解，在上述三种具体的分区控制方法中，以2℃为上述浮动值，只是本实施例的一种具体案例。在其他实施例中，本领域的技术人员还可以根据上述温度控制方法的控制不灵敏范围，选取任意一个温度小量(例如：0.5℃、1℃、3℃、4℃、5℃等)来实现上述浮动功能；或进一步根据上述温度控制方法的总控制范围的0.2-0.5％来选取任意一个温度小量，以作为上述浮动值。

基于以上描述，本发明的上述实施例提供的上述小振幅快速控制温度的方法，可以使被控对象的温度快速地接近目标温度，并有效地减小控制过程中的温度超调量。因此，上述控制温度的方法可以被进一步地应用到以上述与注塑机配套的热流道模具温度控制器，以及上述保温性能特别好的化纤融化设备为例的特殊场景中，以进一步解决现有的位式振荡法无法实现其温度控制的问题。

为了进一步提升上述小振幅快速控制温度的方法对被控对象温度的控制精度，本发明还可以在上述分区控制的实施例的基础上，根据控制过程中的滞后时间Lr，以及对应时间内的温度变化量ΔPV，进一步计算PID参数，从而实现闭环PID控制的功能。

为了获取更准确的PID参数，上述带有PID自整定功能的小振幅快速控制温度的方法，可以在上述分区控制的实施例的基础上进行。

如图2-图4和图7所示，响应于被控对象的上述初始温度T0大于上述辅助设定值SP’，可以在相应的步骤104之后进一步执行以下步骤：

1051：记录停止加热后的最大温度Tmax；

1052：响应于实时温度比上述最大温度Tmax低2℃，判定自整定过程结束；

1053：根据上述停止加热被控对象的时间Lr1、上述停止加热被控对象时间内的温度变化量ΔPV1、上述加热被控对象的时间Lr2，以及上述加热被控对象时间内的温度变化量ΔPV2，计算比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数；以及

1054：根据上述比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数，以及控制偏差E，进行PID控制。

在上述小振幅快速控制温度的方法中，可以将上述最大温度Tmax作为另一个浮动控制点，用于判定上述自整定过程的结束。

上述比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数，可以通过以下PID参数计算公式获得：

Pr＝1.2×(ΔPV1+ΔPV2)；Ti＝2×Lr；Td＝0.5×Lr

式中，上述Lr为参考纯滞后时间，其具体取值为Lr＝(Lr1+Lr2)/2。

上述控制偏差E，指示在上述PID控制的过程中，被控对象的实时温度与上述目标温度的差值。上述控制偏差E，用于为上述PID控制是否需要加热被控对象，以及应当以多大的功率加热被控对象提供依据。

相应地，如图5、图6和图8所示，响应于被控对象的上述初始温度T0小于上述辅助设定值SP’，可以在相应的步骤104之后进一步执行以下步骤：

1061：响应于实时温度比上述最小温度Tmin高2℃，判定自整定过程结束；

1062：根据上述初次停止加热被控对象的时间Lr1、上述初次停止加热被控对象时间内的温度变化量ΔPV1、上述加热被控对象的时间Lr2，以及上述加热被控对象时间内的温度变化量ΔPV2，计算比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数；以及

1063：根据上述比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数，以及控制偏差，进行PID控制。

在上述小振幅快速控制温度的方法中，可以再将上述最小温度Tmin作为第三个浮动控制点，，用于判定上述自整定过程的结束。

上述比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数，可以通过上述PID参数计算公式获得。

本领域的技术人员可以理解，上述两种自整定PID参数的方法，只是本实施例提供的相应于上述分区控制的两种具体方案。在其他实施例中，即使不采用上述PID控制，也能解决将被控对象的温度快速地控制到目标温度，并有效地减小控制过程中的温度超调量的技术问题。本领域的技术人员还可以基于本发明的构思，提供相应于不同具体控制方案的PID参数计算方案，以获取相应的PID参数，进行PID控制。

通过进一步的对比可以发现，采用上述小振幅快速控制温度的方法获得的PID参数，与真正带纯滞后的一阶惯性环节的数学模型存在一定的误差。当上述自整定PID参数的方法得出的比例度参数Pr越大，上述比例度Pr就会越明显地小于传统的PID整定方法得出的比例度P。相应的，上述自整定PID参数的方法得出的参考纯滞后时间Lr也会越明显地小于传统的PID整定方法得出的纯滞后时间L。

为了进一步地消除上述误差，以提升上述小振幅快速控制温度的方法对被控对象温度的控制精度，本发明还提供了一种带有修正上述PID参数误差功能的上述小振幅快速控制温度的方法的实施例。

在本实施例提供的上述小振幅快速控制温度的方法中，可以通过统计各种不同被控对象的控制数据的方式，以获得一个修正系数K，从而对上述比例度Pr、上述积分时间Ti和上述微分时间Td进行趋势修正。上述修正系数K的取值随上述比例度Pr的增大而增大，其具体取值可以如表一所示。

表一

Pr	K	P	Ti	Td
					Pr≤10℃	1	Pr	2×Lr	0.5×Lr
10＜Pr≤15	1.1	1.1×Pr	2×1.1×Lr	0.5×1.1×Lr
					15＜Pr≤25	1.2	1.2×Pr	2×1.2×Lr	0.5×1.2×Lr
25＜Pr≤40	1.3	1.3×Pr	2×1.3×Lr	0.5×1.3×Lr
					40＜Pr≤60	1.4	1.4×Pr	2×1.4×Lr	0.5×1.4×Lr
60＜Pr≤85	1.5	1.5×Pr	2×1.5×Lr	0.5×1.5×Lr
					85＜Pr≤115	1.6	1.6×Pr	2×1.6×Lr	0.5×1.6×Lr
Pr＞115	1.7	1.7×Pr	2×1.7×Lr	0.5×1.7×Lr

根据上述修正系数K，可以按照以下修正公式，分别修正上述比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数：

P＝K×Pr；Ti＝K×Lr；Td＝K×Lr

相应地，在本实施例提供的上述带有修正PID参数误差功能的小振幅快速控制温度的方法中，上述PID控制也应当以修正后的比例度参数、修正后的积分时间参数和修正后的微分时间参数来进行。

本领域的技术人员可以理解，上述修正PID参数的方案，只是本实施例提供的一种优选方案，其主要目的在于进一步提升PID控制过程的温度控制精度。在其他实施例中，即使不进行上述修正PID参数的步骤，也可以根据计算获得的上述比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数，以及控制偏差E，进行PID控制。本领域的技术人员还可以基于本发明的构思，相应于其他PID参数计算方案，获取不同的修正系数K，以对上述比例度Pr、上述积分时间Ti和上述微分时间Td进行修正。

根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种小振幅快速温度控制装置的实施例，该温度控制装置的系统框图如图9所示。

如图9所示，本实施例提供的上述小振幅快速温度控制装置，可以采用温度设定模块来设置目标温度或设定温度SP，并采用减法器来获取传感器采集到的被控对象的实时温度与上述目标温度的控制偏差E。

上述小振幅快速温度控制装置还可以采用两个比较器，将上述温度控制装置的温度控制范围，根据上述设定温度SP和上述辅助设定值SP’划分为三个温度区间，并通过相应的控制信号触发三个控制模块中相应的一个，以执行相应的温度控制方法。

上述三个控制模块可以响应于相应的触发信号，以执行上述实施例提供的上述三种分区控制温度的方法，从而向执行模块输出相应的控制信号，并计算出相应的比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数。

上述比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数，可以先被发送到一个修正系数计算模块，以进行PID参数修正系数K的计算步骤。上述计算获得的修正系数K、上述比例度Pr、上述积分时间Ti和上述微分时间Td的参数，可以一起被发送到PID参数计算模块，用以计算修正后的PID参数。

响应于完成上述修正后的PID参数的计算，上述PID参数计算模块可以将修正后的PID参数发送到PID控制模块，并控制输出切换开关切换输出模式。上述PID控制模块可以根据上述修正后的PID参数，以及上述控制偏差E，进行PID控制。

本领域的技术人员可以理解，相比于现有的位式振荡法仅根据一个固定的目标温度进行加热或停止加热的简单控制，本实施例提供的上述小振幅快速温度控制装置具有可以产生浮动控制点的控制模块。该温度控制装置能够以浮动控制点为依据，对被控对象进行加热或停止加热的控制，从而实现快速控制被控对象的温度接近目标温度，并有效地减小控制过程中的温度超调量的目的。

本领域的技术人员还可以理解，上述传感器只是获取被控对象实时温度的一种具体手段，并不是上述温度控制装置中必须的一部分。

上述减法器，只是用于产生上述控制偏差E的部件，用以进行后续的PID控制。在不需要进行PID控制的温度控制装置中，也可以不需要上述减法器。

相应的，在不需要进行PID控制的温度控制装置中，即使不设置上述修正系数计算模块、上述PID参数计算模块、上述PID控制模块，以及上述输出切换开关，也能实现快速控制被控对象的温度接近目标温度，并有效地减小控制过程中的温度超调量的目的。

上述两个比较器和上述三个控制模块，只是本实施例提供的一个优选方案，用于根据被控对象的初始温度T0进行分区控制。在其他实施例中，即使只采用一个上述控制模块及其内置的比较单元，也能实现基础的快速控制被控对象的温度接近目标温度，并有效地减小控制过程中的温度超调量的目的。

上述执行单元，用于加热被控对象，可以是电热丝、热风枪等各种本领域常见的温度控制装置。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (22)

1.一种小振幅快速温度控制装置，其特征在于，所述温度控制装置获取被控对象的实时温度，并记录被控对象的初始温度；

响应于所述初始温度小于相关于目标温度的设定温度，加热被控对象；

记录加热过程中的最小温度；以及

响应于实时温度大于所述最小温度与浮动值之和，停止加热被控对象。

2.如权利要求1所述的小振幅快速温度控制装置，其特征在于，所述响应于所述初始温度小于预设的设定温度，加热被控对象，还包括：

响应于所述初始温度小于所述设定温度，且大于辅助设定值，加热被控对象，所述辅助设定值小于所述设定温度。

3.如权利要求2所述的小振幅快速温度控制装置，其特征在于，所述温度控制装置还记录停止加热后的最大温度；

响应于实时温度小于所述最大温度与所述浮动值之差，判定自整定过程结束；

根据所述停止加热被控对象的时间Lr1、所述停止加热被控对象时间内的温度变化量ΔPV1、所述加热被控对象的时间Lr2，以及所述加热被控对象时间内的温度变化量ΔPV2，计算比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数；以及

根据所述比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数，以及控制偏差，进行PID控制。

4.如权利要求1所述的小振幅快速温度控制装置，其特征在于，所述温度控制装置响应于所述初始温度大于所述设定温度，且实时温度小于所述设定温度，以所述实时温度重新记录所述初始温度。

5.如权利要求1所述的小振幅快速温度控制装置，其特征在于，所述响应于所述初始温度小于预设的设定温度，加热被控对象，还包括：

响应于所述初始温度小于辅助设定值，初次加热被控对象，所述辅助设定值小于所述设定温度；

响应于实时温度大于所述辅助设定值与所述浮动值之和，初次停止加热被控对象；

记录初次停止加热后的最大温度；以及

响应于实时温度小于所述最大温度与所述浮动值之差，加热被控对象。

6.如权利要求5所述的小振幅快速温度控制装置，其特征在于，所述温度控制装置还响应于实时温度大于所述最小温度与浮动值之和，判定自整定过程结束；

根据所述初次停止加热被控对象的时间Lr1、所述初次停止加热被控对象时间内的温度变化量ΔPV1、所述加热被控对象的时间Lr2，以及所述加热被控对象时间内的温度变化量ΔPV2，计算比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数；以及

根据所述比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数，以及控制偏差，进行PID控制。

7.如权利要求1-6中任一项所述的小振幅快速温度控制装置，其特征在于，所述设定温度的取值为被控对象的目标温度与所述浮动值的差。

8.如权利要求1-6中任一项所述的小振幅快速温度控制装置，其特征在于，所述辅助设定值的取值为所述设定温度的70％-80％，或比所述设定温度低30-40℃。

9.如权利要求1-6中任一项所述的小振幅快速温度控制装置，其特征在于，所述浮动值指示所述小振幅快速控制温度的方法的控制不灵敏范围，所述浮动值的取值为所述小振幅快速温度控制装置的控制范围的0.2-0.5％。

10.如权利要求3或6所述的小振幅快速温度控制装置，其特征在于，所述计算比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数，包括：

Pr＝1.2×(ΔPV1+ΔPV2)；Ti＝2×Lr；Td＝0.5×Lr，其中，所述Lr为参考纯滞后时间，Lr＝(Lr1+Lr2)/2。

11.如权利要求10所述的小振幅快速温度控制装置，其特征在于，所述计算比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数，还包括：

以修正系数对所述比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数进行修正，所述修正系数的取值正相关于所述测量值的振荡幅度或所述比例度Pr的参数；

所述根据所述比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数，进行PID控制，进一步包括：

根据修正后的比例度、修正后的积分时间和修正后的微分时间的参数，进行PID控制。

12.一种小振幅快速控制温度的方法，其特征在于，包括：

获取被控对象的实时温度，并记录被控对象的初始温度；

响应于所述初始温度小于相关于目标温度的设定温度，加热被控对象；

记录加热过程中的最小温度；以及

响应于实时温度大于所述最小温度与浮动值之和，停止加热被控对象。

13.如权利要求12所述的小振幅快速控制温度的方法，其特征在于，所述响应于所述初始温度小于预设的设定温度，加热被控对象，还包括：

响应于所述初始温度小于所述设定温度，且大于辅助设定值，加热被控对象，所述辅助设定值小于所述设定温度。

14.如权利要求13所述的小振幅快速控制温度的方法，其特征在于，还包括：

记录停止加热后的最大温度；

响应于实时温度小于所述最大温度与所述浮动值之差，判定自整定过程结束；

根据所述停止加热被控对象的时间Lr1、所述停止加热被控对象时间内的温度变化量ΔPV1、所述加热被控对象的时间Lr2，以及所述加热被控对象时间内的温度变化量ΔPV2，计算比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数；以及

根据所述比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数，以及控制偏差，进行PID控制。

15.如权利要求12所述的小振幅快速控制温度的方法，其特征在于，还包括：

响应于所述初始温度大于所述设定温度，且实时温度小于所述设定温度，以所述实时温度重新记录所述初始温度。

16.如权利要求12所述的小振幅快速控制温度的方法，其特征在于，所述响应于所述初始温度小于预设的设定温度，加热被控对象，还包括：

响应于所述初始温度小于辅助设定值，初次加热被控对象，所述辅助设定值小于所述设定温度；

响应于实时温度大于所述辅助设定值与所述浮动值之和，初次停止加热被控对象；

记录初次停止加热后的最大温度；以及

响应于实时温度小于所述最大温度与所述浮动值之差，加热被控对象。

17.如权利要求16所述的小振幅快速控制温度的方法，其特征在于，还包括：

响应于实时温度大于所述最小温度与浮动值之和，判定自整定过程结束；

根据所述初次停止加热被控对象的时间Lr1、所述初次停止加热被控对象时间内的温度变化量ΔPV1、所述加热被控对象的时间Lr2，以及所述加热被控对象时间内的温度变化量ΔPV2，计算比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数；以及

根据所述比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数，以及控制偏差，进行PID控制。

18.如权利要求12-17中任一项所述的小振幅快速控制温度的方法，其特征在于，所述设定温度的取值为被控对象的目标温度与所述浮动值的差。

19.如权利要求12-17中任一项所述的小振幅快速控制温度的方法，其特征在于，所述辅助设定值的取值为所述设定温度的70％-80％，或比所述设定温度低30-40℃。

20.如权利要求12-17中任一项所述的小振幅快速控制温度的方法，其特征在于，所述浮动值指示所述小振幅快速控制温度的方法的控制不灵敏范围，所述浮动值的取值为所述小振幅快速控制温度的方法的控制范围的0.2-0.5％。

21.如权利要求14或17所述的小振幅快速控制温度的方法，其特征在于，所述计算比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数，包括：

Pr＝1.2×(ΔPV1+ΔPV2)；Ti＝2×Lr；Td＝0.5×Lr，其中，所述Lr为参考纯滞后时间，Lr＝(Lr1+Lr2)/2。

22.如权利要求21所述的小振幅快速控制温度的方法，其特征在于，所述计算比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数，还包括：

以修正系数对所述比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数进行修正，所述修正系数的取值正相关于所述测量值的振荡幅度或所述比例度Pr的参数；

所述根据所述比例度Pr、积分时间Ti和微分时间Td的参数，进行PID控制，进一步包括：

根据修正后的比例度、修正后的积分时间和修正后的微分时间的参数，进行PID控制。