CN109343352B - 一种基于时间最优控制的温度控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种基于时间最优控制的温度控制方法及系统，通过建立被控对象模型，求解最优全功率加热时间以及功率，在所述加热时间内采用全功率加热，再利用所述功率加热，使得温度最快到达设定温度值，在达到设定温度后，切换为PID反馈控制。本公开采用了时间最优控制与闭环PID结合的控制方法，加入了无扰动切换环节。相比于传统温度控制方法和系统，能够使得温度系统实现调节时间短、超调小、抗扰能力强的性能指标。

Description

一种基于时间最优控制的温度控制方法及系统

技术领域

本公开涉及一种基于时间最优控制的温度控制方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

注塑成型是现代塑料制品工业中广泛采用的一种技术，它能够生产出许多复杂的塑料制品。在整个制作过程中，料筒的温度控制是十分重要的，是整个注塑机的电热与传动部分中对精度要求最为苛刻的一个环节，它直接关系到产品的质量优劣。在冷热电联供系统中，温度节点的控制与系统的效率、用户的舒适度也密切相关，对其快速精准控制至关重要。

但是，注塑机的料桶温度控制、冷热电联供系统的温度控制等是一个非线性、不确定、强耦合和大滞后的系统。此类系统当前还缺乏一个有效的控制方法满足该类系统对控制精度、控制时间的要求。

目前，这类系统大都采用改进PID算法，例如积分分离PID、分段PID等。还有一些智能控制器采用了一些自动整定PID参数的方法，如：神经网络PID、模糊PID。但这些方法在参数合适时会有不错的控制效果，但很难保证其性能最优，并且参数调整难度很大。这些方法很难满足此类控制系统的性能指标。例如，公告号CN105108988A的发明专利，公开发明了一种多PID控制模块的同步温度控制算法，虽然能够简化调节参数带来的问题，但是理论上无法保证控制时间最优和超调最小。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种基于时间最优控制的温度控制方法及系统，本公开能够满足温控系统较高的性能要求。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种基于时间最优控制的温度控制方法，建立被控对象模型，求解最优全功率加热时间以及功率，在所述加热时间内采用全功率加热，再利用所述功率加热，使得温度最快到达设定温度值，在达到设定温度后，切换为PID反馈控制。

作为进一步的限定，在全功率加热之后，退出全功率加热状态，使被控对象依靠其自身惯性以及设定功率的加热下达到设定温度。

作为进一步的限定，在求解最优全功率加热时间以及功率的过程中，构建目标函数为系统的整个加热时间最小。

作为进一步的限定，在求解最优全功率加热时间以及功率的过程中，在约束条件下求解，所述约束条件包括被控对象的超调量和稳态误差均满足设定要求。

作为更进一步的限定，所述约束条件还包括求得的全功率加热时间小于等于整个加热时间。

作为更进一步的限定，所述约束条件还包括求得的功率大于等于零。

作为进一步的限定，被控对象模型形式：

式中，K为比例系数；T为时间常数；τ为滞后时间常数；σ为被控系统温度超调量。

一种基于时间最优控制的温度控制系统，包括最优控制环节、PID反馈控制环节、切换机构和执行机构，在所述最优控制环节中，根据被控对象计算最优全功率加热时间以及功率，在所述加热时间内，控制所述执行机构采用全功率对被控对象加热，到达所述时间后，再控制所述执行机构按照所述功率对被控对象加热，使得温度最快到达设定温度值，在达到设定温度后，利用切换机构无扰动切换至PID反馈控制环节。

所述PID反馈控制环节采用闭环PID控制器。

作为进一步的限定，所述PID反馈控制环节为：

式中，u(t)为输出；K_P为比例系数；T_i为积分时间常数；T_d为微分时间常数；e(t)为误差，t为积分环节的积分上限。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开采用了时间最优控制与闭环PID结合的控制方法，加入了无扰动切换环节。相比于传统温度控制方法和系统，能够使得温度系统实现调节时间短、超调小、抗扰能力强的性能指标。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本公开的控制系统原理图；

图2是本公开的温度控制方法流程图；

图3是本公开的PID反馈控制环节示意图；

图4为本公开的温度上升过程示意图；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

本公开的原理框图如图1所示，主要由两大阶段组成。分别是：最优控制阶段、PID控制阶段。最优控制阶段首先采用全功率加热进行加热，然后利用特定功率加热使得温度最快到达设定温度值，且无超调；在达到设定温度时，无扰动切换至PID反馈控制阶段。该方法可使大惯性、强滞后系统能够实现加热时间最短、超调小、抗扰能力强的性能指标。

以下将详细介绍本发明的两个阶段：

最优控制阶段：该阶段是指达到设定温度点前的过程。为了系统在无超调无稳态误差前提下要达到最短加热时间，全功率加热时间越长越好，但是由于温度传热存在较大滞后性，如果加热时间过长将会导致温度超调，因此要精确控制全功率加热的时间。在全功率加热之后，需要退出全功率加热状态，使被控对象依靠其自身惯性达到设定温度。如果立即停止加热机构的输出，会使被控温度有扰动。因此，全功率加热后还需要使加热机构有一段特定功率的输出，以使得被控对象的温度能达到设定值。其中，全功率加热时间和特定功率的取值通过优化方法求取。

所述的最优控制阶段，首先需要建立被控对象的模型，通过优化算法求解系统的最优全功率加热时间T₀(在这段时间内，执行机构全功率输出)以及特定功率p。其中，目标函数、约束条件以及解的形式如下所示：

目标函数：J＝t

约束条件：σ≤C₁；T_∞≤C₂；T₀≤t；p≥0

解的形式：

被控对象模型形式：

式中，K为比例系数；T为时间常数；τ为滞后时间常数；t为系统加热时间(全功率加热时间与特定功率加热时间之和)；σ为被控系统温度超调量；T_∞为系统稳态误差；C₁、C₂为常数。

最优控制阶段的目标是系统整个阶段的加热时间t最短，而约束是要求系统超调量σ和稳态误差T_∞满足一定要求。其最优控制阶段所要得到的解是全功率加热的时间T₀和退出全功率加热后的的特定功率p。

闭环PID阶段：该阶段是指温度达到设定温度之后，将控制策略调整为PID控制。该阶段主要实现抑制环境等因素对被控对象的干扰以及模型不准确带来的影响。

其PID控制器如下式所示：

式中，u(t)为输出；K_P为比例系数；T_i为积分时间常数；T_d为微分时间常数；e(t)为误差。

在整个加热控制过程中，如果直接由最优控制阶段转为闭环PID阶段，控制信号将从零开始，此时被控对象可能会有扰动，为了避免该现象，采用了无扰切换方式对两个阶段平缓过渡。

无扰动切换的实现方式是将积分初值设置为特定功率p。过渡到PID控制器时，控制器不再从零开始输出，而是从当前值开始变化。

具体实施过程中，在控制器设计之前，需要建立被控系统的数学模型，再进行控制器的设计。

如图2所示，本发明温度控制方法包括以下步骤：

(1)实时采集被控对象各部分的温度值，传送至控制器；

(2)温度控制系统在接收到设定温度之后，首先根据预先建立的数学模型和目标函数，通过优化算法求解全功率加热时间T₀和特定功率p；

(3)控制器全功率加热T₀时间，然后，转换成特定功率p加热，到达时间t，理论上，在到达时间t时，温度到达设定温度；

(4)无扰动切换至PID控制阶段。PID控制阶段流程图如图3所示。

通过以上步骤，即可使得被控系统实现调节时间短、超调量小、抗干扰能力强的性能指标。本发明测试结果如图4所示。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于时间最优控制的温度控制方法，其特征是：建立被控对象模型，求解最优全功率加热时间以及功率，在所述加热时间内采用全功率加热，再利用所述功率加热，使得温度最快到达设定温度值，在达到设定温度后，切换为PID反馈控制；

所述的最优控制阶段，首先需要建立被控对象的模型，通过优化算法求解系统的最优全功率加热时间T₀以及特定功率p；其中，目标函数、约束条件以及解的形式如下所示：

目标函数：J＝t

约束条件：σ≤C₁；T_∞≤C₂；T₀≤t；p≥0

解的形式：

被控对象模型形式：

式中，K为比例系数；T为时间常数；τ为滞后时间常数；t为系统加热时间；σ为被控系统温度超调量；T_∞为系统稳态误差；C₁、C₂为常数；

最优控制阶段的目标是系统整个阶段的加热时间t最短，而约束是要求系统超调量σ和稳态误差T_∞满足一定要求；其最优控制阶段所要得到的解是全功率加热的时间T₀和退出全功率加热后的的特定功率p。

2.如权利要求1所述的一种基于时间最优控制的温度控制方法，其特征是：在全功率加热之后，退出全功率加热状态，使被控对象依靠其自身惯性以及设定功率的加热下达到设定温度。

3.如权利要求1所述的一种基于时间最优控制的温度控制方法，其特征是：在求解最优全功率加热时间以及功率的过程中，构建目标函数为系统的整个加热时间最小。

4.如权利要求1所述的一种基于时间最优控制的温度控制方法，其特征是：在求解最优全功率加热时间以及功率的过程中，在约束条件下求解，所述约束条件包括被控对象的超调量和稳态误差均满足设定要求。

5.如权利要求4所述的一种基于时间最优控制的温度控制方法，其特征是：所述约束条件还包括求得的全功率加热时间小于等于整个加热时间。

6.如权利要求4所述的一种基于时间最优控制的温度控制方法，其特征是：所述约束条件还包括求得的功率大于等于零。

7.如权利要求1所述的一种基于时间最优控制的温度控制方法，其特征是：被控对象模型形式：

式中，K为比例系数；T为时间常数；τ为滞后时间常数；σ为被控系统温度超调量。

8.一种基于时间最优控制的温度控制系统，其特征是：包括最优控制环节、PID反馈控制环节、切换机构和执行机构，在所述最优控制环节中，根据被控对象计算最优全功率加热时间以及功率，在所述加热时间内，控制所述执行机构采用全功率对被控对象加热，到达所述时间后，再控制所述执行机构按照所述功率对被控对象加热，使得温度最快到达设定温度值，在达到设定温度后，利用切换机构无扰动切换至PID反馈控制环节；

所述的最优控制阶段，首先需要建立被控对象的模型，通过优化算法求解系统的最优全功率加热时间T₀以及特定功率p；其中，目标函数、约束条件以及解的形式如下所示：

目标函数：J＝t

约束条件：σ≤C₁；T∞≤C₂；T₀≤t；p≥0

解的形式：

被控对象模型形式：

式中，K为比例系数；T为时间常数；τ为滞后时间常数；t为系统加热时间；σ为被控系统温度超调量；T_∞为系统稳态误差；C₁、C₂为常数；

最优控制阶段的目标是系统整个阶段的加热时间t最短，而约束是要求系统超调量σ和稳态误差T_∞满足一定要求；其最优控制阶段所要得到的解是全功率加热的时间T₀和退出全功率加热后的的特定功率p。

9.如权利要求8所述的一种基于时间最优控制的温度控制系统，其特征是：所述PID反馈控制环节采用闭环PID控制器。

10.如权利要求8所述的一种基于时间最优控制的温度控制系统，其特征是：所述PID反馈控制环节为：

式中，u(t)为输出；K_P为比例系数；T_i为积分时间常数；T_d为微分时间常数；e(t)为误差，t为积分环节的积分上限。

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