CN111141152A - 一种基于广义分布控制算法的炉温控制系统 - Google Patents

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CN111141152A CN201911272233.6A CN201911272233A CN111141152A CN 111141152 A CN111141152 A CN 111141152A CN 201911272233 A CN201911272233 A CN 201911272233A CN 111141152 A CN111141152 A CN 111141152A
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李颖晖
徐浩军
左仁伟
董泽洪
徐文丰
禹志龙
张银君
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Abstract

本发明公开了一种基于广义分布控制算法的炉温控制系统，包括炉体、温度传感器、信号处理电路、上位机、动作控制模块、炉体辅助加热系统和炉体辅助降温系统；所述温度传感器和所述炉体辅助加热系统设置在所述炉体内，且所述温度传感器与所述信号处理电路连接；所述信号处理电路与所述上位机连接；所述上位机与所述动作控制模块连接，所述动作控制模块与所述炉体辅助加热系统以及所述炉体辅助降温系统连接。本发明基于广义分布控制算法进行计算和预测，能提前计算和预测出炉温是否超过阈值提前动作，始终确保炉体温度保持在上下限阈值范围内，确保了锅炉的正常工作，大大提高了使用寿命。

Description

一种基于广义分布控制算法的炉温控制系统
技术领域
本发明涉及炉温控制系统技术领域，具体涉及一种基于广义分布控制算法的炉温控制系统。
背景技术
温度控制定义为对某一特定空间的温度进行控制和调节，使其满足工艺过程的要求；温度控制虽然技术已经较为成熟，但是由于被控对象日益复杂，温度控制系统受加热设备和外界环境温度影响，依然还会暴露出控制精度不高，控制过程过于复杂导致设备造价昂贵的问题。
随着社会的发展，人类需求的不断增长，温度控制系统作为一个常见的控制系统，被广泛应用于日常生活、工业生产和科学实验中；对温度进行精确的控制，不仅影响到工业生产过程的质量，还对试验结果的好坏起着关键作用，特别是在冶金、建材、食品、机械、石油等工业中；同时人们对温度控制的动态性能的需求也越来越高。
现有的炉温控制系统只能对炉体进行监控，人工或电脑对温度超过或低于阈值进行判断，再由人工或电脑进行控制。但这种模式都是事后干预，不能准确预测出温度变化的趋势，实际中一旦当炉温超过阈值或低于阈值时再进行动作已经来不及了。因此，如何能提供一种能根据温度变化趋势，在即将接近阈值时即发生动作的炉温控制系统是本领域技术人员需要提供的技术方案。
而广义分布控制算法是近年来发展较为迅速的一种控制算法，具有算法过程简单、运算量小，预测结果准确的优点，广泛应用于工业控制领域。基于此，如何提供一种基于广义分布控制算法的炉温控制系统是本领域技术人员亟需解决的技术方案。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于广义分布控制算法的炉温控制系统，旨在提高炉温预测的准确性，提高事前干预能力。
作为本发明的一种基于广义分布控制算法的炉温控制系统，包括：炉体、温度传感器、信号处理电路、上位机、动作控制模块、炉体辅助加热系统和炉体辅助降温系统；所述温度传感器和所述炉体辅助加热系统设置在所述炉体内，且所述温度传感器与所述信号处理电路连接，所述温度传感器用于实时监测所述炉体内的温度变化；所述信号处理电路与所述上位机连接，所述信号处理电路用于将所述温度传感器监测的温度信号进行放大、滤波和模数转换，所述上位机用于基于广义分布控制算法计算和预测出所述炉体的温度阈值并发出控制指令信号；所述上位机与所述动作控制模块连接，所述动作控制模块与所述炉体辅助加热系统以及所述炉体辅助降温系统连接，所述上位机将所述控制指令信号通过所述动作控制模块发送至所述炉体辅助加热系统或所述炉体辅助降温系统。
优选地，所述温度传感器为热电偶。
优选地，所述温度传感器设有若干个，其均匀布置在所述炉体内。
优选地，所述信号处理电路包括模拟信号放大电路、模拟信号滤波电路和模数转换电路。
11、优选地，所述上位机(4)用于基于Pareto广义分布控制算法进行计算并按如下进行：当广义Pareto分布作为超过阈值u0超过量的有效近似时，那么对于一个高于或低于阈值u的超过量也服从Pareto分布，且两者(σu、
Figure BDA0002314506310000021
)的形状参数ξ相同，尺度参数有如下的关系：
Figure BDA0002314506310000022
其中，σu、
Figure BDA0002314506310000023
分别为u0和u分布的尺度参数。。
优选地，所述动作控制模块为继电器。
优选地，所述炉体辅助降温系统设置在所述炉体上。
优选地，所述炉体辅助降温系统为空调系统。
优选地，所述上位机根据所述温度传感器监测的温度数据通过Pareto分布理论计算和预测所述炉体温度变化。
优选地，所述炉温控制系统还包括人机交互模块。
优选地，所述炉温控制系统还包括人机交互模块，所述人机交互模块与所述上位机连接。
本发明的有益效果体现在：
(1)本发明所示的炉温控制系统基于广义分布控制算法进行计算和预测，能在炉温超过上限阈值前或炉温低于下限阈值前提前计算和预测出；然后触发动作部件动作，能始终确保炉体温度保持在上下限阈值范围内，确保了锅炉的正常工作，大大提高了使用寿命。
(2)本发明所示炉温控制系统使用的广义分布控制算法具有效率高、计算过程简单和预测效果好的效果，具有广泛的应用前景。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明一实施例所示炉温控制系统的结构示意图；
图2为本发明实施例广义Pareto分布拟合预测的平均生命剩余函数图(图中虚线为95％置信上下限)。
图中：炉体1、温度传感器2、信号处理电路3、上位机4、动作控制模块5、炉体辅助加热系统6、炉体辅助降温系统7、人机交互模块8。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
下面参考图1描述根据本发明实施例的一种基于广义分布控制算法的炉温控制系统。
如图1所示，本发明实施例的一种基于广义分布控制算法的炉温控制系统，包括：炉体1、温度传感器2、信号处理电路3、上位机4、动作控制模块5、炉体辅助加热系统6和炉体辅助降温系统7；所述温度传感器2和所述炉体辅助加热系统6设置在所述炉体1内，且所述温度传感器2与所述信号处理电路3连接，所述温度传感器2用于实时监测所述炉体1内的温度变化；所述信号处理电路3与所述上位机4连接，所述信号处理电路3用于将所述温度传感器2监测的温度信号进行放大、滤波和模数转换，所述上位机4用于基于广义分布控制算法计算和预测出所述炉体1的温度阈值并发出控制指令信号；所述上位机4与所述动作控制模块5连接，所述动作控制模块5与所述炉体辅助加热系统6以及所述炉体辅助降温系统7连接，所述上位机4将所述控制指令信号通过所述动作控制模块5发送至所述炉体辅助加热系统6或所述炉体辅助降温系统7。
进一步地，所述温度传感器2为热电偶，所述温度传感器2设有若干个，其均匀布置在所述炉体1内，所述信号处理电路3包括模拟信号放大电路、模拟信号滤波电路和模数转换电路，所述上位机4为上位机，所述动作控制模块5为继电器，所述炉体辅助降温系统7设置在所述炉体1上，所述炉体辅助降温系统7为空调系统，所述上位机4根据所述温度传感器2监测的温度数据通过Pareto分布理论计算和预测所述炉体1温度变化，所述炉温控制系统还包括人机交互模块8，所述人机交互模块8与所述上位机4连接。
在本发明实施例中，设置的温度传感器2可以实时监测得到炉体1内的温度变化，其将监测到的温度经信号处理电路3处理后传递至上位机4中。其中信号处理电路3主要对温度传感器2记录的模拟信号进行放大、滤波和模数转换，变换成上位机4易于识别的数字信号。而上位机4根据广义Pareto分布理论对其接收的数据进行计算和预测，并根据计算和预测结果来触发动作控制模块5动作，由动作控制模块5来驱动炉体辅助加热系统6或炉体辅助降温系统7动作，进而实现对炉体1温度的准确预测和提前控制。
如，当上位机根据温度传感器2监测的结果判断出炉体1温度上升有超过上限阈值的趋势，其进而触发动作控制模块5动作，来启动炉体辅助降温系统7对炉体1进行降温，将炉体1的温度保持在上限阈值以下；当上位机根据温度传感器2监测的结果判断出炉体1温度下降有超过下限阈值的趋势，其进而触发动作控制模块5动作，来启动炉体辅助加热系统6对炉体1进行加热，将炉体1的温度保持在下限阈值以上，从而能确保炉体1的温度始终保持在合适阈值之间。
下面具体描述本发明实施例中上位机4的工作原理：
本发明实施例的上位机4可以采用广义Pareto分布理论进行计算和预测，具体地，广义Pareto分布理论可以通过平均剩余寿命图法进行具体实施，该方法是选取阈值的常用方法，当广义Pareto分布可以作为超过阈值u0超过量的有效近似时，那么对于一个更高或更低的阈值u的超过量也服从Pareto分布，且两者的形状参数ξ相同，尺度参数有如下的关系：
Figure BDA0002314506310000051
于是有：
Figure BDA0002314506310000052
因此对于u＞u0，e(u)是关于u的线性函数，对于给定的样本X1，X2，...，Xn，则样本平均超出量可以定义为：
Figure BDA0002314506310000061
n表示超出量的个数，对于某个阈值u0，超出量分布近似复兴参数为δu0，ξ的广义Pareto分布，对于大于或小于u0的u，样本平均超出量函数应该在一条直线附近波动，可以定义点集合{(u,E(u))：u＜Xmax}，成为平均剩余生命图(Mean residual life plot)。选择恰当的u0，使得e(u)关于u＞u0近似为线性。
在本发明实施例中，可以根据实测的温度数据，根据上述的平均剩余生命图法阈值阈值的理论来确定阈值，结合附图2可以看出，随着u的变大，置信区间的长度也随之增大，平均剩余值的估计值具有较大的不确定性，这是因为u越大，超过它的温度个数越小，用超越值得到的估计精度变小，综合考虑置信区间的情况和阈值u呈近似线性，具体选何值作为阈值u存在较大的主观性，在这里可以选用参数估计值稳定法的理论进准确预测阈值。
例如，选取阈值u＝455℃，占总数据的比例为11.02％，并由近极大似然估计，得到参数ξ和δu的估计为-0.1869，1.3569，以及参数ξ和δu的近似标准差为0.00342和0.0674。可以得出结论，在u＝455℃时，用广义Pareto分布拟合预测炉体1温度数据的超出量(也就是超过阈值)得到了比较理想的结果。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种基于广义分布控制算法的炉温控制系统，其特征在于，包括：炉体(1)、温度传感器(2)、信号处理电路(3)、上位机(4)、动作控制模块(5)、炉体辅助加热系统(6)和炉体辅助降温系统(7)；所述温度传感器(2)和所述炉体辅助加热系统(6)设置在所述炉体(1)内，且所述温度传感器(2)与所述信号处理电路(3)连接，所述温度传感器(2)用于实时监测所述炉体(1)内的温度变化；所述信号处理电路(3)与所述上位机(4)连接，所述信号处理电路(3)用于将所述温度传感器(2)监测的温度信号进行放大、滤波和模数转换，所述上位机(4)用于基于广义分布控制算法计算和预测出所述炉体(1)的温度阈值并发出控制指令信号；所述上位机(4)与所述动作控制模块(5)连接，所述动作控制模块(5)与所述炉体辅助加热系统(6)以及所述炉体辅助降温系统(7)连接，所述上位机(4)将所述控制指令信号通过所述动作控制模块(5)发送至所述炉体辅助加热系统(6)或所述炉体辅助降温系统(7)。
2.根据权利要求1所述的一种基于广义分布控制算法的炉温控制系统，其特征在于，所述温度传感器(2)为热电偶。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于广义分布控制算法的炉温控制系统，其特征在于，所述温度传感器(2)设有若干个，其均匀布置在所述炉体(1)内。
4.根据权利要求1所述的一种基于广义分布控制算法的炉温控制系统，其特征在于，所述信号处理电路(3)包括模拟信号放大电路、模拟信号滤波电路和模数转换电路，所述温度传感器(2)监测的温度信号依次通过模拟信号滤波电路和模数转换电路送入所述上位机(4)连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于广义分布控制算法的炉温控制系统，其特征在于，所述上位机(4)用于基于Pareto广义分布控制算法进行计算并按如下进行：当广义Pareto分布作为超过阈值u0超过量的有效近似时，那么对于一个高于或低于阈值u的超过量也服从Pareto分布，且两者的形状参数ξ相同，尺度参数有如下的关系：
Figure FDA0002314506300000021
其中，σu、
Figure FDA0002314506300000022
分别为u0和u分布的尺度参数。
6.根据权利要求1所述的一种基于广义分布控制算法的炉温控制系统，其特征在于，所述动作控制模块(5)为继电器。
7.根据权利要求1所述的一种基于广义分布控制算法的炉温控制系统，其特征在于，所述炉体辅助降温系统(7)设置在所述炉体(1)上。
8.根据权利要求1所述的一种基于广义分布控制算法的炉温控制系统，其特征在于，所述炉体辅助降温系统(7)为空调系统。
9.根据权利要求1所述的一种基于广义分布控制算法的炉温控制系统，其特征在于，所述上位机(4)根据所述温度传感器(2)监测的温度数据通过Pareto分布理论计算和预测所述炉体(1)温度变化。
10.根据权利要求1所述的一种基于广义分布控制算法的炉温控制系统，其特征在于，所述炉温控制系统还包括人机交互模块(8)，所述人机交互模块(8)与所述上位机(4)连接。
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