CN111610714A - 一种dcs对电加热器的线性控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种DCS对电加热器的线性控制方法。为了克服现有技术对电加热器的控制具有大时滞性，难以达到预期的控制效果的问题；本发明包括以下步骤：S1：温度传感器采集现场的温度，将采集到的温度信息传输到PID控制模块；S2：PID控制模块经过PID控制运算后输出操纵变量MV；操纵变量MV作为输入值输入给FUNC‑VAR函数模块；FUNC‑VAR函数模块运算后输出一个与输入呈线性的控制量；S3：FUNC‑VAR输出的控制量控制电加热器开度，进行加热工作。通过在PID环节后增加FUNC‑VAR函数模块，使得PID操作变量MV的变化速率适应理论的操作变量MV‑电加热器开度曲线变化，使得控制具有更好的线性控制精度，控制更加可靠，解决了电加热器的时滞性问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种电加热器控制领域，尤其涉及一种DCS对电加热器的线性控制方法。
背景技术
电加热器是将电能转换为热能的过程。是工业生产中很常见的一类设备，由于其一般带有大时滞、非线性难以建立精确的数学模型等特点，在实际生产中采用传统的PID控制策略常常难以得到期望的控制效果。
例如，一种在中国专利文献上公开的“基于PID控制的电加热炉智能温度控制系统设计方法”，其公告号CN109634319A，包括PID控制器设计：控制系统采用智能控制算法，即PID控制算法，通过对于设定温度和实际温度的差值的比例，微分，积分三者结合得到的算法结果来控制执行机构的执行状态，从而可以让控制系统中的控制时间，超调量，滞后反应以及最后的稳定程度都能有较明显的改善。该方法在实际生产中无法解决大时滞性带来的问题，难以达到预期的控制效果。
发明内容
本发明主要解决现有技术对电加热器的控制具有大时滞性，难以达到预期的控制效果的问题；提供一种DCS对电加热器的线性控制方法，线性控制电加热器，解决其大时滞性带来的控制影响。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
本发明包括以下步骤：
S1：温度传感器采集现场的温度，将采集到的温度信息传输到PID控制模块；
S2：PID控制模块经过PID控制运算后输出操纵变量MV；操纵变量MV作为输入值输入给FUNC-VAR函数模块；FUNC-VAR函数模块运算后输出一个与输入呈线性的控制量；
S3：FUNC-VAR输出的控制量控制电加热器开度，进行加热工作。
一般采用的PID控制电加热器，其电加热器开度-热量曲线在起始段与末尾段变化缓慢，而在中间段相对于首尾两端来说变化速率快。由于PID参数中的P是无法调节的，所以其变化速率无法统一，电加热器不好控制。在PID输出后经过FUNC-VAR函数运算，FUNC-VAR函数的输出与输入呈线性关系，根据PID的输出改变调节速率，贴合开度与热量变化的固有规律，调节更加可靠，解决电加热器的时滞性问题。
作为优选，所述的FUNC-VAR函数模块中的运算函数为至多七段的线性函数组合，线性函数为f(x)＝ax+b；其中，a、b为常数。FUNC-VAR函数模块为多段线性函数的组合，通过FUNC-VAR函数模块调整PID模块输出的变化速率，贴合电加热器开度-热量的变化曲线，使得调节更加可靠，解决电加热器的时滞性问题。
作为优选，所述的FUNC-VAR函数模块中的控制函数通过以下步骤确定：
A1：将DCS电加热器的原始开度等分20份；
A2：根据热量与角度关系的公式得到DCS的电加热器原始开度与热量的关系以及电加热器原始开度与PID的操纵变量MV的关系；公式为：
其中，W为热量，c为常数；
A3：根据电加热器原始开度与PID的操纵变量MV的关系，以PID的操纵变量MV为X轴，以电加热器的原始开度为Y轴绘制曲线图，分析确定参数点；
A4：根据参数点确定FUNC-AVR函数模块中的线性函数。
通过数据计算分析得到一个相对精确的数学模型，确定线性关系，使得调节更加精确。
作为优选，所述的参数点在曲线斜率大处分布密集。
曲线斜率大说明变化速度快，需要更多的参数点拟合，保证控制的精确和可靠性，解决了电加热器的时滞性问题。
作为优选，所述的FUNC-VAR函数模块中参数点选取如下表所示：
| X轴 | Y轴 |
| 0 | 0 |
| 0.645 | 10 |
| 2.12 | 15 |
| 14.9 | 30 |
| 85.1 | 70 |
| 97.9 | 85 |
| 99.35 | 90 |
| 100 | 100 |
相邻的两个参数点之间构成一个线性函数。
通过FUNC-VAR函数模块调整PID模块输出的变化速率，贴合电加热器开度-热量的变化曲线，使得调节更加可靠，解决电加热器的时滞性问题。
作为优选，所述的电加热器的加热对象为液体。液体多为加热的对象，以液体为对象建模，其建立的FUNC-VAR函数更具有普适性。
本发明的有益效果是：本发明通过在PID环节后增加FUNC-VAR函数模块，使得PID操作变量MV的变化速率适应理论的操作变量MV-电加热器开度曲线变化，使得控制具有更好的线性控制精度，控制更加可靠，解决了电加热器的时滞性问题。
附图说明
图1是本发明的一种控制方法流程图。
图2是本发明的原始开度-热量曲线图。
图3是本发明的操作变量MV-电加热器开度曲线图。
图4是本发明FUNC-VAR函数模块线性函数拟合图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
一种DCS对电加热器的线性控制方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：温度传感器采集现场的温度，将采集到的温度信息传输到PID控制模块。
在本实施例中，电加热器的加热对象为液体。液体多为加热的对象，以液体为对象建模，其建立的模型更具有普适性。
S2：PID控制模块经过PID控制运算后输出操纵变量MV。
操纵变量MV作为输入值输入给FUNC-VAR函数模块，FUNC-VAR函数模块运算后输出一个与输入呈线性的控制量。
FUNC-VAR函数模块中的运算函数为至多七段的线性函数组合，线性函数为f(x)＝ax+b；其中，a、b为常数。
FUNC-VAR函数模块中的控制函数通过以下步骤确定：
A1：将DCS电加热器的原始开度等分20份。
DCS对于温度的反馈控制，一般都采用PID控制模型。
故此先把DCS的原始开度输出0-100每隔5个开度分成20份，由于电加热器采用的是220V交流电，我国的交流电都是正弦波形，所以原始开度为100时对应220V正弦波形；原始开度为50时，对应110V正弦波形。以此类推分成20等份，相对应的sinθ的角度变化为：0-π，即0-180度。
A2：根据热量与角度关系的公式得到DCS的电加热器原始开度与热量的关系以及电加热器原始开度与PID的操纵变量MV的关系。
热量与角度关系的公为：
其中，W为热量，c为常数。
由于电加热器采用的是220V交流电，我国的交流电都是正弦波形，在交流电变化的一个周期内，交流电流在电阻R上产生的热量相当于多大数值的直流电流在该电阻上所产生的热量，此直流电流的数值就是该交流电流的有效值。故此在dt时间内在电阻上产生的热量为dW＝i2*R*dt，其中i为交流电流值，R为电阻值。
故此，能够得到热量与角度的关系公式：W＝i2Rt＝∫sin2πdx，即在本实施例中，
根据热量与角度的关系公式，可以得到下表1：
| 开度 | 角度(0-180) | 角度(0-π) | Sinθ | (Sinθ)^2 | (x/2)-(sin(2x)/4) | Power％(MV) |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 5 | 9 | 0.157079633 | 0.156434465 | 0.024471742 | 0.001285568 | 0.081841785 |
| 10 | 18 | 0.314159265 | 0.309016994 | 0.095491503 | 0.01013332 | 0.645107162 |
| 15 | 27 | 0.471238898 | 0.4539905 | 0.206107374 | 0.0333652 | 2.12409463 |
| 20 | 36 | 0.628318531 | 0.587785252 | 0.345491503 | 0.076395136 | 4.863465427 |
| 25 | 45 | 0.785398163 | 0.707106781 | 0.5 | 0.142699082 | 9.084505691 |
| 30 | 54 | 0.942477796 | 0.809016994 | 0.654508497 | 0.233474769 | 14.86346543 |
| 35 | 63 | 1.099557429 | 0.891006524 | 0.793892626 | 0.347524466 | 22.12409463 |
| 40 | 72 | 1.256637061 | 0.951056516 | 0.904508497 | 0.481372218 | 30.64510716 |
| 45 | 81 | 1.413716694 | 0.987688341 | 0.975528258 | 0.629604098 | 40.08184178 |
| 50 | 90 | 1.570796327 | 1 | 1 | 0.785398163 | 50 |
| 55 | 99 | 1.727875959 | 0.987688341 | 0.975528258 | 0.941192228 | 59.91815822 |
| 60 | 108 | 1.884955592 | 0.951056516 | 0.904508497 | 1.089424109 | 69.35489284 |
| 65 | 117 | 2.042035225 | 0.891006524 | 0.793892626 | 1.223271861 | 77.87590537 |
| 70 | 126 | 2.199114858 | 0.809016994 | 0.654508497 | 1.337321558 | 85.13653457 |
| 75 | 135 | 2.35619449 | 0.707106781 | 0.5 | 1.428097245 | 90.91549431 |
| 80 | 144 | 2.513274123 | 0.587785252 | 0.345491503 | 1.494401191 | 95.13653457 |
| 85 | 153 | 2.670353756 | 0.4539905 | 0.206107374 | 1.537431126 | 97.87590537 |
| 90 | 162 | 2.827433388 | 0.309016994 | 0.095491503 | 1.560663007 | 99.35489284 |
| 95 | 171 | 2.984513021 | 0.156434465 | 0.024471742 | 1.569510759 | 99.91815822 |
| 100 | 180 | 3.141592654 | 1.22515E-16 | 1.50099E-32 | 1.570796327 | 100 |
根据表1中开度与热量的关系，即开度与(x/2)-(sin(2x)/4)的关系，以开度为X轴，以热量(x/2)-(sin(2x)/4)为Y轴，绘制如图2所示的原始开度-热量曲线图。
从图2中得知，在开度在0-15和85-100之间时，这两段变化非常慢，然而在20-80之间变化就相对来说比较快。由于变化速率的不同，所以在调PID参数时，其中的P是根本没办法调，使用PID来控制电加热器是根本控制不好的。
A3：根据电加热器原始开度与PID的操纵变量MV的关系，以PID的操纵变量MV为X轴，以电加热器的原始开度为Y轴绘制曲线图，分析确定参数点。
根据表2中开度与PID的操作变量MV之间的关系，以PID的操纵变量MV为X轴，以电加热器的原始开度为Y轴，绘制如图3所示的操作变量MV-电加热器开度的曲线图。
在曲线图上取参数点，参数点的选取在曲线斜率大处分布密集。
从图2中的曲线能够得知，在X轴为0-15和85-100的两段区间内，曲线的变化非常大，即曲线的斜率大，为了逼近该曲线，所以在这两段间就要多取几个点，然而在X轴在20-80区间内的曲线就非常平稳，完全就是线性函数，所以在这一区间段内取1-2个点就足够了。
FUNC-VAR函数模块中的参数点如下表2所示。
| X轴 | Y轴 |
| 0 | 0 |
| 0.645 | 10 |
| 2.12 | 15 |
| 14.9 | 30 |
| 85.1 | 70 |
| 97.9 | 85 |
| 99.35 | 90 |
| 100 | 100 |
相邻的两个参数点之间构成一个线性函数。
A4：根据参数点确定FUNC-AVR函数模块中的线性函数。如图4所示，连接相邻的两个参数点，拟合FUNC-VAR函数模块中的线性函数。
从图4中能够看到两条曲线是非常接近的，这样就只要在DCS系统中PID的操作变量MV输出中间加一个FUNC-VAR函数模块，然后根据上面的参数进行设置就可以精确的控制电加热器了。
S3：FUNC-VAR输出的控制量控制电加热器开度，进行加热工作。经过FUNC-VAR函数模块转化后的输出温度控制非常稳定，波动小于0.5度。
本发明通过在PID环节后增加FUNC-VAR函数模块，使得PID操作变量MV的变化速率适应理论的操作变量MV-电加热器开度曲线变化，使得控制具有更好的线性控制精度，控制更加可靠，解决了电加热器的时滞性问题。
Claims (6)
1.一种DCS对电加热器的线性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：温度传感器采集现场的温度，将采集到的温度信息传输到PID控制模块；
S2：PID控制模块经过PID控制运算后输出操纵变量MV；操纵变量MV作为输入值输入给FUNC-VAR函数模块；FUNC-VAR函数模块运算后输出一个与输入呈线性的控制量；
S3：FUNC-VAR输出的控制量控制电加热器开度，进行加热工作。
2.根据权利要求1所述的一种DCS对电加热器的线性控制方法，其特征在于，所述的FUNC-VAR函数模块中的运算函数为至多七段的线性函数组合，线性函数为f(x)＝ax+D；其中，a、b为常数。
3.根据权利要求2所述的一种DCS对电加热器的线性控制方法，其特征在于，所述的FUNC-VAR函数模块中的控制函数通过以下步骤确定：
A1：将DCS电加热器的原始开度等分20份；
A2：根据热量与角度关系的公式得到DCS的电加热器原始开度与热量的关系以及电加热器原始开度与PID的操纵变量MV的关系；公式为：
其中，W为热量，c为常数；
A3：根据电加热器原始开度与PID的操纵变量MV的关系，以PID的操纵变量MV为X轴，以电加热器的原始开度为Y轴绘制曲线图，分析确定参数点；
A4：根据参数点确定FUNC-AVR函数模块中的线性函数。
4.根据权利要求3所述的一种DCS对电加热器的线性控制方法，其特征在于，所述的参数点在曲线斜率大处分布密集。
5.根据权利要求3或4所述的一种DCS对电加热器的线性控制方法，其特征在于，所述的FUNC-VAR函数模块中参数点选取如下表所示：
相邻的两个参数点之间构成一个线性函数。
6.根据权利要求1所述的一种DCS对电加热器的线性控制方法，其特征在于，所述的电加热器的加热对象为液体。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: No.8, Chenghu Road, textile industrial park, Yaqian Town, Xiaoshan District, Hangzhou City, Zhejiang Province Applicant after: Hangzhou Qingyun New Material Co.,Ltd. Address before: No.8, Chenghu Road, textile industrial park, Yaqian Town, Xiaoshan District, Hangzhou City, Zhejiang Province Applicant before: Hangzhou Sunrise Spandex Co.,Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information |