CN112327972A - 一种用于控制加热组件的温度控制器和温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种用于控制加热组件的温度控制器，包括第一控制模块和第二控制模块，其中：所述第一控制模块，用于控制加热组件，以将被加热对象初步加热到阈值温度；所述第二控制模块，用于控制加热组件，以使被加热对象的温度达到或维持目标温度，其中所述阈值温度不大于所述目标温度。本申请还公开一种温度控制方法，包括：第一阶段，控制加热组件将被加热对象加热到阈值温度；第二阶段，控制加热组件使得被加热对象的温度达到或维持目标温度；其中，所述阈值温度不大于目标温度，从而避免了温度超调的同时减少了加热时间。

Description

一种用于控制加热组件的温度控制器和温度控制方法

技术领域

本申请涉及一种自动控制技术领域的方法，具体地，涉及一种温度控制器和温度控制方法。

背景技术

在工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量或液位等通常要求维持在一定的数值上或按照一定规律的变化，以满足生产工艺需求，比例积分微分(英文缩写：PID，英文全称：Proportional-Integral-Derivative)算法广泛应用于生产装置的温度、压力、流量或液位等控制中，简单的说，根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。

为了避免温度超调，在实际使用中会采用调节比例积分微分参数降低升温曲线的斜率或者采用多段温度稳态过渡等手段使检测温度趋近目标温度。

但是这样做的结果，一般都会降低加热输出功率并且延长加热时间。

发明内容

本申请提供一种用于控制加热组件的温度控制器，包括第一控制模块和第二控制模块，其中：

所述第一控制模块，用于控制加热组件，以将被加热对象初步加热到阈值温度；

所述第二控制模块，用于控制加热组件，以使被加热对象的温度达到或维持目标温度，其中所述阈值温度不大于所述目标温度。

在本申请的一个实施方式中，所述第二控制模块以比例积分微分的方式控制加热组件，以使被加热对象的温度从所述阈值温度逐渐达到所述目标温度或维持在目标温度。

在本申请的一个实施方式中，所述第一控制模块还用于控制加热组件，使加热组件以第一加热功率工作；所述第二控制模块还用于控制加热组件，使加热组件以第二加热功率工作；其中，所述第一加热功率大于所述第二加热功率。

在本申请的一个实施方式中，所述第一控制模块还用于控制加热组件以最大加热功率工作，所述第二控制模块还用于控制加热组件，使加热组件以预设阈值内的加热功率工作，所述预设阈值内的加热功率小于最大加热功率。

在本申请的一个实施方式中，所述温度控制器还包括存储装置，用于记录所述加热过程数据，所加热过程数据包括以下至少一项：加热组件的功率、温度、被加热对象的温度及其随时间的变化。

在本申请的一个实施方式中，所述温度控制器还包括优化装置，用于基于所述加热过程数据调整所述温度控制器的控制模式，调整所述控制模式至少包括以下之一：

基于所述加热过程数据优化所述阈值温度；

基于所述加热过程数据以及被加热对象的热容数值、加热组件与被加热对象之间的热量传递速度以及被加热对象在加热过程中的加热惯性中的至少一个对所述阈值温度进行优化；

基于所述加热过程数据矫正所述加热组件的工作状态。

在本申请的一个实施方式中，还包括：

第一温度传感器，用于测量加热组件的温度；

第二温度传感器，用于测量被加热对象的温度；

温差比较模块，用于计算加热组件的温度与被加热对象的温度之间的温度差。

在本申请的一个实施方式中，所述温度控制器还包括计算模块，用于根据以下参数中的至少一个确定所述阈值温度和/或预设阈值内的功率：加热组件的功率、加热组件的温度、被加热对象的温度及其随时间的变化、被加热对象的热容数值、加热组件与被加热对象之间的热量传递速度以及被加热对象在加热过程中的加热惯性。

本申请还提供一种温度控制方法，包括：

第一阶段，控制加热组件将被加热对象加热到阈值温度；

第二阶段，控制加热组件使得被加热对象的温度达到或维持目标温度；

其中，所述阈值温度不大于目标温度。

在本申请的一个实施方式中，在所述第一阶段，以加热组件的最大加热功率将被加热对象加热到阈值温度；

在所述第二阶段，控制加热组件以预设阈值内的加热功率将被加热对象加热到或维持在阈值温度。

本申请在避免温度超调的同时，通过快速升温控制模块的控制减少了加热时间。

附图说明

图1是根据本申请一个实施例的温度时间变化示意图；

图2是根据本申请一个实施例的控制方法的框图；

图3是根据本申请一个实施例温度控制器的布置框图；和

图4是根据本申请另一个实施例温度控制器的布置框图。

附图标记：

1 第一控制模块

2 第二控制模块

3 真空腔室

4 被加热对象

5 加热组件

6 第一温度传感器

7 第二温度传感器

具体实施方式

常规的比例积分微分调节中会出现温度超调的现象，在温度经过几次震荡之后会趋于稳定。这样一般都会降低加热输出功率并且延长加热时间。这种问题在真空环境中特别明显。因为在真空环境中，例如在真空腔室中，热传递中的对流方式变得很弱，一旦出现温度超调，因为温度降低的速度很慢，等待温度降低到目标温度就需要很长的时间。这不仅严重地影响设备的使用节奏，而且对于某些材料来讲，温度的超调会对材料的性质造成不良影响。真空腔室是一个密封环境，外界的影响非常小。真空腔室内部气体稀薄，缺少对流这种热传递方式。在真空环境中，一般通过接触加热或辐射加热的方式对被加热对象进行加热，而通过辐射热损失热量。一般而言，真空腔室结构简单，加热和被加热的对象相对固定，在达到某一目标温度时，相关的参数相对固定。

对此，本申请提出了一种用于控制加热组件的温度控制器，如图3所示，温度控制器包括第一控制模块1和第二控制模块2。在升温过程中，首先使用第一控制模块1控制加热组件5，以将被加热对象4加热到阈值温度。所述第一控制模块1为能够使得被加热对象4快速升温的控制模块，具体用于控制加热组件5使加热组件5以第一加热功率工作，优选地，第一加热功率为加热组件的最大加热功率。因此，被加热对象4能够以最快的加热速度被加热到阈值温度。这时候，如果继续快速加热，就可能出现温度超调的现象。因为在真空腔室3中，温度降低的速度很慢，等待温度降低到目标温度就需要很长的时间。因此，本申请将由第一控制模块1控制加热组件5切换为由第二控制模块2控制加热组件5，以使被加热对象4的温度达到或维持目标温度。所述第二控制模块以比例积分微分的方式控制加热组件5，以使被加热对象4的温度从所述阈值温度依靠加热惯性逐渐达到所述目标温度，并在接下来维持在目标温度。具体来说，所述第二控制模块2可以控制加热组件5使加热组件5以第二加热功率或预设阈值内的功率工作。不论是第二加热功率还是预设阈值内的功率，均小于第一加热功率，即所述加热组件5的最大加热功率。可以理解的是，所述第二加热功率或预设阈值内的功率还可以称为维持功率，其用于使加热对象的温度达到目标温度或者将加热对象的温度维持在目标温度。在使用比例积分微分控制的加热方式中，比例积分微分控制模块通过对采集值和目标值的比较不断的校正加热组件的输出功率。本申请采用的比例积分微分控制模块是一种线性控制器，在比例(P)控制中，控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-state error)。即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用以减小误差。当偏差e＝0时，控制作用也为0。因此，比例控制是基于偏差进行调节的，即有差调节。通过比例(P)控制，可以对第二加热功率和/或所述阈值温度进行微调。

本申请提出的温度控制器还包括用于记录所述加热过程数据的存储装置，所加热过程数据包括以下至少一项：加热组件的功率、温度、被加热对象的温度及其随时间的变化。

本申请提出的温度控制器还包括优化装置，用于基于加热过程数据调整温度控制器的控制模式。调整所述控制模式包括基于加热过程数据优化阈值温度。优选地，调整所述控制模式还包括基于加热过程数据以及被加热对象的热容数值、加热组件与被加热对象之间的热量传递速度以及被加热对象在加热过程中的加热惯性中的至少一个对阈值温度进行优化。优选地，调整所述控制模式还包括基于加热过程矫正加热组件的工作状态。

在通过加热过程数据确定第二加热功率和/或阈值温度的基础上，还可以通过积分(I)控制对第二加热功率和/或所述预设阈值内的功率和/或所述阈值温度进行微调。在积分(I)控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统(System with Steady-state Error)。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

如图4所示，本申请提出的温度控制器还包括：用于测量加热组件5的温度的第一温度传感器6和用于测量被加热对象4的温度的第二温度传感器7；以及温差比较模块(图中未示出)，用于计算加热组件的温度与被加热对象的温度之间的温度差。在本申请中，阈值温度的确定是一个关键点，既要实现能够快速加温，又要避免不出现温度超过目标温度而需要长时间等待降温的现象。优选地，本申请所提出的温度控制器还包括计算模块，用于根据以下参数中的至少一个确定所述阈值温度：加热组件的功率、加热组件的温度、被加热对象的温度及其随时间的变化、被加热对象的热容数值、加热组件与被加热对象之间的热量传递速度以及被加热对象在加热过程中的加热惯性。

本申请的技术效果如图1所示。在升温过程中，如图1中所示的时间t1之前的阶段，首先选择第一控制模块1，控制加热组件5按照第一加热功率工作，从而通过热传递的方式将所述被加热对象4加热到接近或达到阈值温度T1，例如可以是接触加热或辐射加热；其中，阈值温度T1不大于目标温度T2。例如，阈值温度T1小于且接近目标温度T2。然后，切换到第二控制模块2控制加热组件5按照第二加热功率工作，使得被加热对象4的温度依靠加热惯性逐渐地接近目标温度T2。如图1所示，虽然也可能会出现小幅度超调，但是通过第二控制模块2的微调，被加热对象4的温度能够较快达到并且长时间维持在目标温度T2处。在本申请的一个可选实施例中，达到目标温度优选地是指无限接近并且不超过目标温度。如图1所示，在接近目标温度T2时，也会有轻微的超调现象的发生，在经过一定波动以后，最终达到目标温度T2。因而根据本申请，在避免温度超调的同时，还可以增加加热输出功率并且减少加热时间。

具体地，温度控制方法包括两个阶段，如图2所示：在第一阶段，控制加热组件5将被加热对象4加热到阈值温度T1；在第二阶段，控制加热组件5使得被加热对象4的温度达到或维持目标温度T2。

可以理解的是，在本实施方式的一个实施例中，所述阈值温度T1也可以被设置为与所述目标温度T2相同，也就是说，当需要进行升温控制时，首先采用第一控制模块1使加热组件5以其最大加热功率加热，被加热对象4因此被快速地加热，当加热组件5被加热到阈值温度T1时，被加热对象4也被会加热到接近或等于阈值温度T1，总之，只要加热组件5的温度不超过目标温度T2，被加热对象4的温度也不会超过目标温度T2，其只会无限接近或达到目标温度T2，这时切换到第二控制模块2，使得加热组件5以第二加热功率加热，所述第二加热功率小于加热组件的最大加热功率，然后利用加热惯性等待被加热对象4的温度达到目标温度T2。

在本实施方式的一个优选实施例中，如图3所示，当需要进行升温控制时，切换到第一控制模块1；第一控制模块1可以使加热组件5以其最大加热功率加热，即加热组件5的温度大于阈值温度T1，甚至大于目标温度T2，从而被加热对象4因此被快速地加热，当被加热对象4的温度也接近目标温度T2时，这时切换到第二控制模块2，使得加热组件5以第二加热功率的阈值内的功率加热，利用加热惯性等待被加热对象4的温度达到目标温度T2。

可以理解的是，第二控制模块控制下的加热组件的加热功率是一个单一不变的固定功率，例如所述第二加热功率；也可以是一个包括多个不同功率的集合，如预设阈值内的功率，此时，为了使得被加热对象4以最快速度达到且不超过目标温度T2，所述加热组件5将在第二控制模块2的控制下由加热组件5的最大功率逐渐降低为预设阈值内的最高功率，并按照预设阈值内的各个功率进行工作，也就是说，所述加热组件5将逐渐由加热组件5的最大功率逐渐降低为预设阈值内的最低功率，并维持合适的能够使得被加热对象4保持目标温度的功率工作，例如预设阈值内的最低加热功率。为了使得所述被加热对象4更加快速精准地被加热到目标温度T2，所述第二加热功率阈值内还可以对应各个功率设置相应的工作时长，例如所述预设阈值内由大到小包括4个功率数值、时间对：(a1，t1)、(a2，t2)、(a3，t3)和(a4，t4)，也就是说，所述加热组件5将会以a1功率工作t1时间，然后以a2功率工作t2时间，接下来以a3功率工作t3时间，最后以a4功率工作t4时间，从而使得被加热对象达到并维持目标温度T2。在切换到本申请的第二控制模块2时，优选地使用微分(D)控制，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳，其原因是由于存在有较大惯性组件或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例(P)”项是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势。这样，具有比例加微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例加微分控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。通过对第二加热功率和/或阈值温度的微调，因而在避免温度超调的同时，还可以增加加热输出功率并且减少加热时间。

总的来说，以上实施例中给出了两类加热方案，一种是通过第一控制模块1将加热组件5以加热组件5的最大功率运行，从而快速将加热组件5加热到阈值温度T1，以使被加热对象4被加热到接近目标温度，然后采用第二控制模块2将加热组件5以与加热组件5的最大功率不同的加热功率运行，使得被加热对象4被加热惯性加热到目标温度T2；另外一种是通过第一控制模块1将加热组件5以加热组件5的最大功率运行，从而将被加热对象4加热到阈值温度T1，然后采用第二控制模块2将加热组件5以与加热组件5的最大功率不同的加热功率运行，使得被加热对象4被加热惯性加热到目标温度T2。

需要说明的是，在以上实施例中所述的阈值温度T1其内在的含义指的是加热组件5的加热状态以及被加热对象4的加热状态和当前环境状态的集合，只是外在表现为被加热对象的温度是否达到阈值温度，也就是说，根据所述被加热对象的温度确定是否变换加热方式，以最快地使被加热对象4达到目标温度而又不产生温度超调的情况。

在本实施方式的一个可选实施例中，阈值温度T1可以有多种方式进行确定。在本实施例中，可以采取历史数据比较的方式确定，例如可以首先对于组装好的设备进行试运行，采集试运行资料进行初始参数设置，获得采集值；然后在使用中对初始控制参数进行微调，将每次加热过程的控制和状态数值记录入数据库中进行存储；再次，通过对每次加热过程中的数据记录进行大数据分析，以确定阈值温度T1。阈值温度T1的确定还可以采用物理计算的方式，例如通过实际得到被加热对象4的质量、热容数值、加热组件5和被加热对象4间的热量传递速度，以及在被加热对象4在加热过程中的加热惯性等作为参数，进行物理计算，以确定阈值温度T1。阈值温度T1的确定还可以采用参数曲线拟合等方式，例如设定好阈值温度T1与被加热对象4的质量、热容数值、加热组件5和被加热对象4间的热量传递速度以及在被加热对象4在加热过程中的加热惯性等参数之间的关系曲线，与实际获得的温度值进行拟合，以确定阈值温度T1；基于以上方式，对被加热对象的温度是否达到阈值温度T1的确定就变成了被加热对象4的各项其它参数变量的确定，例如被加热对象4的质量、热容数值、加热组件5和被加热对象4间的热量传递速度以及在被加热对象4在加热过程中的加热惯性等参数。

在确定阈值温度T1时，加热组件5与被加热对象4之间的温度差是一个重要的参数。为了获得加热组件5与被加热对象4之间的温度差，可以设置两个独立的温度传感器，一个靠近加热组件5设置，用于测量加热组件5的温度，如附图4中的第一温度传感器6；一个靠近被加热对象4设置，用于测量被加热对象4的温度，如图4中的第二温度传感器7；然后通过一个温差比较模块来计算加热组件5的温度与被加热对象4的温度之间的温度差。

在确定阈值温度T1以后，可以将加热组件5的加热功率开到最大，以快速地加热，直到将被加热对象4或加热组件5加热到阈值温度T1。然后，再使用比例积分微分控制模块进行控制，使加热组件5以第二加热功率加热，直到加热对象4的温度达到目标温度T2。

为了确定第二加热功率的大小，可以将对第二加热功率的判断转换为对温度的判断。在本实施例中，所述温度控制器还包括用于记录加热过程数据的存储装置，首先，可以对于组装好的设备进行试运行，采集试运行资料进行初始参数设置，获得采集值；其次，通过在使用中对初始控制参数进行微调，将每次加热过程的控制和状态数值记录入数据库中进行存储；再次，通过对每次加热过程中的数据记录进行大数据分析，可以实际得到被加热对象4的热容数值、加热组件5和被加热对象4间的热量传递速度、在被加热对象4在加热过程中的加热惯性、加热组件5的功率、加热组件5的温度、被加热对象4的温度及其随时间的变化以及被加热对象4的质量等。最后，使用大数据分析得到的控制参数进行加热控制。第二加热功率和/或阈值温度基于加热组件历史运行资料确定，并由所述比例积分微分控制模块微调。

为了更好地对温度进行控制，在本实施方式的一个实施例中，温度控制器还包括优化装置。优化装置配置为基于加热过程数据优化温度控制器的控制模式；例如，优化所述阈值温度，从而使得所述被加热对象4可以更加更快的达到目标温度T2而不超调；再例如，所述优化装置还被配置为，基于历史数据来矫正加热组件5的工作状态，例如所述加热组件5的初始化或长时间工作之后产生的异常或使用时间过长产生的退化等。代替地或额外地，优化装置被配置为基于加热过程数据获得被加热对象4的热容数值、加热组件5与被加热对象4之间的热量传递速度以及被加热对象4在加热过程中的加热惯性中的至少一个对阈值温度或加热组件进行调整优化。

为了更好地对温度进行控制，第一控制模块1的控制方式可以使用模糊控制。模糊控制的建模的方式可以使用加热组件的加热功率、被加热对象的检测温度、加热组件的实际温度作为加热过程参数。例如，在采用数据记录后，对数据的曲线分析可以在多组曲线中总结出具体设备的升温曲线，在建立正确的分析理论后，第一控制模块1具有自我纠错和自我优化的能力。如果仅仅使用第二控制模块2，而没有在其之前增加一个第一控制模块1，那么达到目标温度T2会需要一个很长的时间阶段。在采用本申请的技术方案的情况下，可以避免温度超调的同时减少了加热时间。

Claims (10)

1.一种用于控制加热组件的温度控制器，其特征在于，包括第一控制模块和第二控制模块，其中：

所述第一控制模块，用于控制加热组件，以将被加热对象初步加热到阈值温度；

所述第二控制模块，用于控制加热组件，以使被加热对象的温度达到或维持目标温度，其中所述阈值温度不大于所述目标温度。

2.根据权利要求1所述的温度控制器，其特征在于，所述第二控制模块以比例积分微分的方式控制加热组件，以使被加热对象的温度从所述阈值温度逐渐达到所述目标温度或维持在目标温度。

3.根据权利要求1或2所述的温度控制器，其特征在于，所述第一控制模块还用于控制加热组件，使加热组件以第一加热功率工作；所述第二控制模块还用于控制加热组件，使加热组件以第二加热功率工作；其中，所述第一加热功率大于所述第二加热功率。

4.根据权利要求1或2所述的温度控制器，其特征在于，所述第一控制模块还用于控制加热组件以最大加热功率工作，所述第二控制模块还用于控制加热组件，使加热组件以预设阈值内的加热功率工作，所述预设阈值内的加热功率小于最大加热功率。

5.根据权利要求4所述的温度控制器，其特征在于，所述温度控制器还包括存储装置，用于记录所述加热过程数据，所加热过程数据包括以下至少一项：加热组件的功率、温度、被加热对象的温度及其随时间的变化。

6.根据权利要求5所述的温度控制器，其特征在于，所述温度控制器还包括优化装置，用于基于所述加热过程数据调整所述温度控制器的控制模式，调整所述控制模式至少包括以下之一：

基于所述加热过程数据优化所述阈值温度；

基于所述加热过程数据以及被加热对象的热容数值、加热组件与被加热对象之间的热量传递速度以及被加热对象在加热过程中的加热惯性中的至少一个对所述阈值温度进行优化；

基于所述加热过程数据矫正所述加热组件的工作状态。

7.根据权利要求5或6所述的温度控制器，其特征在于，还包括：

第一温度传感器，用于测量加热组件的温度；

第二温度传感器，用于测量被加热对象的温度；

温差比较模块，用于计算加热组件的温度与被加热对象的温度之间的温度差。

8.根据权利要求7所述的温度控制器，其特征在于，所述温度控制器还包括计算模块，用于根据以下参数中的至少一个确定所述阈值温度和/或预设阈值内的功率：加热组件的功率、加热组件的温度、被加热对象的温度及其随时间的变化、被加热对象的热容数值、加热组件与被加热对象之间的热量传递速度以及被加热对象在加热过程中的加热惯性。

9.一种温度控制方法，其特征在于，包括：

第一阶段，控制加热组件将被加热对象加热到阈值温度；

第二阶段，控制加热组件使得被加热对象的温度达到或维持目标温度；

其中，所述阈值温度不大于目标温度。

10.根据权利要求9所述的温度控制方法，其特征在于，在所述第一阶段，以加热组件的最大加热功率将被加热对象加热到阈值温度；

在所述第二阶段，控制加热组件以预设阈值内的加热功率将被加热对象加热到或维持在阈值温度。

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