CN1719367A - 基于特征信息的快速稳定温度控制方法 - Google Patents

Abstract

基于特征信息的快速稳定温度控制方法，是利用控制系统中多种动态的实时信息来控制温度，包括采用下列步骤：首先，利用误差e和误差变化这两个最基本的特征变量，构造一组派生特征信息；然后利用派生特征信息设计开关、比例、退火、保持等控制规则；计算机根据实时采集数据和数据库中的数据进行特征辨识，从规则库中选取最有效的控制规则，作用于执行器；本发明大大缩短了上升时间和过渡时间，加快了系统响应速度；在误差较小时，采用保持控制，减小了静差；在误差非常小时，采用退火控制，减小了超调量；本发明避免了几个参数之间折中整定的问题，易于实施，对诸如温度控制的纯滞后工业系统特别有效。

Description

基于特征信息的快速稳定温度控制方法

技术领域

本发明涉及工业过程控制领域，提供了一种利用多种特征信息进行温度快速稳定控制的方法。

背景技术

在工业控制系统中，温度是最重要的和最难的控制参数之一。

被控的温度系统具有滞后性(惯性)，可以用具有纯时间滞后的二阶传递函数近似描述。现有的温度控制方法有PID控制(比例、积分、微分控制的线性组合)及其多种改进方案。对于没有精确数学模型的二阶被控系统，通过适当选择PID控制器中的比例系数K_P、积分系数K_I和微分系数K_D三个参数，可以在一定程度上获得比较满意的响应特性。比例控制是准确控制的基本手段，积分控制用来消除静差，微分控制用以加快系统响应速度。但这种方法中稳定性和准确性之间存在矛盾，参数整定非常麻烦，系统往往要经历比较长的过渡时间才能进入稳定控制区或近似稳定控制区。对于有精确数学模型的二阶被控系统，PID控制器传递函数的零极点可以和被控系统传递函数的零极点相抵消，所以控制效果很理想；针对滞后系统，还有一些基于精确数学模型构造补偿环节或算式的PID改进方案，如史密斯(Smith，O.J.M.)预估补偿方案、大林(Dahlin，E.B.)控制算法、卡尔曼(Kalman，R.E.)控制算法和V.E.(Vogel，E.F.& Edgar，T.F.)控制算法等，它们可以不同程度地进一步改进控制效果。但是，由于实际系统的复杂性，被控系统的精确数学模型是很难得到的，所以，上述方法难以在实际工程中应用。

实际应用中，工程人员常常采用开关控制(bang-bang控制)方法来控制温度，这种控制模式简单易于实现。但常规开关控制的控制输出量要么是一固定常数，要么是零，其精度不高，稳定性不好。

仿人智能开关控制方法是一种智能型温度控制方法，它模仿人工过程，根据误差及误差变化的趋势调节控制输出时间的“占空比”来控制温度，即将一个控制周期分成控制输出(开)与控制不输出(关)两个阶段，调节两阶段所占时间的比例来调节温度。但单一的仿人智能开关控制方法精度仍然不高，而且仍然有不少参数需要整定。

还有一种基于极值采样的仿人智能控制方法，该方法将控制周期划分成多个阶段，不同阶段采用不同的控制方法，包括比例控制、抑制控制和保持控制。保持控制取代积分作用，有效地消除了积分作用带来的相位滞后和积分饱和问题，抑制控制用来解决控制系统的稳定性与准确性、快速性之间的矛盾。这种方法在误差越过极值点朝减小的方向变化时采用抑制和保持控制，若误差极值比较大，则需要一定的时间才能过渡到期望值附近，降低了过渡时间和超调时间这两个指标的性能；另外，用误差变化为0来断定出现极值点并不可靠，因为在计算机控制系统中，特征信息实际是离散的，极有可能发生极值点已经出现但误差变化不为0，还有用相邻两次误差变化乘积小于0作为判据的，这也不可靠，因为两次采样值在极值点左右相同的情况是经常发生的，如果发生则得不到相邻两次误差变化乘积小于0。

中国专利03100391.5号申请文件公开了“较大滞后温度系统的控制方法”，它是一种特定周期的间歇控制方式，其实质思想是开关控制即Bang-Bang控制，这种简单的控制方法适合单一恒温控制场合。由于温度变化特点是升温速度远远大于降温速度，所以在温度控制精度要求高、工况复杂的场合，Bang-Bang控制难以胜任。

中国专利03154473.8号申请文件公开了“数字式智能温度控制方法及温控半导体激光器”，提供了一种数字式人工智能算法将检测到的温度数据转换成控制数据，再将控制数据转换成脉冲比例信号，用该信号控制开关元件按照一定占空比和频率开启与关断，进而控制温度。显然其实质是仿人智能开关控制方式，不适合工况复杂的工程系统。

美国专利US 60/266,926号申请文件公开了“惯性温度控制系统和方法”，提供了一种用于加热炉的温度控制算法，该算法通过控制温度斜率设置点的加速和减速，使温度以有限的可达的速度改变。这种算法实质上是一种仿人智能比例控制方法，即不断地调整给定值，使输出不断逼近期望值，从而提高系统稳态精度，可有效避免超调，比较适合线性定常系统，不宜在控制过程全程使用。

日本专利JP 237678/92号申请文件公开了一种温度控制方法，其温度控制需要得到在每一时间间隔上温度增减的加速度，并由前一步骤中的温度增减的加速度对每一时间间隔内加热部分的负载率进行修正，由该负载率控制上述加热部分的温度，进一步地，在温度增加过程中关闭加热器，预测温度经过一时滞后开始下降的时间点，在预估温度下降到设定值的时间点之前使加热器重新打开。这实际上是一种开关控制方式，不适合精度要求高的场合。

日本专利JP 53133/2002号申请文件，涉及一种像加热装置和温度控制方法，该温度控制目的是为了防止高温时的带卷付滚筒，通过从励磁电路到励磁线圈的通电停止使由发热滚筒对带的加热停止，带的设定温度由多个检测变量推定。该温度控制方法专用性强，就其控制方法本身来讲，模式单一。检索到的其它温度控制相关的专利申请文件所述温度控制方法基本上也都是针对某一特别应用场合的具体方法和措施。

发明内容

本发明目的是：解决克服工业控制中温度控制系统响应速度慢和稳定性差的技术问题。

本发明的目的还在于：利用误差与误差变化的派生量来控制温度，克服目前温度控制方法忽视控制系统中实时动态信息的充分利用的技术问题。

本发明的目的是这样实现的：实现本发明的技术方案概括如下：

1、基于特征信息的快速稳定温度控制方法，利用控制系统中多种动态的实时信息来控制温度，包括采用下列步骤：首先，利用e(误差)和(误差变化)这两个最基本的特征变量，构造一组派生特征信息；然后利用派生特征信息设计开关、比例、退火、保持等控制规则；计算机根据实时采集数据和数据库中的数据进行特征辨识，识别系统的动态行为，推理机根据辨识结果，从规则库中选取最有效的控制规则，作用于执行器，对被控对象进行精确的控制。

(1)在误差绝对值非常大时，采用局部开关控制，控制规则为：

若e＞0且|e|≥M，则U＝0

若e＜0且|e|≥M，则U＝UM

其中，M为给定的阈值，U为控制输出，UM为常数，表示输出最大值(全开)；

(2)在误差绝对值比较大时，采用比例控制，控制规则为：

若δ＜|e|≤M，则U＝u_H+K_pe

其中，δ为给定的阈值，K_p为比例系数，u_H为上次输出保持值；

(3)如果误差绝对值已经比较小，但误差与误差变化的乘积＞0，也进行比例控制；

(4)在误差绝对值比较小而且误差和误差变化乘积小于0时，采用保持控制，控制规则为：

若(|e|≤δ且e·＜0)或e＝0，THEN U＝u_H

如果误差为0，则不管误差与误差变化的乘积是否小于0，也进行保持控制；

(5)在误差绝对值比较小而且本次误差变化与上次误差变化乘积小于或等于0时，采用退火控制，控制规则为：

若(0＜|e|≤δ 且 _n·_n-1≤0)，则U＝u_H+(K_p·K_d)e

其中，K_d＜1为退火系数。

2、基于特征信息的增强稳定温度控制方法，在上述(1)、(4)条件下，修改比例系数，为下阶段控制做准备：

(1)当误差非常大时，记录误差峰值出现时刻，并判断误差峰值间隔时间t_em和相邻两次误差峰值比的绝对值|e_mi-1/e_mi|，若误差峰值间隔时间短或误差峰值比的绝对值小于1，则减小比例作用，即：

若|e|≥M且(t_em＜τ或|e_mi-1/e_mi|＜1)，则K_p＝K_d·K_p

其中，τ为阈值(给定的常数)，K_d＜1为退火系数。

(2)当误差非常大而且误差变化的绝对值小于δ’，那么比例作用可以较大幅度增加，即：

若(|e|≥M且||＜δ’)，则K_p＝K₁·K_p，其中，K₁＞1。

(3)当误差为0时，记录误差的过零速率_0i，若过零速率过大，则减小比例作用(用K_p乘以K_d作为新的K_p，K_d为退火系数)。

3、基于特征信息的抗干扰控制方法，判断动态信息，当相邻两次误差峰值比的绝对值和相邻两次误差过零速率比都小于1时，采用上一周期的控制输出。

本发明涉及的派生特征信息及含义说明如下：

【|e|】误差的绝对值。用|e|＜δ、|e|＞M可以表明系统是处于期望值附近还是误差峰值附近。其中δ、M为阈值(给定的常数)，δ＜M，且M＞允许误差阈值的绝对值。

【e·】误差与误差变化的乘积。可以判断系统动态过程误差变化的趋势，若e·＞0则是远离期望值，若e·＜0则是靠近期望值。

【_n·_n-1】相邻两次误差变化之积。表明误差是否出现极值，若_n·_n-1≤0表明出现极值，若_n·_n-1＞0表明无极值。

【e_mi】本次误差峰值。

【u_H】前期输出量的保持值。记忆该值，可以作为下一次输出的参考，若系统稳定，可以继续保持该输出，而不必重新计算。

【_0i】误差的第i次过零速率。该速率越小越好，因为小说明系统趋于稳定，大则说明趋于振荡或抖动。

【t_em】误差峰值间隔时间。该值越大说明系统振荡周期长，和误差峰值结合使用可以说明系统的稳定性，误差峰值小且t_em大说明系统稳定性好，否则单单误差峰值小，系统有可能还在抖动。

【|e_mi-1/e_mi|】相邻两次误差峰值比的绝对值。可以表明控制效果趋势，若|e_mi-1/e_mi|＞1说明控制效果或超调情况可能转好，若|e_mi-1/e_mi|＜1则控制效果可能在变差。

【||】误差变化的绝对值。用||＜δ’和||＞M’可以表明系统的误差变化速度是缓慢还是迅速。δ’、M’为阈值。

【_0i-1/_0i】相邻两次误差过零速率比。若_0i-1/_0i＞1说明控制效果转好，_0i-1/_0i＜1则系统的超调有可能比前一次增加，和|e_mi-1/e_mi|结合使用可以增加推理的可信度，因为干扰信号也会影响|e_mi-1/e_mi|值。本发明的特点是：构造了丰富的被控系统的特征信息，提高了被控系统的透明度，能实时掌握误差变化规律和被控对象的惯性、纯滞后及扰动等特性，根据这些规律和特性，选择不同控制策略，实现温度的快速稳定控制。能解决现有温度控制参数整定困难、过渡期长、响应速度慢和稳定性差的问题。

本发明取消了微分和积分作用，不存在几个参数之间权衡折中的头疼问题，易于实现。通过多种特征信息进行开关、比例、退火和开环保持的综合模式控制，通过不断改变控制策略来适应被控系统的不断变化，具有自适应特色，而且智能可增强性好(只要增加适当的特征信息就可增强系统的控制智能水平)。在误差较大时，使用开关控制可以快速减小误差。其比例作用可以远远超过其它控制中的比例作用，因为系统输出一旦接近参考点，立即改变比例系数，降低输出量，不用因为担心超调而折中考虑比例系数，所以大大缩短了上升时间和过渡时间。保持模式是一种开环方式，它可减小静差甚至无静差，对纯滞后工业系统特别有效。通过特征信息综合预测误差的变化方向，加快系统响应速度，并且区分干扰信号与系统本身的被测信号。在系统误差较小时，采用退火模式，减小了超调量，从而增加了稳定性。在由闭环切换到开环保持模式、由开环切回闭环，甚至更复杂的多模式控制，都利用特征信息来驱动切换，使信息处理速度提高、需要处理的信息减少、切换的可靠性、准确性增加。

附图说明

图1是本发明控制系统结构图

图2是本发明电加热炉单温度控制系统的动态误差曲线示意图1

图3是本发明电加热炉单温度控制系统的动态误差曲线示意图2

图4是本发明输出曲线示意图1：其中1——开关控制，2——比例控制，3——退火控制，4——保持控制

图5是本发明输出曲线示意图2

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明实施的方式：

假设一个电加热炉单温度控制系统，要求控制系统将被控对象温度Y稳定控制在设定值R。计算机在线获取信息的主要来源就是R和Y，也可以从实时或历史数据库中获取数据，从中可以计算出误差e(Y-R)、误差变化(de/dt)以及其它表征系统动态特性的特征信息。计算机借助于这些特征信息，识别系统的动态行为，作为控制决策的依据。根据系统的动态特征及动态行为，从规则库中选取最有效的控制规则，对被控对象进行精确的控制。

控制方法包括^*不妨设控制输出(开)使被控量增大，控制不输出(关)使被控量减小。：

一、在误差绝对值非常大时，采用局部开关控制。其控制规则为：

IF e＞0 AND |e|≥M，THEN U＝0

IF e＜0 AND |e|≥M，THEN U＝UM

其中，U为控制输出，UM为常数，表示输出最大值(全开)。另外，多数执行器是由电机拖动的，电机传速为0会烧坏电机，所以实际使用时，应将规则中的输出由0改为一个比较小的常数，保护执行器。

二、在误差绝对值比较大时，采用比例控制。其控制规则为：

IF δ＜|e|≤M OR (|e|≤δ AND e·＞0)，THEN U＝u_H+K_pe

其中，K_p为比例系数。如果误差绝对值已经比较小，但误差与误差变化的乘积＞0(被控量正在远离期望值)，所以也进行比例控制。

三、在误差绝对值比较小而且被控量正在接近期望值时，采用保持控制。其控制规则为：

IF (|e|≤δ AND e·＜0) OR e＝0，THEN U＝u_H

如果误差为0，则不管误差与误差变化的乘积是否小于0，也进行保持控制。

四、在误差绝对值比较小而且出现极值点时(被控量开始由接近期望值转变为远离期望值，或者开始由远离期望值转变为接近期望值)，采用退火控制。其控制规则为：

IF (0＜|e|≤δ AND _n·_n-1≤0)，THEN U＝u_H+(K_p·K_d)e

其中，K_d＜1为退火系数。

五、在上述一、三情况下，修改比例系数，为下阶段控制做准备，以提高控制的稳定性。

1)当误差非常大时，记录误差峰值出现时刻，并判断误差峰值间隔时间t_em和相邻两次误差峰值比的绝对值|e_mi-1/e_mi|，若误差峰值间隔时间短或误差峰值比的绝对值小于1，则减小比例系数K_p，即：

IF |e|≥M AND (t_em＜τ OR |e_mi-1/e_mi|＜1)，THEN K_p＝K_d·K_p

其中，τ为阈值(给定的常数)，K_d＜1为退火系数。

2)当误差非常大而且误差变化的绝对值小于δ’，那么比例系数可以较大幅度增加，即：

IF (|e|≥M AND ||＜δ’)，THEN K_p＝K_l·K_p

其中，K_l＞1。

3)当误差为0时，记录误差的过零速率_0i，若过零速率过大，则减小比例系数K_p，即：

IF _0i＞ε，THEN K_p＝K_d·K_p

其中，ε为阈值(给定的常数)，K_d＜1为退火系数。

六、在上述方法五的基础上，增加抗干扰控制规则：

当相邻两次误差峰值比的绝对值和相邻两次误差过零速率比都小于1时，采用上一周期的控制策略，即：

IF(|e_mi-1/e_mi|＜1 AND _0i-1/_0i＜1)THEN U_i＝U_i-1

我们将制定的下列控制规则，存入如图1所示的规则库中。

$\left.\begin{array}{cccccc}\mathrm{IF}& e>0& \mathrm{AND}& \left|e\right|\&GreaterEqual;M& \mathrm{THEM}& U=0\\ \mathrm{IF}& e<0& \mathrm{AND}& \left|e\right|\&GreaterEqual;M& \mathrm{THEM}& U=\mathrm{UM}\end{array}\right\}$                                                                   开关控制

IF δ＜|e|≤M OR (|e|≤δ AND e·＞0)，THEN U＝u_H          比例控制

IF (|e|≤δ AND e·＜0) OR e＝0，THEN U＝u_H                保持控制

IF (0＜|e|≤δ AND _n·_n-1≤0)，THEN U＝u_H+(K_p·K_d)  退火控制

$\left.\begin{array}{cccccc}\mathrm{IF}& \left|e\right|\&GreaterEqual;M& \mathrm{AND}& (t_{\mathrm{em}}<\mathrm{\&tau;OR}|e_{\mathrm{mi}-1}/e_{\mathrm{mi}}|<1),& \mathrm{THEN}& K_p=K_1\&CenterDot;K_p\\ \mathrm{IF}& \left(\right|e|\&GreaterEqual;\mathrm{MAND}|\stackrel{\&CenterDot;}{e}|<\mathrm{\&delta;}\text{'}),& \mathrm{THEN}& K_p=K_1\&CenterDot;K_p& & \end{array}\right\}$                                                                   稳定控制

IF _0i＞ε，THEN K_p＝K_d·K_p

IF (|e_mi-1/e_mi|＜1 AND _0i-1/_0i＜1) THEN U_i＝U_i-1     抗干扰控制

本发明包括如下部件：规则库、推理机、特征辨识、参数校正、数据库和执行器。

上述规则中的参数可由参数校正器自动修改，或手动修改，规则本身也可以手动修改。

在实际使用中，上述规则转换成程序设计语言形式的表达式或语句，被控制程序调用，指挥执行器作用于被控对象。

上述电加热炉单温度控制系统在无扰动情况下的动态误差曲线如图2所示。误差在t₁和t₃时刻分别达到正负误差峰值，在t₂和t₁时刻均为0，在M虚线以上区域停止加热，在-M虚线以下区域全功率加热，在M虚线和δ虚线之间、-M虚线和-δ虚线之间，以及时刻0和t₄后δ虚线和横坐标之间、时刻t₂后-δ虚线和横坐标之间的区域采用比例控制，时刻t₂和t₄前δ、-δ虚线和横坐标之间的区域采用保持控制。如果误差曲线在纵轴上跨度非常小，如图3所示，则在t₁和t₃时刻采用退火控制。

常规PID控制下的输出曲线如图4所示，采用本专利所述控制模式下的输出曲线如图5所示。控制效果明显改善。图4中对不同区域采用不同控制模式做了进一步说明。

控制方法可根据具体情况，进行不同形式的组合加以应用。

以上对所公开的涉及温度控制方法进行了具体描述，本领域技术人员将能理解和实施，在不偏离本发明范围情况下，可以对控制规则进行形式和细节的种种修改，比如对于瞬时扰动还可以增加抗干扰控制规则：IF|e_n|＞|e_n-1|AND|e_n-1|＞|e_n-2|ANDe_n·e_n-1＞0 AND e_n-1·e_n-2＞0，THEN U(k)＝U(k-1)+(K_p·K_D)e，K_D＞1，以消除静差。因此以上所建议的但不限定的修改都在本发明的范围之内。

Claims (3)

1、基于特征信息的快速稳定温度控制方法，其特征是利用控制系统中多种动态的实时信息来控制温度，包括采用下列步骤：首先，利用误差e和误差变化e这两个最基本的特征变量，构造一组派生特征信息；然后利用派生特征信息设计开关、比例、退火、保持等控制规则；计算机根据实时采集数据和数据库中的数据进行特征辨识，识别系统的动态行为，推理机根据辨识结果，从规则库中选取最有效的控制规则，作用于执行器，对被控对象进行精确的控制：

(1)在误差非常大时，采用局部开关控制，控制规则为：在误差绝对值非常大时，误差为正则关闭执行器，误差为负则执行器以最大功率输出，即：

若e＞0且|e|≥M，则U＝0；若e＜0且|e|≥M，则U＝UM

其中，M为给定的阈值，U为控制输出，UM为常数，表示输出最大值；

(2)在误差比较大时，采用比例控制，控制输出为上次输出与若干倍误差之和，即：

若δ＜|e|≤M，则U＝u_H+K_pe

其中，δ为给定的阈值，K_p为比例系数，u_H为上次输出保持值；

(3)如果误差已经比较小，但误差与误差变化的乘积＞0，也进行比例控制；

(4)在误差比较小而且误差和误差变化乘积小于0时，采用保持控制，控制规则为：

若(|e|≤δ且e·＜0)或e＝0，THEN U＝u_H

如果误差为0，则不管误差与误差变化的乘积是否小于0，也进行保持控制；

(5)在误差比较小而且被控量开始由接近期望值转变为远离期望值，或者开始由远离期望值转变为接近期望值时，采用退火控制，控制规则为：当误差比较小，而且本次误差变化与上次误差变化乘积小于或等于0时，输出为上次输出值与若干倍误差之和，这里误差的倍数在上述的比例系数基础上乘以一个小于1的退火系数，即：

若(0＜|e|≤δ且_n·_n-1≤0)，则U＝u_H+(K_p·K_d)e

其中，K_d为退火系数。

2、根据权利要求1所述的快速稳定温度控制方法，其特征是在上述(1)、(4)条件下，修改比例系数，为下阶段控制做准备：

(1)当误差非常大时，记录误差峰值出现时刻，并判断误差峰值间隔时间t_em和相邻两次误差峰值比的绝对值|e_mi-1/e_mi|，若误差峰值间隔时间短或误差峰值比的绝对值小于1，则减小比例作用，即：

若|e|≥M且(t_em＜τ或|e_mi-1/e_mi|＜1)，则K_p＝K_d·K_p

其中，τ为阈值(给定的常数)，K_d＜1为退火系数。

(2)当误差非常大而且误差变化的绝对值小于δ’，那么比例作用可以较大幅度增加，即：

若(|e|≥M且||＜δ’)，则K_p＝K₁·K_p，其中，K₁＞1。

(3)当误差为0时，记录误差的过零速率_0i，若过零速率过大，则减小比例作用(用K_p乘以K_d作为新的K_p，K_d为退火系数)。

3、根据权利要求2所述的快速稳定温度控制方法，其特征是增加控制规则：当相邻两次误差峰值比的绝对值和相邻两次误差过零速率比都小于1时，采用上一周期的控制输出。

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