CN115480478A - 一种基于dmc-pid的恒速变温过程控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于DMC‑PID技术的恒速变温过程控制方法。针对加热炉的非线性特性，基于PID控制器能够改善被控对象动态响应的特点，在控制***副回路中采用PID控制器，将被控对象改造为线性广义对象。基于该广义对象，获取***阶跃响应模型。针对控制过程中跟踪性差的问题，基于DMC算法超前预测性和最优控制的特点，在主回路中采用DMC控制器，控制由PID控制器和加热炉组成的广义线性对象，实现无静差控制，解决升温控制起始阶段***响应缓慢的问题，减小调节时间。本发明能够改善控制过程的跟踪特性，有效减小静差，提高***的响应速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于DMC-PID技术的恒速变温过程控制方法，属于过程控制领域。
背景技术
升温过程稳定无超调，对加热炉温度和温度变化速率的精确控制具有重要意义。目前，对加热炉的温度控制最常用的算法及控制单元是PID控制模块。PID控制应用简单，易于实现，但是控制器参数整定困难，对于非线性强的被控对象控制效果不佳。PID控制在恒速升温控制过程中均存在测量值与设定之间存在静差的温度跟踪性差的问题，测量值与设定值之间的静差会影响加热炉在升温过程的起始阶段和结束阶段的响应效果，在起始阶段存在升温曲线的线性度差的问题，在结束阶段存在无法达到实验所需最大温度值的问题。
发明内容
针对上述控制方法在加热炉恒速升温过程中跟踪性差及控制性能不佳的问题，本发明提出一种加热炉恒速升温过程DMC-PID控制装置。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于DMC-PID的恒速变温过程控制方法，通过预测控制算法对加热炉的温度进行控制，包括以下步骤：
将PID控制器和加热炉组成广义对象，构建预测控制器；
通过预测控制器得到PID控制器的输入设定值；
PID控制器根据输入设定值和测量实际温度值，控制加热炉温度。
所述将PID控制器和加热炉组成广义对象，采用临界比例度法整定PID参数。
所述构建预测模型，包括以下步骤：
将PID控制器和加热炉组成广义对象，采用有限冲击响应测试，得到预测控制器模型动态矩阵A＝{a1,a2,…,aN}，采样周期选择符合Shannon定理，使预测控制器参数完整地描述加热炉的动态信息，ai表示第i个阶跃响应系数，i＝1…N，N表示模型长度，模型长度大于被控对象加热炉的调节时间，测得滞后时间值td；设定线性升温速率为v，制定线性升温轨迹，设定值维持室温时间大于2倍td，随后以v速率线性增加；完成预测控制器的构建。
所述通过预测控制器得到PID控制器的输入设定值，包括以下步骤：
根据预测控制器、当前k时刻温度预测控制增量ΔuM(k)、当前时刻初始输出预测值
得到下一时刻输出预测值
同时测量实际温度输出值y(k)，两者做差得到预测误差e；
由预测误差对输出预测值进行校正，校正后的输出预测值为
h为N维校正向量，取值均为1；
进行移向操作后得到下一时刻的初始输出预测值：
其中S为移项矩阵；
性能优化函数
第一项为输出误差系数，是线性升温设定值与输出预测值的平方和；第二项为控制增量系数，是控制增量平方和；极小化输出误差系数和控制增量系数的两个性能指标，计算出最优控制增量
其中权系数构成的对角阵Q、R分别称为误差权矩阵和控制权矩阵；
构成下一时刻实际控制量u1(k+1)＝u1(k)+ΔuM(k+1)，作为PID控制器的输入设定值。
所述PID控制器根据输入设定值和测量实际温度值，控制加热炉温度，包括以下步骤：
PID控制器根据输入设定值和测量实际温度值，得到加热机构控制量u2，以使加热机构执行为加热炉加热操作。
一种基于DMC-PID的恒速变温过程控制装置，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现一种基于DMC-PID的恒速变温过程控制方法。
一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现一种基于DMC-PID的恒速变温过程控制方法。
本发明具有以下有益效果及优点：
在控制***副回路中采用PID控制器，改善被控对象的动态响应特性，有效改善被控对象的线性度，通过阶跃响应测试可以得到由PID控制器和加热炉组成的广义对象为线性对象。在主回路中采用DMC控制器，可实现对由PID控制器和加热炉组成的广义线性对象的无静差控制。最后，引入前馈控制器，通过前馈补偿改善起始阶段的控制量的缓慢变化，减小控制***的调节时间。本发明的优点是控制精度高，设定值跟踪性能好，可降低起始有效温度，拓展有效温度范围。
附图说明
图1为加热炉恒速升温过程DMC-PID控制装置结构示意图；
图2为加热炉恒速升温过程DMC-PID控制装置原理图；
图3为加热炉恒速升温过程DMC-PID控制方法结构图；
图4为加热炉恒速升温过程DMC-PID控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，一种用于精确控制加热炉温度变化速率的控制装置，包括：输入输出单元、嵌入式DMC-PID控制单元、执行单元三部分。
所述输入输出单元包括温度传感器、A/D转换短路和抗扰电路、滤波电路。热电阻、热电偶与A/D转换电路连接，将各类热电阻、热电偶信号转换为电压、电流信号，A/D转换电路输出端与抗扰电路连接，实现抗浪涌、抗串模、抗共模、抗周期跌落、抗静电、抗群脉冲等，滤波电路将纯净的数字信号传递给DMC-PID控制单元；嵌入式DMC-PID控制单元计算后给定的控制信号再通过电流输出、电压脉冲输出、继电器输出给执行单元。
执行单元包括控制加热丝加热的调相控制模块和控制液氮冷却的继电控制模块，调相控制模块包括主回路可控硅和移相控制电路，继电控制模块包括继电器和电磁阀。通过调相控制模块，将加热控制器的控制量转换为电压4-20mA/0-10mA/0-20mA电流，对触发电路的电压进行调功加热，通过改变加热丝的加热功率，实现对温度的控制作用。
所述DMC-PID控制单元包括SPI接口、滤波器、DMC-PID控制核心算法控制器、PWM模块。常规参数通过SPI接口进入控制单元，通过滤波器滤波后进入控制算法核心控制器，芯片中的DMC-PID算法自动完成，手动控制用于过程控制的启动，试运行阶段，或当***出现异常时，人工调节阀位输出，直至异常排除，再切换到自动控制。
加热炉恒速升温过程DMC-PID控制算法采用主回路DMC控制器，副回路PID控制器的串级控制方法。
所述主回路DMC控制器的特征在于其被控对象为PID控制器和加热炉组成的广义对象，控制器输入为线性升温设定值wp，即温度设定参考轨迹，输出为温度预测控制量u1，采用动态矩阵预测控制算法。控制器包含广义对象的阶跃响应模型、反馈校正、基于参考轨迹的滚动优化。
所述副回路PID控制器的特征在于其被控对象为加热炉，控制器输入为主回路温度预测控制量u1，输出为加热机构控制量u2，算法采用比例-积分-微分算法。
加热炉恒速升温过程DMC-PID控制方法的步骤为：
(1)设计副回路PID控制器，整定PID控制器参数。
(2)步骤(1)的PID控制器和加热炉组成广义对象，对其进行阶跃响应测试，得到该广义对象的预测模型，以及滞后时间值td；根据滞后时间和线性升温速率，制定线性升温轨迹，即每一时刻的线性升温设定值。
(3)根据预测模型和温度预测控制量u1，计算下一时刻输出预测值，同时测量当前时刻的实际温度输出值，两者做差得到预测误差；
(4)由预测误差对输出预测值进行校正；
(5)优化性能指标。输出误差系数为线性升温设定值与输出预测值的平方和，控制增量系数为控制增量平方和。极小化输出误差系数和控制增量系数的两个性能指标，计算出最优控制增量，取当前时刻控制增量构成实际控制量，作为PID控制器的输入设定值；
(6)由PID控制器计算得到加热机构控制量u2，加热机构执行为加热炉加热操作；
(7)重复步骤(3)～(6)，直到升温过程结束。
本发明以某型号基于调相式调压控制电热丝加热机理的加热炉恒速升温过程为例。阐述加热炉恒速升温过程DMC-PID控制方法的具体实施方式，其他形式的控制器可按照本发明所述进行推广。
预测控制算法是一种最优控制算法，在每一个控制周期内极小化一个性能指标，从而求得最优控制律。滚动优化得到的控制量是在一定程度上追求设定值与预测值最小情况下的最优解。因此，预测控制算法能够减小设定值与输出值之间的静差，实现无静差控制。由此，设计主控制器为预测控制器，改善***的跟踪特性。根据设备处理器能力进行主控制器DMC控制器的参数选择，模型时域N＝200，预测时域P＝200，控制时域M＝100。
实现步骤如下：
(1)设计副回路PID控制器，对于调相式调压器加热机构和室温低对流温度传递模型的综合非线性被控对象，首先将其通过PID控制，构成一个广义线性对象。采用临界比例度法为控制器整定PID参数。
(2)步骤(1)的PID控制器和加热炉组成广义对象。采用有限冲击响应测试，得到模型向量A＝{a1,a2,…,aN}，采样周期选择符合Shannon定理，要求预测模型参数尽可能完整地描述被控对象的动态信息，故N取200，模型步长为0.25s，测得滞后时间值td；设定线性升温速率为v，制定线性升温轨迹，设定值维持室温时间大于2倍td，随后以v速率线性增加。
(3)根据预测模型、当前k时刻温度预测控制增量ΔuM(k)、当前时刻初始输出预测值
计算下一时刻输出预测值
同时测量实际温度输出值y(k)，两者做差得到预测误差e；
(4)由预测误差对输出预测值进行校正，校正后的输出预测值为
h为N维校正向量，取值均为1。
进行移向操作后得到下一时刻的初始输出预测值：
其中S为移项矩阵。
(5)
第一项为输出误差系数，是线性升温设定值与输出预测值的平方和；第二项为控制增量系数，是控制增量平方和。极小化输出误差系数和控制增量系数的两个性能指标，计算出最优控制增量
其中权系数构成的对角阵Q、R分别称为误差权矩阵和控制权矩阵。
构成下一时刻实际控制量u1(k+1)＝u1(k)+ΔuM(k+1)，作为PID控制器的输入设定值；
(6)由PID控制器计算得到加热机构控制量u2(k)，加热机构执行为加热炉加热操作；
(7)重复步骤(3)～(6)，直到升温过程结束。
Claims (7)
1.一种基于DMC-PID的恒速变温过程控制方法，其特征在于，通过预测控制算法对加热炉的温度进行控制，包括以下步骤：
将PID控制器和加热炉组成广义对象，构建预测控制器；
通过预测控制器得到PID控制器的输入设定值；
PID控制器根据输入设定值和测量实际温度值，控制加热炉温度。
2.根据权利要求1所述的一种基于DMC-PID的恒速变温过程控制方法，其特征在于，所述将PID控制器和加热炉组成广义对象，采用临界比例度法整定PID参数。
3.根据权利要求1所述的一种基于DMC-PID的恒速变温过程控制方法，其特征在于：所述构建预测模型，包括以下步骤：
将PID控制器和加热炉组成广义对象，采用有限冲击响应测试，得到预测控制器模型动态矩阵A＝{a1,a2,…,aN}，采样周期选择符合Shannon定理，使预测控制器参数完整地描述加热炉的动态信息，ai表示第i个阶跃响应系数，i＝1…N，N表示模型长度，模型长度大于被控对象加热炉的调节时间，测得滞后时间值td；设定线性升温速率为v，制定线性升温轨迹，设定值维持室温时间大于2倍td，随后以v速率线性增加；完成预测控制器的构建。
4.根据权利要求1所述的一种基于DMC-PID的恒速变温过程控制方法，其特征在于，所述通过预测控制器得到PID控制器的输入设定值，包括以下步骤：
根据预测控制器、当前k时刻温度预测控制增量ΔuM(k)、当前时刻初始输出预测值
得到下一时刻输出预测值
同时测量实际温度输出值y(k)，两者做差得到预测误差e；
由预测误差对输出预测值进行校正，校正后的输出预测值为
h为N维校正向量，取值均为1；
进行移向操作后得到下一时刻的初始输出预测值：
其中S为移项矩阵；
性能优化函数
第一项为输出误差系数，是线性升温设定值与输出预测值的平方和；第二项为控制增量系数，是控制增量平方和；极小化输出误差系数和控制增量系数的两个性能指标，计算出最优控制增量
其中权系数构成的对角阵Q、R分别称为误差权矩阵和控制权矩阵；
构成下一时刻实际控制量u1(k+1)＝u1(k)+ΔuM(k+1)，作为PID控制器的输入设定值。
5.根据权利要求1所述的一种基于DMC-PID的恒速变温过程控制方法，其特征在于，所述PID控制器根据输入设定值和测量实际温度值，控制加热炉温度，包括以下步骤：
PID控制器根据输入设定值和测量实际温度值，得到加热机构控制量u2，以使加热机构执行为加热炉加热操作。
6.一种基于DMC-PID的恒速变温过程控制装置，其特征在于，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如权利要求1-5任一项所述的一种基于DMC-PID的恒速变温过程控制方法。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-5任一项所述的一种基于DMC-PID的恒速变温过程控制方法。
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