基於特徵信息的快速穩定溫度控制方法
2023-09-19 09:45:20
專利名稱：基於特徵信息的快速穩定溫度控制方法
技術領域：
本發明涉及工業過程控制領域，提供了一種利用多種特徵信息進行溫度快速穩定控制的方法。
背景技術：
在工業控制系統中，溫度是最重要的和最難的控制參數之一。
被控的溫度系統具有滯後性(慣性)，可以用具有純時間滯後的二階傳遞函數近似描述。現有的溫度控制方法有PID控制(比例、積分、微分控制的線性組合)及其多種改進方案。對於沒有精確數學模型的二階被控系統，通過適當選擇PID控制器中的比例係數KP、積分係數KI和微分係數KD三個參數，可以在一定程度上獲得比較滿意的響應特性。比例控制是準確控制的基本手段，積分控制用來消除靜差，微分控制用以加快系統響應速度。但這種方法中穩定性和準確性之間存在矛盾，參數整定非常麻煩，系統往往要經歷比較長的過渡時間才能進入穩定控制區或近似穩定控制區。對於有精確數學模型的二階被控系統，PID控制器傳遞函數的零極點可以和被控系統傳遞函數的零極點相抵消，所以控制效果很理想；針對滯後系統，還有一些基於精確數學模型構造補償環節或算式的PID改進方案，如史密斯(Smith，O.J.M.)預估補償方案、大林(Dahlin，E.B.)控制算法、卡爾曼(Kalman，R.E.)控制算法和V.E.(Vogel，E.F. Edgar，T.F.)控制算法等，它們可以不同程度地進一步改進控制效果。但是，由於實際系統的複雜性，被控系統的精確數學模型是很難得到的，所以，上述方法難以在實際工程中應用。
實際應用中，工程人員常常採用開關控制(bang-bang控制)方法來控制溫度，這種控制模式簡單易於實現。但常規開關控制的控制輸出量要麼是一固定常數，要麼是零，其精度不高，穩定性不好。
仿人智能開關控制方法是一種智能型溫度控制方法，它模仿人工過程，根據誤差及誤差變化的趨勢調節控制輸出時間的「佔空比」來控制溫度，即將一個控制周期分成控制輸出(開)與控制不輸出(關)兩個階段，調節兩階段所佔時間的比例來調節溫度。但單一的仿人智能開關控制方法精度仍然不高，而且仍然有不少參數需要整定。
還有一種基於極值採樣的仿人智能控制方法，該方法將控制周期劃分成多個階段，不同階段採用不同的控制方法，包括比例控制、抑制控制和保持控制。保持控制取代積分作用，有效地消除了積分作用帶來的相位滯後和積分飽和問題，抑制控制用來解決控制系統的穩定性與準確性、快速性之間的矛盾。這種方法在誤差越過極值點朝減小的方向變化時採用抑制和保持控制，若誤差極值比較大，則需要一定的時間才能過渡到期望值附近，降低了過渡時間和超調時間這兩個指標的性能；另外，用誤差變化為0來斷定出現極值點並不可靠，因為在計算機控制系統中，特徵信息實際是離散的，極有可能發生極值點已經出現但誤差變化不為0，還有用相鄰兩次誤差變化乘積小於0作為判據的，這也不可靠，因為兩次採樣值在極值點左右相同的情況是經常發生的，如果發生則得不到相鄰兩次誤差變化乘積小於0。
中國專利03100391.5號申請文件公開了「較大滯後溫度系統的控制方法」，它是一種特定周期的間歇控制方式，其實質思想是開關控制即Bang-Bang控制，這種簡單的控制方法適合單一恆溫控制場合。由於溫度變化特點是升溫速度遠遠大於降溫速度，所以在溫度控制精度要求高、工況複雜的場合，Bang-Bang控制難以勝任。
中國專利03154473.8號申請文件公開了「數字式智能溫度控制方法及溫控半導體雷射器」，提供了一種數字式人工智慧算法將檢測到的溫度數據轉換成控制數據，再將控制數據轉換成脈衝比例信號，用該信號控制開關元件按照一定佔空比和頻率開啟與關斷，進而控制溫度。顯然其實質是仿人智能開關控制方式，不適合工況複雜的工程系統。
美國專利US 60/266,926號申請文件公開了「慣性溫度控制系統和方法」，提供了一種用於加熱爐的溫度控制算法，該算法通過控制溫度斜率設置點的加速和減速，使溫度以有限的可達的速度改變。這種算法實質上是一種仿人智能比例控制方法，即不斷地調整給定值，使輸出不斷逼近期望值，從而提高系統穩態精度，可有效避免超調，比較適合線性定常系統，不宜在控制過程全程使用。
日本專利JP 237678/92號申請文件公開了一種溫度控制方法，其溫度控制需要得到在每一時間間隔上溫度增減的加速度，並由前一步驟中的溫度增減的加速度對每一時間間隔內加熱部分的負載率進行修正，由該負載率控制上述加熱部分的溫度，進一步地，在溫度增加過程中關閉加熱器，預測溫度經過一時滯後開始下降的時間點，在預估溫度下降到設定值的時間點之前使加熱器重新打開。這實際上是一種開關控制方式，不適合精度要求高的場合。
日本專利JP 53133/2002號申請文件，涉及一種像加熱裝置和溫度控制方法，該溫度控制目的是為了防止高溫時的帶卷付滾筒，通過從勵磁電路到勵磁線圈的通電停止使由發熱滾筒對帶的加熱停止，帶的設定溫度由多個檢測變量推定。該溫度控制方法專用性強，就其控制方法本身來講，模式單一。檢索到的其它溫度控制相關的專利申請文件所述溫度控制方法基本上也都是針對某一特別應用場合的具體方法和措施。
發明內容
本發明目的是解決克服工業控制中溫度控制系統響應速度慢和穩定性差的技術問題。
本發明的目的還在於利用誤差與誤差變化的派生量來控制溫度，克服目前溫度控制方法忽視控制系統中實時動態信息的充分利用的技術問題。
本發明的目的是這樣實現的實現本發明的技術方案概括如下1、基於特徵信息的快速穩定溫度控制方法，利用控制系統中多種動態的實時信息來控制溫度，包括採用下列步驟首先，利用e(誤差)和(誤差變化)這兩個最基本的特徵變量，構造一組派生特徵信息；然後利用派生特徵信息設計開關、比例、退火、保持等控制規則；計算機根據實時採集數據和資料庫中的數據進行特徵辨識，識別系統的動態行為，推理機根據辨識結果，從規則庫中選取最有效的控制規則，作用於執行器，對被控對象進行精確的控制。
(1)在誤差絕對值非常大時，採用局部開關控制，控制規則為若e＞0且|e|≥M，則U＝0若e＜0且|e|≥M，則U＝UM其中，M為給定的閾值，U為控制輸出，UM為常數，表示輸出最大值(全開)；(2)在誤差絕對值比較大時，採用比例控制，控制規則為若δ＜|e|≤M，則U＝uH+Kpe其中，δ為給定的閾值，Kp為比例係數，uH為上次輸出保持值；(3)如果誤差絕對值已經比較小，但誤差與誤差變化的乘積＞0，也進行比例控制；(4)在誤差絕對值比較小而且誤差和誤差變化乘積小於0時，採用保持控制，控制規則為若(|e|≤δ且e·＜0)或e＝0，THEN U＝uH如果誤差為0，則不管誤差與誤差變化的乘積是否小於0，也進行保持控制；(5)在誤差絕對值比較小而且本次誤差變化與上次誤差變化乘積小於或等於0時，採用退火控制，控制規則為若(0＜|e|≤δ 且 n·n-1≤0)，則U＝uH+(Kp·Kd)e其中，Kd＜1為退火係數。
2、基於特徵信息的增強穩定溫度控制方法，在上述(1)、(4)條件下，修改比例係數，為下階段控制做準備(1)當誤差非常大時，記錄誤差峰值出現時刻，並判斷誤差峰值間隔時間tem和相鄰兩次誤差峰值比的絕對值|emi-1/emi|，若誤差峰值間隔時間短或誤差峰值比的絕對值小於1，則減小比例作用，即若|e|≥M且(tem＜τ或|emi-1/emi|＜1)，則Kp＝Kd·Kp其中，τ為閾值(給定的常數)，Kd＜1為退火係數。
(2)當誤差非常大而且誤差變化的絕對值小於δ』，那麼比例作用可以較大幅度增加，即若(|e|≥M且||＜δ』)，則Kp＝K1·Kp，其中，K1＞1。
(3)當誤差為0時，記錄誤差的過零速率0i，若過零速率過大，則減小比例作用(用Kp乘以Kd作為新的Kp，Kd為退火係數)。
3、基於特徵信息的抗幹擾控制方法，判斷動態信息，當相鄰兩次誤差峰值比的絕對值和相鄰兩次誤差過零速率比都小於1時，採用上一周期的控制輸出。
本發明涉及的派生特徵信息及含義說明如下|e|誤差的絕對值。用|e|＜δ、|e|＞M可以表明系統是處於期望值附近還是誤差峰值附近。其中δ、M為閾值(給定的常數)，δ＜M，且M＞允許誤差閾值的絕對值。
e·誤差與誤差變化的乘積。可以判斷系統動態過程誤差變化的趨勢，若e·＞0則是遠離期望值，若e·＜0則是靠近期望值。
n·n-1相鄰兩次誤差變化之積。表明誤差是否出現極值，若n·n-1≤0表明出現極值，若n·n-1＞0表明無極值。
emi本次誤差峰值。
uH前期輸出量的保持值。記憶該值，可以作為下一次輸出的參考，若系統穩定，可以繼續保持該輸出，而不必重新計算。
0i誤差的第i次過零速率。該速率越小越好，因為小說明系統趨於穩定，大則說明趨于振蕩或抖動。
tem誤差峰值間隔時間。該值越大說明系統振蕩周期長，和誤差峰值結合使用可以說明系統的穩定性，誤差峰值小且tem大說明系統穩定性好，否則單單誤差峰值小，系統有可能還在抖動。
|emi-1/emi|相鄰兩次誤差峰值比的絕對值。可以表明控制效果趨勢，若|emi-1/emi|＞1說明控制效果或超調情況可能轉好，若|emi-1/emi|＜1則控制效果可能在變差。
||誤差變化的絕對值。用||＜δ』和||＞M』可以表明系統的誤差變化速度是緩慢還是迅速。δ』、M』為閾值。
0i-1/0i相鄰兩次誤差過零速率比。若0i-1/0i＞1說明控制效果轉好，0i-1/0i＜1則系統的超調有可能比前一次增加，和|emi-1/emi|結合使用可以增加推理的可信度，因為幹擾信號也會影響|emi-1/emi|值。本發明的特點是構造了豐富的被控系統的特徵信息，提高了被控系統的透明度，能實時掌握誤差變化規律和被控對象的慣性、純滯後及擾動等特性，根據這些規律和特性，選擇不同控制策略，實現溫度的快速穩定控制。能解決現有溫度控制參數整定困難、過渡期長、響應速度慢和穩定性差的問題。
本發明取消了微分和積分作用，不存在幾個參數之間權衡折中的頭疼問題，易於實現。通過多種特徵信息進行開關、比例、退火和開環保持的綜合模式控制，通過不斷改變控制策略來適應被控系統的不斷變化，具有自適應特色，而且智能可增強性好(只要增加適當的特徵信息就可增強系統的控制智能水平)。在誤差較大時，使用開關控制可以快速減小誤差。其比例作用可以遠遠超過其它控制中的比例作用，因為系統輸出一旦接近參考點，立即改變比例係數，降低輸出量，不用因為擔心超調而折中考慮比例係數，所以大大縮短了上升時間和過渡時間。保持模式是一種開環方式，它可減小靜差甚至無靜差，對純滯後工業系統特別有效。通過特徵信息綜合預測誤差的變化方向，加快系統響應速度，並且區分幹擾信號與系統本身的被測信號。在系統誤差較小時，採用退火模式，減小了超調量，從而增加了穩定性。在由閉環切換到開環保持模式、由開環切回閉環，甚至更複雜的多模式控制，都利用特徵信息來驅動切換，使信息處理速度提高、需要處理的信息減少、切換的可靠性、準確性增加。
圖1是本發明控制系統結構2是本發明電加熱爐單溫度控制系統的動態誤差曲線示意圖1圖3是本發明電加熱爐單溫度控制系統的動態誤差曲線示意圖2圖4是本發明輸出曲線示意圖1其中1——開關控制，2——比例控制，3——退火控制，4——保持控制圖5是本發明輸出曲線示意圖具體實施方式
下面結合附圖，說明本發明實施的方式
假設一個電加熱爐單溫度控制系統，要求控制系統將被控對象溫度Y穩定控制在設定值R。計算機在線獲取信息的主要來源就是R和Y，也可以從實時或歷史資料庫中獲取數據，從中可以計算出誤差e(Y-R)、誤差變化(de/dt)以及其它表徵系統動態特性的特徵信息。計算機藉助於這些特徵信息，識別系統的動態行為，作為控制決策的依據。根據系統的動態特徵及動態行為，從規則庫中選取最有效的控制規則，對被控對象進行精確的控制。
控制方法包括*不妨設控制輸出(開)使被控量增大，控制不輸出(關)使被控量減小。一、在誤差絕對值非常大時，採用局部開關控制。其控制規則為IF e＞0 AND |e|≥M，THEN U＝0IF e＜0 AND |e|≥M，THEN U＝UM其中，U為控制輸出，UM為常數，表示輸出最大值(全開)。另外，多數執行器是由電機拖動的，電機傳速為0會燒壞電機，所以實際使用時，應將規則中的輸出由0改為一個比較小的常數，保護執行器。
二、在誤差絕對值比較大時，採用比例控制。其控制規則為IF δ＜|e|≤M OR (|e|≤δ AND e·＞0)，THEN U＝uH+Kpe其中，Kp為比例係數。如果誤差絕對值已經比較小，但誤差與誤差變化的乘積＞0(被控量正在遠離期望值)，所以也進行比例控制。
三、在誤差絕對值比較小而且被控量正在接近期望值時，採用保持控制。其控制規則為IF (|e|≤δ AND e·＜0) OR e＝0，THEN U＝uH如果誤差為0，則不管誤差與誤差變化的乘積是否小於0，也進行保持控制。
四、在誤差絕對值比較小而且出現極值點時(被控量開始由接近期望值轉變為遠離期望值，或者開始由遠離期望值轉變為接近期望值)，採用退火控制。其控制規則為IF (0＜|e|≤δ AND n·n-1≤0)，THEN U＝uH+(Kp·Kd)e其中，Kd＜1為退火係數。
五、在上述一、三情況下，修改比例係數，為下階段控制做準備，以提高控制的穩定性。
1)當誤差非常大時，記錄誤差峰值出現時刻，並判斷誤差峰值間隔時間tem和相鄰兩次誤差峰值比的絕對值|emi-1/emi|，若誤差峰值間隔時間短或誤差峰值比的絕對值小於1，則減小比例係數Kp，即
IF |e|≥M AND (tem＜τ OR |emi-1/emi|＜1)，THEN Kp＝Kd·Kp其中，τ為閾值(給定的常數)，Kd＜1為退火係數。
2)當誤差非常大而且誤差變化的絕對值小於δ』，那麼比例係數可以較大幅度增加，即IF (|e|≥M AND ||＜δ』)，THEN Kp＝Kl·Kp其中，Kl＞1。
3)當誤差為0時，記錄誤差的過零速率0i，若過零速率過大，則減小比例係數Kp，即IF 0i＞ε，THEN Kp＝Kd·Kp其中，ε為閾值(給定的常數)，Kd＜1為退火係數。
六、在上述方法五的基礎上，增加抗幹擾控制規則當相鄰兩次誤差峰值比的絕對值和相鄰兩次誤差過零速率比都小於1時，採用上一周期的控制策略，即IF(|emi-1/emi|＜1 AND 0i-1/0i＜1)THEN Ui＝Ui-1我們將制定的下列控制規則，存入如圖1所示的規則庫中。
IFe>0AND|e|MTHEMU=0IFe0AND|e|MTHEMU=UM]]>開關控制IF δ＜|e|≤M OR (|e|≤δ AND e·＞0)，THEN U＝uH比例控制IF (|e|≤δ AND e·＜0) OR e＝0，THEN U＝uH保持控制IF (0＜|e|≤δ AND n·n-1≤0)，THEN U＝uH+(Kp·Kd) 退火控制IF|e|MAND(temOR|emi-1/emi|1),THENKp=K1KpIF(|e|MAND|e|'),THENKp=K1Kp]]>穩定控制IF 0i＞ε，THEN Kp＝Kd·KpIF (|emi-1/emi|＜1 AND 0i-1/0i＜1) THEN Ui＝Ui-1抗幹擾控制本發明包括如下部件規則庫、推理機、特徵辨識、參數校正、資料庫和執行器。
上述規則中的參數可由參數校正器自動修改，或手動修改，規則本身也可以手動修改。
在實際使用中，上述規則轉換成程序設計語言形式的表達式或語句，被控制程序調用，指揮執行器作用於被控對象。
上述電加熱爐單溫度控制系統在無擾動情況下的動態誤差曲線如圖2所示。誤差在t1和t3時刻分別達到正負誤差峰值，在t2和t1時刻均為0，在M虛線以上區域停止加熱，在-M虛線以下區域全功率加熱，在M虛線和δ虛線之間、-M虛線和-δ虛線之間，以及時刻0和t4後δ虛線和橫坐標之間、時刻t2後-δ虛線和橫坐標之間的區域採用比例控制，時刻t2和t4前δ、-δ虛線和橫坐標之間的區域採用保持控制。如果誤差曲線在縱軸上跨度非常小，如圖3所示，則在t1和t3時刻採用退火控制。
常規PID控制下的輸出曲線如圖4所示，採用本專利所述控制模式下的輸出曲線如圖5所示。控制效果明顯改善。圖4中對不同區域採用不同控制模式做了進一步說明。
控制方法可根據具體情況，進行不同形式的組合加以應用。
以上對所公開的涉及溫度控制方法進行了具體描述，本領域技術人員將能理解和實施，在不偏離本發明範圍情況下，可以對控制規則進行形式和細節的種種修改，比如對於瞬時擾動還可以增加抗幹擾控制規則IF|en|＞|en-1|AND|en-1|＞|en-2|ANDen·en-1＞0 AND en-1·en-2＞0，THEN U(k)＝U(k-1)+(Kp·KD)e，KD＞1，以消除靜差。因此以上所建議的但不限定的修改都在本發明的範圍之內。
權利要求
1.基於特徵信息的快速穩定溫度控制方法，其特徵是利用控制系統中多種動態的實時信息來控制溫度，包括採用下列步驟首先，利用誤差e和誤差變化e這兩個最基本的特徵變量，構造一組派生特徵信息；然後利用派生特徵信息設計開關、比例、退火、保持等控制規則；計算機根據實時採集數據和資料庫中的數據進行特徵辨識，識別系統的動態行為，推理機根據辨識結果，從規則庫中選取最有效的控制規則，作用於執行器，對被控對象進行精確的控制(1)在誤差非常大時，採用局部開關控制，控制規則為在誤差絕對值非常大時，誤差為正則關閉執行器，誤差為負則執行器以最大功率輸出，即若e＞0且|e|≥M，則U＝0；若e＜0且|e|≥M，則U＝UM其中，M為給定的閾值，U為控制輸出，UM為常數，表示輸出最大值；(2)在誤差比較大時，採用比例控制，控制輸出為上次輸出與若干倍誤差之和，即若δ＜|e|≤M，則U＝uH+Kpe其中，δ為給定的閾值，Kp為比例係數，uH為上次輸出保持值；(3)如果誤差已經比較小，但誤差與誤差變化的乘積＞0，也進行比例控制；(4)在誤差比較小而且誤差和誤差變化乘積小於0時，採用保持控制，控制規則為若(|e|≤δ且e·＜0)或e＝0，THEN U＝uH如果誤差為0，則不管誤差與誤差變化的乘積是否小於0，也進行保持控制；(5)在誤差比較小而且被控量開始由接近期望值轉變為遠離期望值，或者開始由遠離期望值轉變為接近期望值時，採用退火控制，控制規則為當誤差比較小，而且本次誤差變化與上次誤差變化乘積小於或等於0時，輸出為上次輸出值與若干倍誤差之和，這裡誤差的倍數在上述的比例係數基礎上乘以一個小於1的退火係數，即若(0＜|e|≤δ且n·n-1≤0)，則U＝uH+(Kp·Kd)e其中，Kd為退火係數。
2.根據權利要求1所述的快速穩定溫度控制方法，其特徵是在上述(1)、(4)條件下，修改比例係數，為下階段控制做準備(1)當誤差非常大時，記錄誤差峰值出現時刻，並判斷誤差峰值間隔時間tem和相鄰兩次誤差峰值比的絕對值|emi-1/emi|，若誤差峰值間隔時間短或誤差峰值比的絕對值小於1，則減小比例作用，即若|e|≥M且(tem＜τ或|emi-1/emi|＜1)，則Kp＝Kd·Kp其中，τ為閾值(給定的常數)，Kd＜1為退火係數。(2)當誤差非常大而且誤差變化的絕對值小於δ』，那麼比例作用可以較大幅度增加，即若(|e|≥M且||＜δ』)，則Kp＝K1·Kp，其中，K1＞1。(3)當誤差為0時，記錄誤差的過零速率0i，若過零速率過大，則減小比例作用(用Kp乘以Kd作為新的Kp，Kd為退火係數)。
3.根據權利要求2所述的快速穩定溫度控制方法，其特徵是增加控制規則當相鄰兩次誤差峰值比的絕對值和相鄰兩次誤差過零速率比都小於1時，採用上一周期的控制輸出。
全文摘要
基於特徵信息的快速穩定溫度控制方法，是利用控制系統中多種動態的實時信息來控制溫度，包括採用下列步驟首先，利用誤差e和誤差變化這兩個最基本的特徵變量，構造一組派生特徵信息；然後利用派生特徵信息設計開關、比例、退火、保持等控制規則；計算機根據實時採集數據和資料庫中的數據進行特徵辨識，從規則庫中選取最有效的控制規則，作用於執行器；本發明大大縮短了上升時間和過渡時間，加快了系統響應速度；在誤差較小時，採用保持控制，減小了靜差；在誤差非常小時，採用退火控制，減小了超調量；本發明避免了幾個參數之間折中整定的問題，易於實施，對諸如溫度控制的純滯後工業系統特別有效。
文檔編號G05B13/02GK1719367SQ200510040099
公開日2006年1月11日 申請日期2005年5月19日 優先權日2005年5月19日
發明者劉奇志 申請人:南京大學