一種多通道解耦的溫度控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于加工溫度調(diào)控技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種多通道解耦的溫度 控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)過(guò)程中，溫度控制都具有非常重要的地位，而且與壓力、流 量、液位等工業(yè)參數(shù)的控制相比，溫度控制由于其大滯后性和非線性等特性，使得控制難度 更大，控制效果更難把握。例如，在注塑機(jī)料筒多段溫度控制或者工業(yè)鍋爐多溫區(qū)控制等工 業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，傳統(tǒng)單溫區(qū)的溫控系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足日益更新的生產(chǎn)要求，因而多輸入多 輸出（ΜΙΜΟ)的溫控系統(tǒng)日益受到了人們的重視。
[0003] 然而，對(duì)于上述MMO的溫度控制系統(tǒng)，各個(gè)溫區(qū)（通道）之間存在的耦合不可避 免，而且彼此的影響始終存在，導(dǎo)致溫控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)下降，嚴(yán)重的甚至直接可能導(dǎo)致整 個(gè)溫度控制系統(tǒng)發(fā)生紊亂。針對(duì)這種情況，現(xiàn)有技術(shù)中多結(jié)合PID控制算法對(duì)各自通道的 溫度進(jìn)行單一調(diào)節(jié)。但事實(shí)上，傳統(tǒng)的PID控制方法對(duì)于溫控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，無(wú)論如何調(diào)節(jié)PID 的三個(gè)參數(shù)都會(huì)產(chǎn)生明顯的超調(diào)和滯后；這些原因都導(dǎo)致了該控制方法存在多變量，尤其 是，難于對(duì)各變量之間存在強(qiáng)耦合的多輸入多輸出溫控系統(tǒng)達(dá)到令人滿意的溫控效果。
[0004] 例如，在對(duì)柔性電子器件執(zhí)行多層薄膜復(fù)合熱壓操作的設(shè)備中，可采用多個(gè)發(fā)熱 芯共同控制發(fā)熱頭的表面溫度，各發(fā)熱芯將設(shè)定溫度和相應(yīng)溫區(qū)（通道）的傳感器實(shí)時(shí)采 集到的當(dāng)前溫度的誤差通過(guò)控制器轉(zhuǎn)換成控制變量輸出給加熱芯，實(shí)時(shí)控制加熱芯的加熱 功率，由此將對(duì)應(yīng)溫區(qū)（通道）的當(dāng)前溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度值上。但實(shí)際工程實(shí)踐表明，由 于沒(méi)有充分考慮各溫區(qū)（通道）之間的耦合關(guān)系，導(dǎo)致各個(gè)溫區(qū)的溫度值彼此相互影響，當(dāng) 某個(gè)溫區(qū)溫度值發(fā)生突然波動(dòng)，其它幾個(gè)通道也會(huì)受到干擾，進(jìn)而直接對(duì)最終輸出溫度的 調(diào)控精度造成不利影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種多通道解耦的溫度控制 方法，其中通過(guò)結(jié)合多輸入多輸出溫控系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，并基于通道數(shù)量來(lái)設(shè)計(jì)整個(gè)溫控 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)及其解耦網(wǎng)絡(luò)，相應(yīng)能夠有效降低各種多輸入多輸出溫控系統(tǒng)中所存在的 強(qiáng)耦合性，與現(xiàn)有技術(shù)相比可顯著提升最終實(shí)現(xiàn)的溫控精度，并尤其適用于譬如采用多發(fā) 熱芯對(duì)柔性電子器件多層薄膜執(zhí)行復(fù)合熱壓之類(lèi)的應(yīng)用場(chǎng)合。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種多通道解耦的溫度控制方法，其特征在 于，該方法包括下列步驟：
[0007] (a)為作為控制對(duì)象且具備多輸入多輸出通道的溫度控制系統(tǒng)構(gòu)建傳遞函數(shù)模型 Y (s) = G (s) U (s)，也即：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多通道解耦的溫度控制方法，其特征在于，該方法包括下列步驟： (a) 為作為控制對(duì)象且具備多輸入多輸出通道的溫度控制系統(tǒng)構(gòu)建傳遞函數(shù)模型 Y (s) = G (s) U (s)，也即：
其中在模型（一）中，Y(S)表示整個(gè)溫度控制系統(tǒng)的溫度輸出矩陣，且各矩陣元素 Y1(S)AY2(S)A…、Yn(S)依次表不編號(hào)為1、2、···、]!的通道所對(duì)應(yīng)的溫度輸出；U(S)表不 整個(gè)溫度控制系統(tǒng)的輸入電壓信號(hào)矩陣，且各矩陣元素 U1 (s)、U2 (s)、-'Un(S)依次表示編 號(hào)為1、2、…、η的通道所對(duì)應(yīng)的輸入電壓信號(hào)；G(s)則表不輸入所述電壓信號(hào)矩陣與所述 溫度輸出矩陣之間的傳遞函數(shù)矩陣，也即其矩陣元素 Gij(S)為輸入電壓信號(hào)％(8)與溫度 輸出信號(hào)丫丨（8)之間的傳遞函數(shù)，其中i = 1，2，···，η，j = 1，2，···，η ; (b) 將所述溫度控制系統(tǒng)的加熱驅(qū)動(dòng)模塊予以斷電處理，并使得所有通道的溫度處于 室溫穩(wěn)定狀態(tài)；然后，單獨(dú)對(duì)編號(hào)為1的通道持續(xù)施加階躍電壓信號(hào)，同時(shí)實(shí)時(shí)采集各個(gè)通 道的溫度值及記錄各通道溫度值的變化，繪制出階躍飛升曲線，直至所有通道采集到的階 躍飛升曲線均達(dá)到平衡為止；以此方式，根據(jù)此時(shí)所獲得的階躍飛升曲線，相應(yīng)辨識(shí)出所述 傳遞函數(shù)矩陣G(S)中的第一列元素也即G n(s)，G21(s)，一,Gnl(S)的相關(guān)參數(shù)； (c) 按照步驟（b)所述的方式，分別對(duì)編號(hào)為2、…、η的通道執(zhí)行類(lèi)似操作，相應(yīng)辨識(shí) 出所述傳遞函數(shù)矩陣G(S)中其余各列元素的具體相關(guān)參數(shù)； ⑷利用步驟（b)和（c)所共同辨識(shí)出的傳遞函數(shù)矩陣G(s)，構(gòu)建如下的解耦網(wǎng)絡(luò) G- (s) = G(S)D(S)，即：
其中在解耦網(wǎng)絡(luò)（二）中，G-(S)表示對(duì)所述溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行解耦后的工作模型，其 中G(s)的所有元素 G11 (s)、G22 (s)、……、Gm(s)在步驟（b)和（c)中已予以辨識(shí)，D(S)則 表示上述解耦網(wǎng)絡(luò)自身待求解的傳遞函數(shù)；然后采用將所述傳遞函數(shù)D (s)的對(duì)角值設(shè)為1 的方式，相應(yīng)求解出所述工作模型G- (s)的最終形式； (e)基于步驟（d)所求解的工作模型G-(s)并結(jié)合控制算法，相應(yīng)調(diào)節(jié)所述溫度控制系 統(tǒng)的輸出加熱信號(hào)的占空比，由此對(duì)各個(gè)通道進(jìn)行更為精準(zhǔn)的溫度控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)解耦效 果。
2. 如權(quán)利要求1所述的溫度控制方法，其特征在于，在步驟（a)中，優(yōu)選采用一個(gè)慣性 環(huán)節(jié)串聯(lián)一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)的形式來(lái)描述所述傳遞函數(shù)矩陣G(s)中的各個(gè)元素 Gu(S)，具體 如下：
其中，Ku表示增益參數(shù)；Tu表示慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)；τ U表示滯后環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的溫度控制方法，其特征在于，在步驟（b)和（c)中，所述階 躍電壓信號(hào)的數(shù)值優(yōu)選被設(shè)定為溫控控制系統(tǒng)額定輸入電壓信號(hào)值的5%~15%之間。
4. 如權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的溫度控制方法，其特征在于，在步驟（f)中，所述控 制算法優(yōu)選采用增量式PID算法，并預(yù)留出比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)Kd由用戶 進(jìn)行整定。
5. 如權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的溫度控制方法，其特征在于，上述溫度控制方法的 應(yīng)用對(duì)象優(yōu)選為采用多個(gè)發(fā)熱芯對(duì)柔性電子器件多層薄膜復(fù)合熱壓用的溫度控制系統(tǒng)。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種多通道解耦的溫度控制方法，包括：為溫度控制系統(tǒng)的輸入電壓和溫度度輸出之間構(gòu)建傳遞函數(shù)矩陣，并通過(guò)分別對(duì)各個(gè)通道逐一提供階躍電壓輸入并獲得相應(yīng)的階躍飛升曲線，由此辨識(shí)出傳遞函數(shù)的相應(yīng)參數(shù)；接著設(shè)計(jì)解耦網(wǎng)絡(luò)并對(duì)溫度控制系統(tǒng)執(zhí)行解耦，最后結(jié)合解耦后的傳遞函數(shù)和增量式PID算法，相應(yīng)對(duì)溫度控制系統(tǒng)的各個(gè)通道執(zhí)行更為精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)控制。通過(guò)本發(fā)明，能夠極大地降低了多通道之間的耦合性，同時(shí)具備溫度曲線響應(yīng)速度快，超調(diào)小，調(diào)節(jié)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，因而尤其適用于各類(lèi)具備強(qiáng)耦合性的溫控應(yīng)用場(chǎng)合。
【IPC分類(lèi)】G05D23-19
【公開(kāi)號(hào)】CN104656699
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510078832
【發(fā)明人】陳建魁, 黃真, 薛睿智, 程又來(lái), 肖德衛(wèi)
【申請(qǐng)人】華中科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2015年2月13日