面向線網(wǎng)反應(yīng)器的升溫速率隨意可調(diào)的快速加熱控制算法
【專利摘要】本發(fā)明屬于溫度控制技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及面向線網(wǎng)反應(yīng)器的升溫速率隨意可調(diào)的快速加熱控制算法。其特征在于,根據(jù)硬件性能確定采樣速度;確定穩(wěn)定溫度‐輸出功率之間的函數(shù)關(guān)系和升溫速度‐功率匹配之間的函數(shù)關(guān)系;計算給定目標穩(wěn)定溫度所對應(yīng)的輸出功率值和給定目標升溫速度所對應(yīng)的輸出功率值;在升溫的起始階段,按照升溫速度所對應(yīng)的輸出功率來進行快速升溫,當實際溫度接近目標溫度時,將輸出功率調(diào)整到目標穩(wěn)定溫度所對應(yīng)的輸出功率附近,然后采用特定的控制算法調(diào)整至溫度穩(wěn)定。本發(fā)明能夠保證滿足不同升溫速度的控制要求,升溫速度由用戶來實時調(diào)整,能夠保證調(diào)穩(wěn)過程中超調(diào)量很小,調(diào)節(jié)穩(wěn)定速度快,擴展性好,能無極限地提高升溫速度。
【專利說明】
面向線網(wǎng)反應(yīng)器的升溫速率隨意可調(diào)的快速加熱控制算法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于溫度控制技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種面向線網(wǎng)反應(yīng)器的升溫速率隨意可 調(diào)的快速加熱控制算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 線網(wǎng)反應(yīng)器就是目前最理想的實現(xiàn)準確地模擬煤粉被投入到鍋爐這一瞬間的快 速加熱反應(yīng)過程的實驗裝置。實驗時煤粉放在金屬絲(線)網(wǎng)上,金屬絲網(wǎng)通電發(fā)熱,通過溫 度控制系統(tǒng)實現(xiàn)線網(wǎng)的快速并可變的升溫過程,從而研究煤粉等顆粒燃料的熱解和燃燒機 理。開發(fā)控溫更可靠靈活的線網(wǎng)反應(yīng)器不僅對于煤的清潔利用研究具有重要意義,在生物 質(zhì)燃料研究等相關(guān)研究領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003] 線網(wǎng)反應(yīng)器是一個具有慣性和純遲延的熱系統(tǒng)。這種快速加熱反應(yīng)器國內(nèi)只有兩 家:清華大學熱能系2008年時研制出了線網(wǎng)反應(yīng)器平臺,然而該平臺的反應(yīng)速度僅有固定 的幾種,50 <€/8,100<€/8,1000<€/8。不能任意調(diào)試,且加熱只能一次完成,而且最高加熱速 度僅僅為1000°C/s。上海交通大學自動化系2015年研制出基于labview實現(xiàn)的線網(wǎng)反應(yīng)器 高速升溫控制系統(tǒng),實現(xiàn)過程簡單,然而該系統(tǒng)僅顯示能夠達到的最大升溫速度為700°C/ s。清華實驗臺的控制算法采用傳統(tǒng)PID,算法設(shè)計相對簡單,但是一個完整的升溫過程有三 個階段構(gòu)成,每個階段的PID參數(shù)都不一樣,而不同升溫速率的升溫過程需要調(diào)整不同一套 PID參數(shù),因而參數(shù)調(diào)節(jié)過程非常復雜,而且參數(shù)不具有推廣性。上海交大實驗臺采用位置 PID控制與增量PID控制相結(jié)合的方式。其基本思路仍然是把升溫過程分成兩個階段,升溫 過程采用位置PID控制,而鄰近目標溫度時采用增量PID控制以維持穩(wěn)定。一個升溫過程需 要調(diào)整兩套PID參數(shù),升溫速度變化,則會導致PID參數(shù)重新調(diào)整。因此,上述兩種算法的本 質(zhì)是相同的,即按照一個完整的升溫過程進行參數(shù)調(diào)整,升溫速度只能在備選的幾種中做 選擇,并不能實現(xiàn)升溫速度連續(xù)靈活調(diào)整。另外PID的調(diào)整特性決定了如果要升溫的快速性 好,則穩(wěn)定性時間就比較長,而如果要無超調(diào)穩(wěn)定呢,則調(diào)節(jié)的快速性就要下降。鑒于此,本 發(fā)明目的是公開一種能夠?qū)崿F(xiàn)快速加熱反應(yīng)器,且加熱速度連續(xù)靈活多樣,加熱方式在單 階/雙階二者之間靈活可選的控制算法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 為了解決上述問題,本發(fā)明采取的技術(shù)方案為如下:
[0005] -種面向線網(wǎng)反應(yīng)器的升溫速率隨意可調(diào)的快速加熱控制算法,其特征在于,包 括:
[0006] 步驟1、根據(jù)溫度傳感器,溫度變送器這些前端數(shù)據(jù)采集硬件的整體響應(yīng)速度,以 及控制芯片信號引起功率變化的響應(yīng)時間,確定采樣速度控制算法的采樣速度;
[0007] 步驟2、確定線網(wǎng)的穩(wěn)定溫度-控制芯片所控制的輸出功率之間的函數(shù)關(guān)系;
[0008] 步驟3、確定線網(wǎng)的升溫速度-實際輸出功率匹配之間的函數(shù)關(guān)系;
[0009] 步驟4、給定目標穩(wěn)定溫度和目標升溫速度,分別依據(jù)步驟2和步驟3,計算得到給 定目標穩(wěn)定溫度所對應(yīng)的輸出功率值和給定目標升溫速度所對應(yīng)的輸出功率值;
[0010] 步驟5、起始階段的升溫速度由升溫速度-輸出功率匹配函數(shù)所確定的輸出功率值 來決定;當實際溫度小于目標穩(wěn)定溫度的設(shè)定比例即過沖比例時,按照步驟4中計算得到的 升溫速度所需要的輸出功率值對應(yīng)的控制電壓恒定輸出;
[0011] 當實際溫度大于目標穩(wěn)定溫度的設(shè)定比例時,控制電壓輸出調(diào)整到目標穩(wěn)定溫度 所對應(yīng)的輸出功率值,該輸出僅維持一個采樣周期;
[0012] 步驟6、在接下來的采樣周期內(nèi),按照自動調(diào)節(jié)控制算法調(diào)節(jié),直到調(diào)節(jié)時間到為 止。
[0013 ]所述步驟2中確定穩(wěn)定溫度-輸出功率以及升溫速度-輸出功率對應(yīng)函數(shù)關(guān)系時, 使得控制器輸出的控制信號從零開始按照設(shè)定步距遞增控制電壓,并保持恒定輸出,得到 升溫后穩(wěn)定的溫度值,由此得到一組穩(wěn)定溫度-輸出功率匹配數(shù)據(jù)對;將得到的穩(wěn)定溫度-輸出功率的數(shù)據(jù)對,進行數(shù)據(jù)擬合,得到穩(wěn)定溫度與輸出功率之間的函數(shù)關(guān)系。
[0014] 所述步驟3中確定升溫速度-功率匹配之間的函數(shù)關(guān)系為利用步驟2中得到的穩(wěn)定 溫度-輸出功率數(shù)據(jù)對,進一步計算升溫過程中溫度上升部分的曲線斜率,計算得到升溫速 度,從而得到一組升溫速度-功率匹配數(shù)據(jù)對;將得到的升溫速度-功率匹配數(shù)據(jù)對進行數(shù) 據(jù)擬合,得到升溫速度與輸出功率之間的函數(shù)關(guān)系。
[0015] 所述自動調(diào)節(jié)控制算法需要先測量實際待控制的線網(wǎng)反應(yīng)器系統(tǒng)時間常數(shù)和純 滯后時間,采用一階慣性滯后系統(tǒng)進行建模;然后設(shè)定閉環(huán)系統(tǒng)的理想時間常數(shù)和純滯后 時間;根據(jù)設(shè)定的閉環(huán)系統(tǒng)的理想時間常數(shù)和純滯后時間,以及測量得到的被控的線網(wǎng)反 應(yīng)器系統(tǒng)的實際時間常數(shù)和純滯后時間,分別按照下式計算控制調(diào)節(jié)系數(shù)AA、系數(shù)BB和系 數(shù)CC:
[0016] 其中:AA= (l_exp(_ts/tao2))/(l_exp(_ts/taol))
[0017] BB=AA*exp(ts/taol);
[0019]式中ts是采樣時間間隔,tao2和taol是用戶給定的兩個參數(shù);
[0020] 自動調(diào)節(jié)的控制電壓 u = kl*AA*erro;r-k2*BB*e;r;ro;r_l+COu_l+( l_CC)*u_2;
[0021] 其中kl和k2是用戶用來調(diào)整的參數(shù);error為當前采樣周期計算得到的目標穩(wěn)定 溫度與實測溫度之間的誤差;error j為前一次采樣計算得到的目標穩(wěn)定溫度與實測溫度 之間的誤差;uj為前一個采樣周期所輸出的控制電壓;u_2為前一個采樣周期之前的那個 采樣周期所輸出的控制電壓。
[0022]有益效果
[0023] (1)能夠?qū)崿F(xiàn)升溫速度連續(xù)可調(diào)。
[0024] (2)能夠?qū)崿F(xiàn)升溫過程兩種升溫模式選擇:即升溫過程一次完成/分兩次完成。
[0025] (3)能夠?qū)崿F(xiàn)升溫過程的調(diào)節(jié)快速且穩(wěn)定。
[0026] (4)能夠?qū)崿F(xiàn)溫度穩(wěn)定階段波動不超過20度。
[0027] 本發(fā)明對于實現(xiàn)各種升溫過程的實驗室模擬具有重要理論和應(yīng)用意義。
【附圖說明】
[0028] 圖1控制算法整體實現(xiàn)流程
[0029] 圖2自動調(diào)節(jié)部分的算法流程
[0030]圖3線網(wǎng)反應(yīng)器實驗平臺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖
【具體實施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖,對實施例作詳細說明。
[0032] 本發(fā)明提出的一種線網(wǎng)反應(yīng)器的升溫速度連續(xù)靈活可調(diào),升溫模式可選擇的升溫 控制算法,其整體控制算法流程如圖1所示,
[0033] 步驟1、根據(jù)硬件性能,確定采樣速度。
[0034] 采樣速度取決于控制系統(tǒng)構(gòu)成硬件的性能。主要涉及溫度變送器的性能以及執(zhí)行 機構(gòu)的性能。采樣速度要略大于溫度變送器和執(zhí)行機構(gòu)的響應(yīng)時間。采樣周期應(yīng)遠小于對 象的時間常數(shù),否則無法反映瞬變過程;同時折中考慮對象所要求的調(diào)節(jié)品質(zhì),運算速度, 以及費用的要求。
[0035] 步驟2、測量得到穩(wěn)定溫度-輸出功率之間的函數(shù)關(guān)系
[0036]從零開始按照一定步距遞增控制電壓,并保持恒定輸出,得到升溫后穩(wěn)定的溫度 值,由此得到一組穩(wěn)定溫度-輸出功率匹配數(shù)據(jù)對;將得到的穩(wěn)定溫度-輸出功率的數(shù)據(jù)對, 進行數(shù)據(jù)擬合,得到穩(wěn)定溫度與輸出功率之間的函數(shù)關(guān)系。
[0037] 步驟3、測量計算得到升溫速度-輸出功率匹配之間的函數(shù)關(guān)系。
[0038] 利用上面測量得到的穩(wěn)定溫度-輸出功率數(shù)據(jù)對,進一步計算升溫過程中溫度上 升部分的曲線斜率,計算得到升溫速度,從而得到一組升溫速度-功率匹配數(shù)據(jù)對;將得到 的升溫速度-功率匹配數(shù)據(jù)對進行數(shù)據(jù)擬合,得到升溫速度與輸出功率之間的函數(shù)關(guān)系。
[0039] 步驟4、給定目標穩(wěn)定溫度和目標升溫速度,分別依據(jù)步驟2和步驟3,計算得到給 定目標穩(wěn)定溫度所對應(yīng)的輸出功率值,以及給定目標升溫速度所對應(yīng)的輸出功率值。
[0040] 步驟5、當實際溫度小于目標穩(wěn)定溫度的一定比例時(這個比例稱作過沖比例);按 照步驟4中計算得到的升溫速度所需要的輸出功率值對應(yīng)的控制電壓恒定輸出。
[0041 ] 這一步驟保證升溫過程起始部分的升溫速度在目標升溫速度附近,而實際的升溫 速度應(yīng)該以實測值升溫曲線的計算斜率為準。如果實際升溫速度與目標升溫速度有差別, 則需要用戶自行調(diào)整目標升溫速度的修訂值參數(shù),直到滿足要求為止。起始階段的升溫速 度由升溫速度-輸出功率匹配函數(shù)所確定的輸出功率值來決定。
[0042] 步驟6、當實際溫度大于目標穩(wěn)定溫度的一定比例時,控制電壓輸出調(diào)整到目標穩(wěn) 定溫度所對應(yīng)的輸出功率值。該輸出僅維持一個采樣周期。
[0043] 這一步驟目的是輸出功率拉到目標穩(wěn)定溫度對對應(yīng)的輸出功率附近,而實際,這 個由步驟2函數(shù)關(guān)系計算得到的目標穩(wěn)定溫度所對應(yīng)的輸出功率值與實際的真實需要往往 有差別,如果偏大/偏小,會增大升溫過程的超調(diào)量。則此時需要用戶根據(jù)升溫曲線自行調(diào) 整,直到滿足要求為止。升溫過程的超調(diào)量由穩(wěn)定溫度溫度-輸出功率匹配函數(shù)所確定的輸 出功率值來決定。
[0044] 步驟7、在接下來的采樣周期內(nèi),按照控制算法來自動調(diào)節(jié),直到調(diào)節(jié)時間到為止。
[0045] 自動調(diào)節(jié)的控制算法如圖2所示。
[0046] 1)測量系統(tǒng)的時間常數(shù)和純滯后,并設(shè)定期望閉環(huán)系統(tǒng)的時間常數(shù)和純滯后。
[0047] 2)計算厶厶,88,0:
[0048] 其中:AA= (l_exp(_ts/tao2))/(l_exp(_ts/taol))
[0049] BB=AA*exp(ts/taol);
[0051] 3)按照下面的公式計算控制電壓
[0052] u = kl*AA*erro;r-k2*BB*e;r;ro;r_l
[0053] +CC*u_l+(1-CC)*u_2
[0054] 其中error為當前采樣周期計算得到的目標穩(wěn)定溫度與實測溫度之間的誤差; err〇r_l為前一次采樣計算得到的目標穩(wěn)定溫度與實測溫度之間的誤差;u_l為前一個采樣 周期所輸出的控制電壓;
[0055] u_2為前一個采樣周期之前的那個采樣周期所輸出的控制電壓;
[0056] 4)是否接收到停止命令,如果沒有,繼續(xù)按照第三步進行輸出。
[0057]將本發(fā)明的方法應(yīng)用于線網(wǎng)反應(yīng)器實驗平臺系統(tǒng),該系統(tǒng)可以模擬鍋爐升溫過 程,進行煤粉特性分析。圖3是線網(wǎng)反應(yīng)器實驗平臺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
[0058]依據(jù)本發(fā)明提供的步驟,實施過程如下所示:
[0059] 步驟1、確定采樣速度。
[0060] 由于本實例中溫度變送器的響應(yīng)時間為22ms,執(zhí)行機構(gòu)的響應(yīng)時間為20ms,因此, 這里選擇采樣速度為25ms。
[0061 ]步驟2、測量得到穩(wěn)定溫度-輸出功率之間的函數(shù)關(guān)系
[0062] 本實例中,根據(jù)測量的數(shù)據(jù)對,進行數(shù)據(jù)擬合后,得到穩(wěn)定溫度與輸出功率之間的 函數(shù)關(guān)系滿足下式:
[0063] temp_aim(output_u) = 1340 · output_u°'4546-451.9
[0064] 步驟3、測量計算得到升溫速度-輸出功率匹配之間的函數(shù)關(guān)系。
[0065] 本實例中,根據(jù)測量的數(shù)據(jù)對,進行數(shù)據(jù)擬合后,得到升溫速度與輸出功率之間的 函數(shù)關(guān)系滿足下式:
[0066] speed(output_u) =287.7 · output_u2'423
[0067] 步驟4、給定目標穩(wěn)定溫度和目標升溫速度,分別依據(jù)步驟2和步驟3,計算得到給 定目標穩(wěn)定溫度所對應(yīng)的輸出功率值,以及給定目標升溫速度所對應(yīng)的輸出功率值。
[0068]假設(shè)給定的目標穩(wěn)定溫度為600度,目標升溫速度為1000度/s,則按照步驟2和步 驟3所得函數(shù)關(guān)系,分別確定目標穩(wěn)定溫度所對應(yīng)的輸出功率值為(0.5871/3.3)*10k = 1.779kw、目標升溫速度所對應(yīng)的輸出功率值為(1.6722/3.3)*10k = 5.067kw.
[0069] 步驟5、過沖比例設(shè)成0.7,即當實際溫度小于目標穩(wěn)定溫度的70%時;按照步驟4 中計算得到的升溫速度所需要的輸出功率值對應(yīng)的控制電壓恒定輸出。
[0070] 而實際升溫速度為930度/s,與目標升溫速度略有差別,則用戶自行將目標升溫速 度略調(diào)大一些,直到滿足要求為止。
[0071] 步驟6、當實際溫度大于目標穩(wěn)定溫度的70%時,控制電壓輸出調(diào)整到目標穩(wěn)定溫 度所對應(yīng)的輸出功率值,即為(0.5871/3.3)*10k=1.779kw。該輸出僅維持一個采樣周期。 [0072]步驟7、測量得到試驗臺系統(tǒng)的時間常數(shù)為0.8s,純滯后為0.2s,設(shè)定期望的閉環(huán) 系統(tǒng)的時間常數(shù)為ο. 〇〇5s,純滯后為1S。
[0073]自動調(diào)節(jié)的控制算法如圖2所示。
[0074] AA = 0.2101
[0075] BB = 0.2381;
[0076] CC = 0.9753
[0077] 按照下面的公式計算控制電壓
[0078] u = kl*0.2101*error-k2*0.2381*error_l
[0079] +0·9753*u_l+(1-0·9753)*u_2
[0080] 其中error、error_l、u_l、u_2物理意義如前所述。
[0081 ] 直到接收到停止命令為止。
[0082]結(jié)果分析
[0083]由上面的分析實施過程可見,在對線網(wǎng)反應(yīng)器采用一階大慣性大滯后建模的基礎(chǔ) 上,根據(jù)實際測量和數(shù)據(jù)擬合分別得到穩(wěn)定溫度-輸出功率的函數(shù)關(guān)系,以及升溫速度-輸 出功率的函數(shù)關(guān)系,并以此為指導,由給定的目標穩(wěn)定溫度與目標升溫速度,分別計算其所 對應(yīng)的輸出功率值。然后在升溫過程的起始階段,輸出升溫速度所對應(yīng)的輸出功率值,然后 將輸出值調(diào)整到穩(wěn)定溫度所對應(yīng)的輸出功率,并在此基礎(chǔ)上,采用自動控制算法調(diào)節(jié)穩(wěn)定。 本方法可以確保升溫速度連續(xù)靈活可調(diào),對于實驗室模擬各種現(xiàn)場升溫過程,分析煤粉特 性具有重要的工程應(yīng)用價值。
【主權(quán)項】
1. 一種面向線網(wǎng)反應(yīng)器的升溫速率隨意可調(diào)的快速加熱控制算法,其特征在于,包括: 步驟1、根據(jù)溫度傳感器,溫度變送器運些前端數(shù)據(jù)采集硬件的整體響應(yīng)速度,W及控 制忍片信號引起功率變化的響應(yīng)時間,確定采樣速度控制算法的采樣速度; 步驟2、確定線網(wǎng)的穩(wěn)定溫度-控制忍片所控制的輸出功率之間的函數(shù)關(guān)系; 步驟3、確定線網(wǎng)的升溫速度-實際輸出功率匹配之間的函數(shù)關(guān)系; 步驟4、給定目標穩(wěn)定溫度和目標升溫速度,分別依據(jù)步驟2和步驟3,計算得到給定目 標穩(wěn)定溫度所對應(yīng)的輸出功率值和給定目標升溫速度所對應(yīng)的輸出功率值; 步驟5、起始階段的升溫速度由升溫速度-輸出功率匹配函數(shù)所確定的輸出功率值來決 定;當實際溫度小于目標穩(wěn)定溫度的設(shè)定比例即過沖比例時,按照步驟4中計算得到的升溫 速度所需要的輸出功率值對應(yīng)的控制電壓恒定輸出; 當實際溫度大于目標穩(wěn)定溫度的設(shè)定比例時,控制電壓輸出調(diào)整到目標穩(wěn)定溫度所對 應(yīng)的輸出功率值,該輸出僅維持一個采樣周期; 步驟6、在接下來的采樣周期內(nèi),按照自動調(diào)節(jié)控制算法調(diào)節(jié),直到調(diào)節(jié)時間到為止。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向線網(wǎng)反應(yīng)器的升溫速率隨意可調(diào)的快速加熱控制算 法,其特征在于,所述步驟2中確定穩(wěn)定溫度-輸出功率W及升溫速度-輸出功率對應(yīng)函數(shù)關(guān) 系時,使得控制器輸出的控制信號從零開始按照設(shè)定步距遞增控制電壓,并保持恒定輸出, 得到升溫后穩(wěn)定的溫度值,由此得到一組穩(wěn)定溫度-輸出功率匹配數(shù)據(jù)對;將得到的穩(wěn)定溫 度-輸出功率的數(shù)據(jù)對,進行數(shù)據(jù)擬合,得到穩(wěn)定溫度與輸出功率之間的函數(shù)關(guān)系。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種面向線網(wǎng)反應(yīng)器的升溫速率隨意可調(diào)的快速加熱控制算 法,其特征在于,所述步驟3中確定升溫速度-功率匹配之間的函數(shù)關(guān)系為利用步驟2中得到 的穩(wěn)定溫度-輸出功率數(shù)據(jù)對,進一步計算升溫過程中溫度上升部分的曲線斜率,計算得到 升溫速度,從而得到一組升溫速度-功率匹配數(shù)據(jù)對;將得到的升溫速度-功率匹配數(shù)據(jù)對 進行數(shù)據(jù)擬合,得到升溫速度與輸出功率之間的函數(shù)關(guān)系。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向線網(wǎng)反應(yīng)器的升溫速率隨意可調(diào)的快速加熱控制算 法,其特征在于,所述自動調(diào)節(jié)控制算法需要先測量實際待控制的線網(wǎng)反應(yīng)器系統(tǒng)時間常 數(shù)和純滯后時間,采用一階慣性滯后系統(tǒng)進行建模;然后設(shè)定閉環(huán)系統(tǒng)的理想時間常數(shù)和 純滯后時間;根據(jù)設(shè)定的閉環(huán)系統(tǒng)的理想時間常數(shù)和純滯后時間,W及測量得到的被控的 線網(wǎng)反應(yīng)器系統(tǒng)的實際時間常數(shù)和純滯后時間,分別按照下式計算控制調(diào)節(jié)系數(shù)AA、系數(shù) BB和系數(shù)CC: 其中:AA = (l-exp(-ts/tao2))/(l-exp(-ts/taol)) BB=AA*exp(ts/taol);式中ts是采樣時間間隔,tao2和taol是用戶給定的兩個參數(shù); 自動調(diào)節(jié)的控制電壓U = k 1 *AA*err or-k2 地帖 err or_ 1 +CC*u_ 1+(1-CC)袖_2; 其中kl和k2是用戶用來調(diào)整的參數(shù);error為當前采樣周期計算得到的目標穩(wěn)定溫度 與實測溫度之間的誤差;error_l為前一次采樣計算得到的目標穩(wěn)定溫度與實測溫度之間 的誤差;u_l為前一個采樣周期所輸出的控制電壓;u_2為前一個采樣周期之前的那個采樣 周期所輸出的控制電壓。
【文檔編號】G05D23/32GK106094936SQ201610425784
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月15日
【發(fā)明人】陳曉梅, 田思達, 康志忠
【申請人】華北電力大學