CN109947147A - 一种加热系统的差别采样温度控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种加热系统的差别采样温度控制方法，首先采集控制目标的温度并发送给控制器；然后在控制器存储空间中开辟温度缓存队列，将每次采样的温度放置于温度缓存队列尾端，以先进先出的方式更新温度缓存队列；再将温度缓存队列中的温度与目标温度相减得到温度反馈误差，作为PID控制器的误差输入变量；将采样前后的温度变化速度，作为PID控制器的误差变化率输入变量；通过所述PID控制器控制加热系统的温度。本发明针对慢变化过程的温度控制系统，对反馈环节中的误差与误差变化率采取不同的采样频率，将误差变化率的采样周期设定为误差采样周期的数倍，增强了PID算法的微分效果，抑制了温度控制系统的执行器震荡。
Description
技术领域
本发明涉及工业控制技术领域，特别是涉及一种加热系统的差别采样温度控制方法。
背景技术
目前，现有的温度控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。同时前后两次误差的变化体现目标变化趋势的快慢，在PID控制算法中具有预测效果，同时具有提高响应速度与抑制扰动的效果。
然而，在现代数字化系统中，采样速度可达到毫秒级别，虽然高采样频率提高了响应速度，却可能将误差的变化趋势忽略，从而使PID控制算法中的微分环节失效。
PID控制算法的微分环节失效，是由于加热系统的采样频率极快，导致在PID算法周期中，两次温度的差值过小，被计算机处理器约为零。传统PID控制算法的输出如下：
上式中各字符定义如下：
K为正整数，由于e(k)-e(k-1)约等于零，因而失去了控制效果。
若单纯增大采样间隔使温差变大，会令整个系统的调整周期增长，当有环境的温度扰动发生时，无法及时的响应并伴随输出震荡。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：加热系统采样时，如何避免快速采样系统中PID控制算法的微分环节失效。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种加热系统的差别采样温度控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：温度采样；
采集控制目标的温度，并将所述控制目标的温度发送给总控制器；
步骤2：将采样的温度存入温度缓存队列；
在总控制器存储空间中开辟温度缓存队列，将每次采样的温度放置于温度缓存队列尾端，以先进先出的方式更新温度缓存队列；
步骤3：误差值记录；
将温度缓存队列中的温度与目标温度相减得到温度反馈误差，将所述温度反馈误差作为PID控制器的误差输入变量；
步骤4：误差变化率记录；
将当前采样温度与温度缓存队列中的第一个元素相减，得到采样前后的温度变化速度，将所述温度变化速度作为PID控制器的误差变化率输入变量；通过所述PID控制器控制加热系统的温度。
优选地，所述步骤1中，所述控制目标的温度由热电偶采样。
更优选地，所述热电偶采集的热能通过数字电路改变电流的大小，转化成数字信号输出到控制器，得到实际温度。
优选地，每个采样周期结束时，将所述温度缓存队列中的所有元素前移一位，第一位元素舍弃，当前采样温度放入温度缓存队列最后一位。
本发明提供的加热系统的差别采样温度控制方法，针对慢变化过程的温度控制系统，对反馈环节中的误差与误差变化率采取不同的采样频率，将误差变化率的采样周期设定为误差采样周期的数倍，增强了PID算法的微分效果，抑制了温度控制系统的执行器震荡。
附图说明
图1为本实施例提供的加热系统的差别采样温度控制方法流程图；
图2为温度缓冲队列更新方式图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
本发明将加热系统的误差变化率的采样周期设定为误差采样周期的数倍。使传统PID控制算法修改成如下结果：
上式中各字符定义如下：
上式中，温度变化差值变为本次采样所得温度与前n次温度的差值，k、n为正整数。
在算法落地时，通过创建温度缓存队列，记录近n次的采样温度，以空间换取时间的方式保持高速采样频率，得到差值明显的温度差以使微分作用有效。
图1为本实施例提供的加热系统的差别采样温度控制方法流程图，所述的加热系统的差别采样温度控制方法包括如下步骤：
步骤1：温度采样；
控制目标的温度由热电偶采样，将热能通过数字电路改变电流大小，转化成数字信号输出到总控制器，得到实际温度。
步骤2：将采样的温度存入温度缓存队列；
在总控制器存储空间中开辟温度缓存队列，将每次得到的温度放置于温度缓存队列尾端，以先进先出的方式更新温度缓存队列。
步骤3：误差值记录；
将温度缓存队列中的温度与目标温度相减得到温度反馈误差，将所述温度反馈误差作为PID控制器的误差输入变量。
步骤4：误差变化率记录；
将本次采样温度与温度缓存队列中的第一个元素相减，得到采样前后的温度变化速度，将所述温度变化速度作为PID控制器的误差变化率输入变量。通过所述PID控制器控制加热系统的温度。
本发明的差别采样温度控制方法的实施主要体现在缓冲队列的创建、更新与应用。
若系统对温度的采样间隔设为50ms，温度差值的采样间隔设为2s，需在软件代码中创建长度为40的温度缓存队列，并初始化为零。两次温度误差的差值由本次采样温度与温度缓存队列中的第一个元素，即前2s的温度相减而得。每个采样周期结束时，将温度缓存队列中的所有元素前移一位，第一位元素舍弃，当前采样温度放入温度缓存队列最后一位，如图2所示，图2中，Temp(i),i＝1,2,3,...表示第i次测量目标得到的实际温度。由于队列只储存n个实际温度值，每测量一次温度都将舍弃第一位元素并将新测量得到的温度值放入最后一位。
采用本发明方法的系统的整个流程可以分为两个部分：离线设置和在线计算。
针对离线设置部分：首先设置PID参数Kp,Ki,Kd，通常设置为1，0.5，0.5，可以通过观察控制效果修改参数来达到优化的效果。初始化缓冲队列TempBuffer[n]为零，Tempbuffer[1]＝Tempbuffer[2]＝Tempbuffer[3]＝……＝Tempbuffer[n]＝0，表示初始目标温度为0，n为设定的具体值，如40。设置目标的设定温度值，最终控制效果为目标温度能稳定为这个设定温度。
针对在线计算部分：开始循环采样计算，在每次循环中执行目标温度采样、控制量计算、更新缓冲队列三步操作。首先通过温度传感器获取目标温度，将其与设置值比较，得到温度误差值e(k)。根据公式计算输出值u(k)，k表示循环次数，为正整数，输出控制量u(k)到加热器，等待下次循环开始。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。
Claims (5)
1.一种加热系统的差别采样温度控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：温度采样；
采集控制目标的温度，并将所述控制目标的温度发送给总控制器；
步骤2：将采样的温度存入温度缓存队列；
在总控制器存储空间中开辟温度缓存队列，将每次采样的温度放置于温度缓存队列尾端，以先进先出的方式更新温度缓存队列；
步骤3：误差值记录；
将温度缓存队列中的温度与目标温度相减得到温度反馈误差，将所述温度反馈误差作为PID控制器的误差输入变量；
步骤4：误差变化率记录；
将当前采样温度与温度缓存队列中的第一个元素相减，得到采样前后的温度变化速度，将所述温度变化速度作为PID控制器的误差变化率输入变量；通过所述PID控制器控制加热系统的温度。
2.如权利要求1所述的一种加热系统的差别采样温度控制方法，其特征在于：所述步骤1中，所述控制目标的温度由热电偶采样。
3.如权利要求2所述的一种加热系统的差别采样温度控制方法，其特征在于：所述热电偶采集的热能通过数字电路改变电流的大小，转化成数字信号输出到控制器，得到实际温度。
4.如权利要求1所述的一种加热系统的差别采样温度控制方法，其特征在于：每个采样周期结束时，将所述温度缓存队列中的所有元素前移一位，第一位元素舍弃，当前采样温度放入温度缓存队列最后一位。
5.如权利要求1所述的一种加热系统的差别采样温度控制方法，其特征在于：对PID控制器反馈环节中的误差与误差变化率采取不同的采样频率，将误差变化率的采样周期设定为误差采样周期的多倍，以增强PID控制器的微分效果。
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