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《計測技術(shù)雜志》2015年第二期
1.1預(yù)測PI控制基本原理溫度系統(tǒng)是非線性、不確定的控制對象,建立精確的數(shù)學(xué)模型比較困難,并且由于存在大慣性滯后,往往會造成對象不穩(wěn)定。若采用傳統(tǒng)的控制方法如PID控制,一般難以獲得滿意的控制效果。因此引入控制算法來克服這些特殊動態(tài)特性對系統(tǒng)造成的不良影響。預(yù)測PI控制有兩部分組成:一部分是PI控制項,另一部分是預(yù)測控制項。PI控制項可以提高控制系統(tǒng)的魯棒性和抗干擾性;預(yù)測控制項可以預(yù)測將來的控制量[3],從而克服純滯后的影響。預(yù)測PI控制無需知道過程的精確模型,只需知道大概的模型,并且可以通過設(shè)置不同的控制參數(shù)來獲得滿意的結(jié)果。
1.2預(yù)測PI-PID串級控制方法設(shè)計預(yù)測PI-PID串級控制設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。副回路采用PID控制,可以快速抑制二次干擾,起到補償校正作用。主控制器采用預(yù)測PI控制,提高控制器的魯棒性和系統(tǒng)控制性能。圖中G副(s)為副控制對象,G主(s)為主控制對象。主副控制對象和副回路PID控制器組成廣義對象。
2離心-溫度復(fù)合試驗箱預(yù)測PI-PID串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及仿真研究
2.1試驗箱預(yù)測PI-PID串級控制結(jié)構(gòu)將預(yù)測PI-PID串級控制方法應(yīng)用于離心-溫度復(fù)合試驗箱溫度控制系統(tǒng)中,系統(tǒng)控制原理框圖如圖5所示,副回路由液體溫度變送器、PID控制器和副控制對象載溫腔構(gòu)成,主回路由氣體溫度變送器、預(yù)測PI控制器、副回路PID控制器、調(diào)節(jié)閥、副控制對象和主控對象內(nèi)腔氣體構(gòu)成。
2.2主副控制對象特性測試與建模主控制對象為內(nèi)腔氣體,主控制變量為氣體溫度。液體溫度影響氣體溫度。主控制對象模型可用一階慣性加延時環(huán)節(jié)來描述,當載溫腔內(nèi)液體與內(nèi)腔氣體溫度熱交換平衡時,即液體與氣體溫度基本不變,此時改變液體溫度,可以得到氣體溫度階躍變化曲線。實驗中,將載溫腔內(nèi)液體溫度從穩(wěn)定31.7℃拉到8.6℃,經(jīng)過熱交換內(nèi)腔氣體溫度從32.5℃降到6.5℃并穩(wěn)定。根據(jù)氣體溫度階躍變化曲線,由階躍曲線兩點法建模[4]求得氣體溫度在液體溫度階躍激勵下的延時時間和響應(yīng)速度,從而求得主控對象的傳遞函數(shù)。副控制對象為載溫腔液體,副控制變量為液體溫度。在恒溫槽溫度恒定條件下,液體溫度主要受調(diào)節(jié)閥的開度影響,將副控制對象模型用一階慣性加延時環(huán)節(jié)來描述,當恒溫槽液體溫度與載溫腔液體溫度恒定后,改變閥的開度,可得到載溫腔液體溫度變化曲線。低溫實驗中,閥的開度由0到50%變化時,由于閥的反作用,載溫液溫度由-43.23℃變化到-42.56℃,由兩點法建模求得液體溫度響應(yīng)延時時間和響應(yīng)速度,從而求得副控對象的傳遞函數(shù)。
2.3仿真研究分析根據(jù)圖4,對廣義對象用Simulink搭建控制系統(tǒng)仿真模型,采用Simulink中PID模塊自整定可以找到最佳PID參數(shù),將副回路和主控對象內(nèi)腔氣體視為廣義被控對象,則在仿真中廣義對象的傳遞函數(shù)為。取K0=0.94,T0=886.7,τ0=88.2,λ取0.5。由2.1節(jié)可得到Gc1(s),Gc2(s),因此可以得到預(yù)測PI控制器。根據(jù)所設(shè)計的預(yù)測PI控制器,分別對預(yù)測PI-PID串級控制系統(tǒng)與單純PID、普通PID-PI串級控制系統(tǒng)進行仿真研究。從圖6~8中可以看出,在對階躍激勵的動態(tài)響應(yīng)特性方面,預(yù)測PI-PID串級控制相對其他兩種控制方法,響應(yīng)速度更快;在二次脈沖擾動作用下,預(yù)測PI-PID串級控制對擾動能夠快速響應(yīng)并較快地達到穩(wěn)定;普通PID-PI串級控制次之;單純PID控制抗干擾能力最差。在模型失配時,預(yù)測PI-PID串級控制響應(yīng)平穩(wěn),而普通PID-PI串級控制與單純PID控制在模型失配時,響應(yīng)不平穩(wěn)有較大超調(diào)。
3結(jié)論
本文對離心-溫度復(fù)合試驗箱的地面溫控系統(tǒng)進行了闡述,并詳細介紹了預(yù)測PI-PID串級控制方法。通過對比預(yù)測PI-PID串級控制系統(tǒng)與普通PID-PI串級控制系統(tǒng)、單純PID控制系統(tǒng)在動態(tài)響應(yīng)和抗干擾能力等方面的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn),預(yù)測PI-PID串級控制方法總體上優(yōu)于單純PID和普通PID-PI串級控制方法,具有良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)和較強的抗干擾能力,對控制系統(tǒng)的魯棒性也有所提高。預(yù)測PI-PID串級控制方法應(yīng)用到本文介紹的離心-溫度復(fù)合試驗箱溫控系統(tǒng)中是可行的。
作者:李穎奇孟曉風(fēng)董雪明單位:北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所