復(fù)合試驗(yàn)箱溫度精密控制方法范文
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《計(jì)測(cè)技術(shù)雜志》2015年第二期
1.1預(yù)測(cè)PI控制基本原理溫度系統(tǒng)是非線性、不確定的控制對(duì)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(huì)造成對(duì)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(lái)克服這些特殊動(dòng)態(tài)特性對(duì)系統(tǒng)造成的不良影響。預(yù)測(cè)PI控制有兩部分組成:一部分是PI控制項(xiàng)，另一部分是預(yù)測(cè)控制項(xiàng)。PI控制項(xiàng)可以提高控制系統(tǒng)的魯棒性和抗干擾性;預(yù)測(cè)控制項(xiàng)可以預(yù)測(cè)將來(lái)的控制量［3］，從而克服純滯后的影響。預(yù)測(cè)PI控制無(wú)需知道過(guò)程的精確模型，只需知道大概的模型，并且可以通過(guò)設(shè)置不同的控制參數(shù)來(lái)獲得滿意的結(jié)果。
1.2預(yù)測(cè)PI-PID串級(jí)控制方法設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)PI-PID串級(jí)控制設(shè)計(jì)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(bǔ)償校正作用。主控制器采用預(yù)測(cè)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(duì)象，G主(s)為主控制對(duì)象。主副控制對(duì)象和副回路PID控制器組成廣義對(duì)象。
2離心-溫度復(fù)合試驗(yàn)箱預(yù)測(cè)PI-PID串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及仿真研究
2.1試驗(yàn)箱預(yù)測(cè)PI-PID串級(jí)控制結(jié)構(gòu)將預(yù)測(cè)PI-PID串級(jí)控制方法應(yīng)用于離心-溫度復(fù)合試驗(yàn)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(duì)象載溫腔構(gòu)成，主回路由氣體溫度變送器、預(yù)測(cè)PI控制器、副回路PID控制器、調(diào)節(jié)閥、副控制對(duì)象和主控對(duì)象內(nèi)腔氣體構(gòu)成。
2.2主副控制對(duì)象特性測(cè)試與建模主控制對(duì)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(duì)象模型可用一階慣性加延時(shí)環(huán)節(jié)來(lái)描述，當(dāng)載溫腔內(nèi)液體與內(nèi)腔氣體溫度熱交換平衡時(shí)，即液體與氣體溫度基本不變，此時(shí)改變液體溫度，可以得到氣體溫度階躍變化曲線。實(shí)驗(yàn)中，將載溫腔內(nèi)液體溫度從穩(wěn)定31.7℃拉到8.6℃，經(jīng)過(guò)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(diǎn)法建模［4］求得氣體溫度在液體溫度階躍激勵(lì)下的延時(shí)時(shí)間和響應(yīng)速度，從而求得主控對(duì)象的傳遞函數(shù)。副控制對(duì)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(duì)象模型用一階慣性加延時(shí)環(huán)節(jié)來(lái)描述，當(dāng)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(shí)驗(yàn)中，閥的開度由0到50%變化時(shí)，由于閥的反作用，載溫液溫度由－43.23℃變化到－42.56℃，由兩點(diǎn)法建模求得液體溫度響應(yīng)延時(shí)時(shí)間和響應(yīng)速度，從而求得副控對(duì)象的傳遞函數(shù)。
2.3仿真研究分析根據(jù)圖4，對(duì)廣義對(duì)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(duì)象內(nèi)腔氣體視為廣義被控對(duì)象，則在仿真中廣義對(duì)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(cè)PI控制器。根據(jù)所設(shè)計(jì)的預(yù)測(cè)PI控制器，分別對(duì)預(yù)測(cè)PI-PID串級(jí)控制系統(tǒng)與單純PID、普通PID-PI串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。從圖6～8中可以看出，在對(duì)階躍激勵(lì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性方面，預(yù)測(cè)PI-PID串級(jí)控制相對(duì)其他兩種控制方法，響應(yīng)速度更快;在二次脈沖擾動(dòng)作用下，預(yù)測(cè)PI-PID串級(jí)控制對(duì)擾動(dòng)能夠快速響應(yīng)并較快地達(dá)到穩(wěn)定;普通PID-PI串級(jí)控制次之;單純PID控制抗干擾能力最差。在模型失配時(shí)，預(yù)測(cè)PI-PID串級(jí)控制響應(yīng)平穩(wěn)，而普通PID-PI串級(jí)控制與單純PID控制在模型失配時(shí)，響應(yīng)不平穩(wěn)有較大超調(diào)。
3結(jié)論
本文對(duì)離心-溫度復(fù)合試驗(yàn)箱的地面溫控系統(tǒng)進(jìn)行了闡述，并詳細(xì)介紹了預(yù)測(cè)PI-PID串級(jí)控制方法。通過(guò)對(duì)比預(yù)測(cè)PI-PID串級(jí)控制系統(tǒng)與普通PID-PI串級(jí)控制系統(tǒng)、單純PID控制系統(tǒng)在動(dòng)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(cè)PI-PID串級(jí)控制方法總體上優(yōu)于單純PID和普通PID-PI串級(jí)控制方法，具有良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)和較強(qiáng)的抗干擾能力，對(duì)控制系統(tǒng)的魯棒性也有所提高。預(yù)測(cè)PI-PID串級(jí)控制方法應(yīng)用到本文介紹的離心-溫度復(fù)合試驗(yàn)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(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所
