电加热器温度仿人智能多模型控制.pdf

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1、过程控制化工自动化及仪表，2010，37(8)：30～33ControlandInstrumentsinChemicalIndustry电加热器温度仿人智能多模型控制平洋，罗雄麟(中国石油大学(北京)自动化研究所，北京102249)摘要：对于实验室电加热器温度一类具有大范围工况、非线性和大惯性特性的对象，用单一模型无法准确描述模型特征，影响控制精度；采用常规控制策略无法解决响应快速性与系统稳定性的矛盾。针对上述问题，利用MATLAB辨识工具箱分别在大幅升温、大幅降温、小幅升温、小幅降温四种工况下对模型参数进行辨识，得到对象模型集；根据仿人智能思想将控制分为“

2、全压加速一零制动一稳态调节”三个阶段，各控制阶段根据对象特性选取相应模型，并利用辨识模型获得控制器参数和切换点，在稳态调节阶段针对升温和降温的正反模型特性引入多模型加权控制方法。在加热器装置上实验的结果表明，该方法控制精度高，系统响应速度和稳定性都有了很大提升。关键词：电加热器；正反模型；多模型；仿人智能；加权控制中图分类号：7rP273文献标识码：A文章编号：1000-3932(2010)0841030-04l引言电加热器在工业过程和实验室里有着非常广泛地应用，加热器的温度控制在生产和实验中都具有重要意义，但常规控制方法很难获得理想的控制效果，其原因主要是

3、：加热器温度是具有较强非线性特性的对象，无法获得精确的机理模型，而用单一的线性模型近似降低了模型准确性，影响控制品质；温度的滞后特性往往导致控制决策的失误，出现响应缓慢、超调过大，甚至“飞温”现象。近年来仿人智能理论在实际生产中的应用日趋广泛，尤其在电加热器温度控制中也得到了较好的应用，仿人智能控制的思想就是模拟人的控制行为功能，最大限度利用系统动态过程所提供的特征信息，及时调整控制器结构或参数，使控制更有效。常丹华⋯等人将智能控制方式与0．618优化理论相结合，靠智能化快速自寻优搜索，实现系统的调节和控制过程，避免了复杂的整定过程，但控制精度低，整定时间长

4、。柏建国B-提出了全压一制动比例一比例加变速积分的控制模式，并应用于电加热器温度控制中，控制效果有较大改进，但未完整指出控制切换的量化方法，根据经验选取的控制器参数不当，会导致控制品质恶化。仿人智能理论将控制分为暂态响应和稳态调节两阶段，利用开环控制来满足暂态响应的快速性，同时利用反馈控制来满足稳态调节的平稳无差要求，一定程度上克服了常规控制方法稳定性与快速性的矛盾，但控制器中很多参数都由以往实验数据或经验获得，控制器通用性较差；同时控制器的设计通常针对单一模型设计参数，这对于温度一类具有非线性特性较强的对象来说，很难获得理想的控制效果H1。本文针对上述问题

5、，以“全压一制动一稳态”为控制器框架，辨识几种典型工况下的加热器模型组成多模型集，在不同控制阶段根据对象特性进行模型的切换或加权，再结合仿人智能理论设计控制器参数，增强控制器的通用性，旨在提高电加热器温度的控制品质。加热器主要注重于升温与恒温过程，对于降温过程本文暂不讨论。2加热器温度模型集获取炉温的非线性特性表现在：炉温系统的控制量为电压，而电压的变化具有跃变性：如输出电压信号可从0V跃变为最大负荷10V，也可从当前电压跃变至0电压值，有明显可跳变性，由于非线性特性的影响，在增加或减少不同幅度的电压信号时，炉温的动态特性有较大差异；实验室加热器装置依靠电热

6、升温，而降温时无任何主动措施，只依靠自然冷却，升温与降温机理的差异导致了模型的差异，在增加和减少相同幅度电压信号时，炉温的动态特性也有较大差异，存在正向升温和反向降温两种模型。根据以上分析进行如下阶跃响应实验：在室温时，将电压信号由0V增加到】0V(市压210V)，直至炉温平稳，获得全压升温响应曲线；再将电压信号由10V降至0V，直至炉温恢复到室温状态，获得全压降温响应曲线。同理在室温时将电压信号由0V增加到1V(市压66．4V)，平稳后降至0V，获得小幅升温和小幅降温曲线。利用MATLAB辨识工具箱对模型进行辨识，得到传递函数如表1所示。由此将复杂的炉温非

7、线性模型转化为全压升温、全压降温、小幅升温和小幅降温四种典型工况下的线性模型组成的模型集。由表l可知，当电压值上升和收稿日期：2010．．05-21(修改稿)第8期平洋等．电加热器温度仿人智能多模型控制·31·下降相同时，温度动态特性的差异主要表现在时间常数上，而静态增益基本相同；当电压上升或下降不同幅值时，则时间常数和静态增益都有较大差异，这也验证了温度的非线性特性。表1加热器模型集3控制器总体设计仿人智能控制器的设计一般以“暂态响应一稳态调节”为基本框架，陈正”1改进了仿人智能过程，将控制分为“继电器控制一比例一变速积分一微调”四个阶段，对大容量管式和箱

8、式电阻炉的温度控制取得了较好的控制效果，但响应曲线仍