本發(fā)明涉及高真空環(huán)境下物體加熱的過程控制技術領域。

背景技術：

隨著比例-積分-微分（proportion-integration-differentiation，pid）控制理論的出現，基于各種算法的pid控制器在許多行業(yè)得到了廣泛的應用，特別是在溫度控制領域，90%的加熱控制器是基于pid原理進行設計的。

傳統(tǒng)的pid加熱控制系統(tǒng)如圖1所示，其工作原理是根據t時刻加熱對象的反饋溫度，與給定的目標溫度想比較，以當前的溫度誤差值作為pid控制器的輸入e(t)，由比例系數kp、積分時間常數ti；微分時間常數td，得到pid控制器的輸出u(t)：

，(1)

pid控制器的輸出u(t)控制功率調節(jié)器的輸出功率，改變加熱器的加熱功率，使加熱對象的溫度升高，控制器的反饋溫度值發(fā)生變化，溫度誤差值不斷變小，直至達到預設的目標溫度。

通常，為防止大氣環(huán)境下出現的高溫氧化現象，材料的高溫試驗必須在高真空的保護環(huán)境下進行。雖然，模糊理論、神經網絡、魯棒理論等控制原理的引入，涌現出很多改進的pid控制算法，以適應加熱過程的復雜性，滿足某些特殊環(huán)境下的加熱控制。但是，高真空環(huán)境下物體的熱慣性大、變化規(guī)律復雜，傳統(tǒng)的pid控制方法經常出現過高的溫度超調，容易破壞試驗材料的結構和性能。

技術實現要素：

為抑制高真空環(huán)境下加熱過程產生的過高超調溫度，本發(fā)明提出了一種動態(tài)賦值的pid加熱控制系統(tǒng)及方法，其控制原理是根據當前溫度反饋值與目標加熱溫度值之間的溫度差，動態(tài)的改變pid溫控器賦值溫度，進而控制加熱器功率，完成對加熱對象加熱過程的pid控制。

為實現上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案，本發(fā)明的加熱控制系統(tǒng)包括pid控制器、功率調節(jié)器、加熱器、加熱對象和溫度測量件，pid控制器通過功率調節(jié)器控制加熱器的加熱功率，加熱器直接對加熱對象進行加熱處理，加熱對象上設有溫度測量件，其結構要點是：還包括動態(tài)賦值運算器，動態(tài)賦值運算器中預設目標溫度值，溫度測量件將加熱對象的反饋溫度值反饋給動態(tài)賦值運算器，動態(tài)賦值運算器經過運算處理后賦值給pid控制器。

本發(fā)明的加熱控制方法是：預設目標溫度值至動態(tài)賦值運算器，由動態(tài)賦值運算器根據加熱對象的反饋溫度值計算出中間目標溫度值，再動態(tài)的賦值給pid控制器，pid控制器根據動態(tài)變化的中間目標溫度值調解功率調節(jié)器的輸出功率，改變加熱器的加熱功率，使加熱對象的溫度升高，動態(tài)賦值運算器接收到的反饋溫度值發(fā)生變化，溫度誤差值不斷變小，直至達到預設的目標溫度值。

優(yōu)選地，加熱過程中動態(tài)賦值運算器對pid控制器進行多次、動態(tài)中間目標溫度值的賦值。

優(yōu)選地，隨著加熱對象溫度的不斷升高，當反饋溫度值與目標溫度值之間的溫度差值小于1℃，動態(tài)賦值運算器輸出的中間目標溫度值等于目標溫度值，動態(tài)賦值運算器工作停止，pid控制器將加熱對象的溫度穩(wěn)定在目標溫度值的溫度。

優(yōu)選地，設被加熱對象的當前反饋溫度值作為動態(tài)賦值運算器的輸入ti，目標加熱溫度ts，則中間目標溫度值由動態(tài)賦值運算器中的賦值運算公式計算得到，式中n為動態(tài)賦值運算器的賦值次數，n=0,1,2……。

本發(fā)明有益效果：

與傳統(tǒng)的pid加熱控制方法不同，本發(fā)明在加熱控制系統(tǒng)中增加了動態(tài)賦值運算器，實現了對pid控制器的多次、動態(tài)的賦值，根據當前狀態(tài)的反饋溫度和設定的目標溫度值，所賦的中間目標溫度值由賦值運算公式計算得出，變化的賦值溫度促使pid控制器參數根據動態(tài)的中間目標溫度值迅速作出調整，及時對加熱功率進行調節(jié)，當反饋溫度接近設定的加熱目標溫度時，能夠及時、快速的降低加熱功率，甚至停止加熱，充分利用了真空環(huán)境下物體的熱慣性，大幅降低了加熱控制過程的超調溫度。

附圖說明

圖1是現有技術pid加熱控制系統(tǒng)圖；

圖2是本發(fā)明的動態(tài)賦值pid加熱控制系統(tǒng)圖；

圖3是圖2中的動態(tài)賦值運算器的工作流程圖；

1-目標溫度值，2-動態(tài)賦值運算器，3-pid控制器，4-功率調節(jié)器，5-加熱器，6-加熱對象，7-溫度測量件。

具體實施方式

下面結合附圖2和3對本發(fā)明做進一步技術描述：

如圖2-3所示，本發(fā)明通過讀取當前被加熱對象的反饋溫度值，并將其與設定的目標溫度值進行比較，當反饋溫度值小于目標溫度值，則動態(tài)賦值運算器啟動。

動態(tài)賦值運算器的工作原理如下：設當前被加熱對象的反饋溫度作為動態(tài)賦值運算器的輸入ti，根據目標加熱溫度ts，則動態(tài)賦值運算器的輸出ti+1為：

，(2)

式中n為動態(tài)賦值運算器的賦值次數，n=0,1,2……。

賦值運算公式（2）計算出的ti+1作為中間目標溫度值輸入至pid控制器，調節(jié)加熱對象的加熱功率；隨著加熱對象溫度的升高，不斷測量其反饋溫度，當反饋溫度tfn等于當前狀態(tài)下的中間目標溫度ti+1，進入到下一次的動態(tài)賦值過程。

隨著賦值次數i的增加，加熱對象的溫度逐步升高，與加熱的目標溫度逐漸接近，中間目標溫度值的增量溫度值越來越近于0，當反饋溫度值等于目標溫度值，則動態(tài)賦值運算器停止工作，此時，pid控制器的賦值溫度即為加熱的目標溫度值。

本發(fā)明提出的動態(tài)賦值pid加熱方法通過對pid控制器的多次動態(tài)賦值，促使pid控制器中pid調節(jié)參數根據動態(tài)變化的中間目標溫度迅速作出調整，及時對加熱器的加熱功率進行調節(jié)，當反饋溫度值接近設定的目標溫度值時，能夠及時、快速的降低加熱功率，甚至停止加熱，充分利用了真空環(huán)境下物體的熱慣性，使加熱對象逐步達到設定目標加熱溫度，有效避免了過高的溫度超調。

本發(fā)明不局限于上述的優(yōu)選實施例，凡是與本發(fā)明具有相同或者相近似的技術方案，均屬于本發(fā)明的保護范圍。

技術特征：

技術總結
本發(fā)明公開了一種適用于高真空環(huán)境的動態(tài)賦值PID加熱控制系統(tǒng)及方法，涉及高真空環(huán)境下材料加熱的過程控制領域，它是為解決高真空環(huán)境下加熱過程的超調溫度過高問題而提出的。在傳統(tǒng)PID加熱控制系統(tǒng)中增加了動態(tài)賦值運算器，實現了對PID控制器的多次、動態(tài)的賦值，根據當前狀態(tài)的反饋溫度和設定的目標溫度值，所賦的中間目標溫度值由賦值運算公式計算得出，變化的賦值溫度促使PID控制器參數根據動態(tài)的中間目標溫度值迅速作出調整，及時對加熱功率進行調節(jié)，當反饋溫度接近設定的加熱目標溫度時，能夠及時、快速的降低加熱功率，甚至停止加熱，充分利用了真空環(huán)境下物體的熱慣性，大幅降低了加熱控制過程的超調溫度。

技術研發(fā)人員：張宇峰;賈志淳;邢星;劉安業(yè);沈晶;于占東
受保護的技術使用者：渤海大學
技術研發(fā)日：2016.02.07
技術公布日：2017.08.15