一種多通道解耦的溫度控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于加工溫度調(diào)控技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種多通道解耦的溫度 控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在多個工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)過程中，溫度控制都具有非常重要的地位，而且與壓力、流 量、液位等工業(yè)參數(shù)的控制相比，溫度控制由于其大滯后性和非線性等特性，使得控制難度 更大，控制效果更難把握。例如，在注塑機料筒多段溫度控制或者工業(yè)鍋爐多溫區(qū)控制等工 業(yè)生產(chǎn)過程中，傳統(tǒng)單溫區(qū)的溫控系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足日益更新的生產(chǎn)要求，因而多輸入多 輸出（ΜΙΜΟ)的溫控系統(tǒng)日益受到了人們的重視。
[0003] 然而，對于上述MMO的溫度控制系統(tǒng)，各個溫區(qū)（通道）之間存在的耦合不可避 免，而且彼此的影響始終存在，導致溫控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)下降，嚴重的甚至直接可能導致整 個溫度控制系統(tǒng)發(fā)生紊亂。針對這種情況，現(xiàn)有技術(shù)中多結(jié)合PID控制算法對各自通道的 溫度進行單一調(diào)節(jié)。但事實上，傳統(tǒng)的PID控制方法對于溫控系統(tǒng)來說，無論如何調(diào)節(jié)PID 的三個參數(shù)都會產(chǎn)生明顯的超調(diào)和滯后；這些原因都導致了該控制方法存在多變量，尤其 是，難于對各變量之間存在強耦合的多輸入多輸出溫控系統(tǒng)達到令人滿意的溫控效果。
[0004] 例如，在對柔性電子器件執(zhí)行多層薄膜復合熱壓操作的設(shè)備中，可采用多個發(fā)熱 芯共同控制發(fā)熱頭的表面溫度，各發(fā)熱芯將設(shè)定溫度和相應(yīng)溫區(qū)（通道）的傳感器實時采 集到的當前溫度的誤差通過控制器轉(zhuǎn)換成控制變量輸出給加熱芯，實時控制加熱芯的加熱 功率，由此將對應(yīng)溫區(qū)（通道）的當前溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度值上。但實際工程實踐表明，由 于沒有充分考慮各溫區(qū)（通道）之間的耦合關(guān)系，導致各個溫區(qū)的溫度值彼此相互影響，當 某個溫區(qū)溫度值發(fā)生突然波動，其它幾個通道也會受到干擾，進而直接對最終輸出溫度的 調(diào)控精度造成不利影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種多通道解耦的溫度控制 方法，其中通過結(jié)合多輸入多輸出溫控系統(tǒng)自身的特點，并基于通道數(shù)量來設(shè)計整個溫控 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)及其解耦網(wǎng)絡(luò)，相應(yīng)能夠有效降低各種多輸入多輸出溫控系統(tǒng)中所存在的 強耦合性，與現(xiàn)有技術(shù)相比可顯著提升最終實現(xiàn)的溫控精度，并尤其適用于譬如采用多發(fā) 熱芯對柔性電子器件多層薄膜執(zhí)行復合熱壓之類的應(yīng)用場合。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種多通道解耦的溫度控制方法，其特征在 于，該方法包括下列步驟：
[0007] (a)為作為控制對象且具備多輸入多輸出通道的溫度控制系統(tǒng)構(gòu)建傳遞函數(shù)模型 Y (s) = G (s) U (s)，也即：
【主權(quán)項】
1. 一種多通道解耦的溫度控制方法，其特征在于，該方法包括下列步驟： (a) 為作為控制對象且具備多輸入多輸出通道的溫度控制系統(tǒng)構(gòu)建傳遞函數(shù)模型 Y (s) = G (s) U (s)，也即：
其中在模型（一）中，Y(S)表示整個溫度控制系統(tǒng)的溫度輸出矩陣，且各矩陣元素 Y1(S)AY2(S)A…、Yn(S)依次表不編號為1、2、···、]!的通道所對應(yīng)的溫度輸出；U(S)表不 整個溫度控制系統(tǒng)的輸入電壓信號矩陣，且各矩陣元素 U1 (s)、U2 (s)、-'Un(S)依次表示編 號為1、2、…、η的通道所對應(yīng)的輸入電壓信號；G(s)則表不輸入所述電壓信號矩陣與所述 溫度輸出矩陣之間的傳遞函數(shù)矩陣，也即其矩陣元素 Gij(S)為輸入電壓信號％(8)與溫度 輸出信號丫丨（8)之間的傳遞函數(shù)，其中i = 1，2，···，η，j = 1，2，···，η ; (b) 將所述溫度控制系統(tǒng)的加熱驅(qū)動模塊予以斷電處理，并使得所有通道的溫度處于 室溫穩(wěn)定狀態(tài)；然后，單獨對編號為1的通道持續(xù)施加階躍電壓信號，同時實時采集各個通 道的溫度值及記錄各通道溫度值的變化，繪制出階躍飛升曲線，直至所有通道采集到的階 躍飛升曲線均達到平衡為止；以此方式，根據(jù)此時所獲得的階躍飛升曲線，相應(yīng)辨識出所述 傳遞函數(shù)矩陣G(S)中的第一列元素也即G n(s)，G21(s)，一,Gnl(S)的相關(guān)參數(shù)； (c) 按照步驟（b)所述的方式，分別對編號為2、…、η的通道執(zhí)行類似操作，相應(yīng)辨識 出所述傳遞函數(shù)矩陣G(S)中其余各列元素的具體相關(guān)參數(shù)； ⑷利用步驟（b)和（c)所共同辨識出的傳遞函數(shù)矩陣G(s)，構(gòu)建如下的解耦網(wǎng)絡(luò) G- (s) = G(S)D(S)，即：
其中在解耦網(wǎng)絡(luò)（二）中，G-(S)表示對所述溫度控制系統(tǒng)進行解耦后的工作模型，其 中G(s)的所有元素 G11 (s)、G22 (s)、……、Gm(s)在步驟（b)和（c)中已予以辨識，D(S)則 表示上述解耦網(wǎng)絡(luò)自身待求解的傳遞函數(shù)；然后采用將所述傳遞函數(shù)D (s)的對角值設(shè)為1 的方式，相應(yīng)求解出所述工作模型G- (s)的最終形式； (e)基于步驟（d)所求解的工作模型G-(s)并結(jié)合控制算法，相應(yīng)調(diào)節(jié)所述溫度控制系 統(tǒng)的輸出加熱信號的占空比，由此對各個通道進行更為精準的溫度控制，同時實現(xiàn)解耦效 果。
2. 如權(quán)利要求1所述的溫度控制方法，其特征在于，在步驟（a)中，優(yōu)選采用一個慣性 環(huán)節(jié)串聯(lián)一個純滯后環(huán)節(jié)的形式來描述所述傳遞函數(shù)矩陣G(s)中的各個元素 Gu(S)，具體 如下：
其中，Ku表示增益參數(shù)；Tu表示慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)；τ U表示滯后環(huán)節(jié)的時間常數(shù)。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的溫度控制方法，其特征在于，在步驟（b)和（c)中，所述階 躍電壓信號的數(shù)值優(yōu)選被設(shè)定為溫控控制系統(tǒng)額定輸入電壓信號值的5%~15%之間。
4. 如權(quán)利要求1-3任意一項所述的溫度控制方法，其特征在于，在步驟（f)中，所述控 制算法優(yōu)選采用增量式PID算法，并預(yù)留出比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)Kd由用戶 進行整定。
5. 如權(quán)利要求1-4任意一項所述的溫度控制方法，其特征在于，上述溫度控制方法的 應(yīng)用對象優(yōu)選為采用多個發(fā)熱芯對柔性電子器件多層薄膜復合熱壓用的溫度控制系統(tǒng)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多通道解耦的溫度控制方法，包括：為溫度控制系統(tǒng)的輸入電壓和溫度度輸出之間構(gòu)建傳遞函數(shù)矩陣，并通過分別對各個通道逐一提供階躍電壓輸入并獲得相應(yīng)的階躍飛升曲線，由此辨識出傳遞函數(shù)的相應(yīng)參數(shù)；接著設(shè)計解耦網(wǎng)絡(luò)并對溫度控制系統(tǒng)執(zhí)行解耦，最后結(jié)合解耦后的傳遞函數(shù)和增量式PID算法，相應(yīng)對溫度控制系統(tǒng)的各個通道執(zhí)行更為精準的調(diào)節(jié)控制。通過本發(fā)明，能夠極大地降低了多通道之間的耦合性，同時具備溫度曲線響應(yīng)速度快，超調(diào)小，調(diào)節(jié)時間短等優(yōu)點，因而尤其適用于各類具備強耦合性的溫控應(yīng)用場合。
【IPC分類】G05D23-19
【公開號】CN104656699
【申請?zhí)枴緾N201510078832
【發(fā)明人】陳建魁, 黃真, 薛睿智, 程又來, 肖德衛(wèi)
【申請人】華中科技大學
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2015年2月13日