复合试验箱温度精密控制方法范文

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《计测技术杂志》2015年第二期

1预测PI-PID串级控制方法原理

1.1预测PI控制基本原理温度系统是非线性、不确定的控制对象，建立精确的数学模型比较困难，并且由于存在大惯性滞后，往往会造成对象不稳定。若采用传统的控制方法如PID控制，一般难以获得满意的控制效果。因此引入控制算法来克服这些特殊动态特性对系统造成的不良影响。预测PI控制有两部分组成:一部分是PI控制项，另一部分是预测控制项。PI控制项可以提高控制系统的鲁棒性和抗干扰性;预测控制项可以预测将来的控制量［3］，从而克服纯滞后的影响。预测PI控制无需知道过程的精确模型，只需知道大概的模型，并且可以通过设置不同的控制参数来获得满意的结果。

1.2预测PI-PID串级控制方法设计预测PI-PID串级控制设计结构图如图4所示。副回路采用PID控制，可以快速抑制二次干扰，起到补偿校正作用。主控制器采用预测PI控制，提高控制器的鲁棒性和系统控制性能。图中G副(s)为副控制对象，G主(s)为主控制对象。主副控制对象和副回路PID控制器组成广义对象。

2离心-温度复合试验箱预测PI-PID串级控制系统结构及仿真研究

2.1试验箱预测PI-PID串级控制结构将预测PI-PID串级控制方法应用于离心-温度复合试验箱温度控制系统中，系统控制原理框图如图5所示，副回路由液体温度变送器、PID控制器和副控制对象载温腔构成，主回路由气体温度变送器、预测PI控制器、副回路PID控制器、调节阀、副控制对象和主控对象内腔气体构成。

2.2主副控制对象特性测试与建模主控制对象为内腔气体，主控制变量为气体温度。液体温度影响气体温度。主控制对象模型可用一阶惯性加延时环节来描述，当载温腔内液体与内腔气体温度热交换平衡时，即液体与气体温度基本不变，此时改变液体温度，可以得到气体温度阶跃变化曲线。实验中，将载温腔内液体温度从稳定31.7℃拉到8.6℃，经过热交换内腔气体温度从32.5℃降到6.5℃并稳定。根据气体温度阶跃变化曲线，由阶跃曲线两点法建模［4］求得气体温度在液体温度阶跃激励下的延时时间和响应速度，从而求得主控对象的传递函数。副控制对象为载温腔液体，副控制变量为液体温度。在恒温槽温度恒定条件下，液体温度主要受调节阀的开度影响，将副控制对象模型用一阶惯性加延时环节来描述，当恒温槽液体温度与载温腔液体温度恒定后，改变阀的开度，可得到载温腔液体温度变化曲线。低温实验中，阀的开度由0到50%变化时，由于阀的反作用，载温液温度由－43.23℃变化到－42.56℃，由两点法建模求得液体温度响应延时时间和响应速度，从而求得副控对象的传递函数。

2.3仿真研究分析根据图4，对广义对象用Simulink搭建控制系统仿真模型，采用Simulink中PID模块自整定可以找到最佳PID参数，将副回路和主控对象内腔气体视为广义被控对象，则在仿真中广义对象的传递函数为。取K0=0.94，T0=886.7，τ0=88.2，λ取0.5。由2.1节可得到Gc1(s)，Gc2(s)，因此可以得到预测PI控制器。根据所设计的预测PI控制器，分别对预测PI-PID串级控制系统与单纯PID、普通PID-PI串级控制系统进行仿真研究。从图6～8中可以看出，在对阶跃激励的动态响应特性方面，预测PI-PID串级控制相对其他两种控制方法，响应速度更快;在二次脉冲扰动作用下，预测PI-PID串级控制对扰动能够快速响应并较快地达到稳定;普通PID-PI串级控制次之;单纯PID控制抗干扰能力最差。在模型失配时，预测PI-PID串级控制响应平稳，而普通PID-PI串级控制与单纯PID控制在模型失配时，响应不平稳有较大超调。

3结论

本文对离心-温度复合试验箱的地面温控系统进行了阐述，并详细介绍了预测PI-PID串级控制方法。通过对比预测PI-PID串级控制系统与普通PID-PI串级控制系统、单纯PID控制系统在动态响应和抗干扰能力等方面的仿真结果发现，预测PI-PID串级控制方法总体上优于单纯PID和普通PID-PI串级控制方法，具有良好的调节品质和较强的抗干扰能力，对控制系统的鲁棒性也有所提高。预测PI-PID串级控制方法应用到本文介绍的离心-温度复合试验箱温控系统中是可行的。

作者：李颖奇孟晓风董雪明单位：北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院中航工业北京长城计量测试技术研究所