[发明专利]面向线网反应器的升温速率随意可调的快速加热控制算法

说明书

技术领域

本发明属于温度控制技术领域，尤其涉及一种面向线网反应器的升温速率随意可调的快速加热控制算法。

背景技术

线网反应器就是目前最理想的实现准确地模拟煤粉被投入到锅炉这一瞬间的快速加热反应过程的实验装置。实验时煤粉放在金属丝(线)网上，金属丝网通电发热，通过温度控制系统实现线网的快速并可变的升温过程，从而研究煤粉等颗粒燃料的热解和燃烧机理。开发控温更可靠灵活的线网反应器不仅对于煤的清洁利用研究具有重要意义，在生物质燃料研究等相关研究领域也有广泛的应用前景。

线网反应器是一个具有惯性和纯迟延的热系统。这种快速加热反应器国内只有两家：清华大学热能系2008年时研制出了线网反应器平台，然而该平台的反应速度仅有固定的几种，50℃/s，100℃/s，1000℃/s。不能任意调试，且加热只能一次完成，而且最高加热速度仅仅为1000℃/s。上海交通大学自动化系2015年研制出基于labview实现的线网反应器高速升温控制系统，实现过程简单，然而该系统仅显示能够达到的最大升温速度为700℃/s。清华实验台的控制算法采用传统PID，算法设计相对简单，但是一个完整的升温过程有三个阶段构成，每个阶段的PID参数都不一样，而不同升温速率的升温过程需要调整不同一套PID参数，因而参数调节过程非常复杂，而且参数不具有推广性。上海交大实验台采用位置PID控制与增量PID控制相结合的方式。其基本思路仍然是把升温过程分成两个阶段，升温过程采用位置PID控制，而邻近目标温度时采用增量PID控制以维持稳定。一个升温过程需要调整两套PID参数，升温速度变化，则会导致PID参数重新调整。因此，上述两种算法的本质是相同的，即按照一个完整的升温过程进行参数调整，升温速度只能在备选的几种中做选择，并不能实现升温速度连续灵活调整。另外PID的调整特性决定了如果要升温的快速性好，则稳定性时间就比较长，而如果要无超调稳定呢，则调节的快速性就要下降。鉴于此，本发明目的是公开一种能够实现快速加热反应器，且加热速度连续灵活多样，加热方式在单阶/双阶二者之间灵活可选的控制算法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明采取的技术方案为如下：

一种面向线网反应器的升温速率随意可调的快速加热控制算法，其特征在于，包括：

步骤1、根据温度传感器，温度变送器这些前端数据采集硬件的整体响应速度，以及控制芯片信号引起功率变化的响应时间，确定采样速度控制算法的采样速度；

步骤2、确定线网的稳定温度-输出功率之间的函数关系；

步骤3、确定线网的升温速度-输出功率匹配之间的函数关系；

步骤4、给定目标稳定温度和目标升温速度，分别依据步骤2和步骤3，计算得到给定目标稳定温度所对应的输出功率值和给定目标升温速度所对应的输出功率值；

步骤5、起始阶段的升温速度由升温速度-输出功率匹配函数所确定的输出功率值来决定；当实际温度小于目标稳定温度的设定比例即过冲比例时，按照步骤4中计算得到的升温速度所需要的输出功率值对应的控制电压恒定输出；

当实际温度大于目标稳定温度的设定比例时，控制电压输出调整到目标稳定温度所对应的输出功率值，该输出仅维持一个采样周期；

步骤6、在接下来的采样周期内，按照自动调节控制算法调节，直到调节时间到为止，所述自动调节控制算法需要先测量实际待控制的线网反应器系统时间常数和纯滞后时间，采用一阶惯性滞后系统进行建模；然后设定闭环系统的理想时间常数和纯滞后时间；根据设定的闭环系统的理想时间常数和纯滞后时间，以及测量得到的被控的线网反应器系统的实际时间常数和纯滞后时间，分别按照下式计算控制调节系数AA、系数BB和系数CC：

其中:AA＝(1-exp(-ts/tao2))/(1-exp(-tstao1))

BB＝AA*exp(ts/tao1)；

式中ts是采样时间间隔，tao2和tao1是用户给定的两个参数；

自动调节的控制电压u＝k1*AA*error-k2*BB*error_1+CC*u_1+(1-CC)*u_2；

其中k1和k2是用户用来调整的参数；error为当前采样周期计算得到的目标稳定温度与实测温度之间的误差；error_1为前一次采样计算得到的目标稳定温度与实测温度之间的误差；u_1为前一个采样周期所输出的控制电压；u_2为前一个采样周期之前的那个采样周期所输出的控制电压。