专利名称：较大滞后温度系统的控制方法
技术领域：
本发明涉及一种温度系统控制方法，特别是具有较大滞后温度系统的控制方法。
背景技术：
在工业生产过程中及其它场合，温度控制系统是最重要的控制系统之一。但在包括温度、压力、流量、物位在内的主要工业控制参数中，温度又属于最难控制的参数，其原因主要是该类系统的滞后性(或称惯性)。我们可以通过油田中最为常见的燃气或燃油加热炉加以分析燃气或燃油通过燃烧器燃烧放出热量，该热量通过炉内各个受热面传给需加热的介质水，传热的过程既有火焰和高温烟气的热辐射，也有炉壁内外的热传导和热对流，被加热的水再通过隔板溢流到加热炉尾部，送往远处的油井使用。由于加热炉的受热面较小，热辐射强度会比较弱，又由于加热炉为常压炉，水循环缓慢，热传导和对流强度也会有限，再加之加热炉的尾部并无加热手段，所有因素综合的结果造成了加热炉的传递滞后较大。在实际测试中，通常可达到数十分钟以上。
在目前的控制方法中以比例、积分、微分(PID)方案最为常见。其中，比例是最基本的控制手段，积分用来消除调节余差，而微分用来改善系统的响应。对于多数系统，PID方案已经被证明是一种较好的通用型方案而广泛应用，但是对于某些系统，特别是对于较大滞后的温度系统而言，仅靠微分作用改善系统响应的效果并不理想。因而后期出现了很多改进方案，诸如史密斯(Smith，O.J.M.)预估补偿方案、大林(Dahlin，E.B.)控制算法、卡尔曼(Kalman，R.E.)控制算法、V E.(Vogel，E.F.&Edgar，T.F.)控制算法等，这些方案和算法对于较大滞后(特别是较大纯滞后)的系统的调节效果有了不同程度的改进。可是在实施时都需要较准确的控制对象的特性方程来构造补偿环节或算式，给在工程上的应用带来很大难度，也严重影响了使用效果。
近年来不用考虑控制对象特性的模糊逻辑控制算法进展很快，中国专利ZL94193047等均有论述。从模糊控制和PID控制的响应对比曲线上看，无论超调量或是过渡时间，模糊控制均有较好的成绩。但是模糊逻辑控制算法与前述的各种算法一样，需要连续输入信号的支持。
为了减少温度控制系统可能产生的温度过冲量(即超调量)，斜率控制成为温度系统的另一类控制方案。美国专利746474公开一种建筑物室内空间温度的控制系统，这种典型的空调系统可以通过温度曲线斜率的变化，减少调整时的过冲量，使温度变化平稳。美国专利申请60/266.926也描述了一种用于半导体生产中加热炉的惯性温度控制系统，它由分区的多点温度测量，通过斜率设置的加速和减速达到精确控制温度的目的，从该专利的附图中可明显看到与原传统控制的数据变化曲线对比，可见针对性的温度控制系统设计往往可以收到良好的效果。但是这类系统通用性差，构成较复杂，而且连续的输入信号是使用斜率控制的首要前提条件。
在另一方面，根据过程控制原理，控制系统可以用数学模型(或称动态方程式)表述。比较简单的系统，控制对象可以用一阶微分方式表述，简称一阶特性或一阶系统，其动态参数可以用时间常数表征。而较复杂系统的则需用二阶乃至高阶微分方式表述，在这种情况下，动态参数的表述也比较复杂。但在工程上，往往可以用具有纯滞后的一阶特性来代替二阶或高于二阶的特性。这样可以将高阶系统简化成为一阶系统，用等效的纯滞后时间和等效的时间常数来表述系统动态特性。这样包括等效纯滞后时间和等效时间常数在内的系统总滞后时间可以用来代表系统总的时间属性，而且通过系统响应测试得到这种总滞后时间要比准确得到系统特性方程远为容易和现实。
发明内容
本发明的目的是提供一种从构成到调整都非常简便而又效果良好的较大滞后温度控制系统的方法。
本发明的技术方案组成需要至少2个温度输入信号和产生1个控制输出信号，温度输入信号和控制输出信号均为开关量，且控制输出信号根据温度输入信号的状态和区间调节次数而变化，以达到控制温度的效果。
本发明实施的是一种特定周期的间歇控制方式，其工作周期分为动作时间和停止时间两部分，工作周期和温度系统等效总滞后时间的比例关系会影响整个系统的稳定，而动作时间和停止时间的不同比例可以产生不同的控制强度。在本发明中控制输出信号工作周期与温度系统滞后时间通常保持1∶0.5～1.5的合适比例，输出信号动作时间一般小于其停止时间的50％。前者数值之所以选择较宽的范围，主要是考虑到在实际工作中估测系统总滞后时间的较大偏差，而后者的比例数值既保证了间歇控制的效果，又注意到足够的调节强度及裕度。
同为开关量的2个源于同一温度控制测量点的温度输入信号将控制输出信号分为控制区内、区外两种，在控制区内和区外，设定不同的动作时间可以实现不同的控制强度。在控制区内，由于已经接近设定温度，还可以设定区内的区间调节次数，降低控制强度，以减少调节动作对系统本身的扰动。在区外，同样可以设定区外的区间调节次数，但次数达到后，应该实施加大控制量的处理。温度在区内、外作临界越区变化时，控制输出信号的方向(加大或减小)可以按照使用者的设定选择变化或不变化，以适应不同的温度系统需要。
在上述基本方案的基础上，本发明可以增添与前述的温度输入信号具有相同测量位置的附加温度输入点。附加的温度输入点在区内或区外建立分区，进入该分区后，控制输出信号可以有新的动作时间，以达到更高的控制精度。附加的温度输入点数量一般不宜超过3个，否则会影响本发明的简洁性。
考虑到实用性，本发明设有最小输出动作时间，凡控制输出信号动作时间小于该值时，其动作时间将为零。但为防止调节质量下降，此时系统进行动作时间累计处理，待累计量达到最小输出动作时间时予以输出。
本发明与常规方法相比较，其有益效果为由于输入、输出信号均为开关量，故可以省去温度变送器或A/D转换器、D/A转换器、伺服放大器等多项设备，较大幅度的节省成本、能源和提高可靠性。由于采用间歇方式工作，可以减少设备机械磨损，延长使用时间。更为重要的是，鉴于本发明是较大滞后温度系统的针对性设计，故可以达到比常规控制更高的控制精度，而且调整简单，实施方便，调整参数物理意义清楚，对使用者的技术要求较低，易于推广。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明
图1是基本工作波形示意图。
图2是设定调节次数工作波形示意图。
图3是不同动作方向工作波形示意图。
图4是引入附加温度信号工作波形示意图。
图5是加热炉温度系统控制装置方框图。
具体实施例方式本发明公开的较大滞后温度系统的控制方法可通过下述的温度控制装置在油田加热炉(6)上实施该装置由燃烧器(5)、控制器(1)、温度传感器(2)、执行器(4)及安全阀(3)、点火阀(7)、点火器(8)组成，如附图5所示。其中燃烧器(5)的燃料应是气体或液体，燃烧器(5)可以是中国专利申请02294106.1所述的燃气燃烧器或其它可实现燃烧功能的燃气或燃油燃烧器。控制器(1)是装有特定程序的微处理器化装置。温度传感器(3)是温度开关，它可以是温度继电器，也可以是热电偶、热电阻及其它测温元件通过二次仪表而转换来的继电开关信号。执行器(4)是电动机驱动的阀门，如电动碟阀、电动球阀等，不需要配套的伺服放大器。安全阀(3)和点火阀(7)为电磁阀。点火器(8)为中国专利申请02294107.x所述的燃气点火装置或其它可实现正常点火的点火装置。
整个装置由装有特定程序的控制器(1)控制，首先进行点火，安全阀门(3)打开，燃料通过安全阀门(3)和点火阀门(7)进入燃烧器(5)，同时点火器(8)进行点火。点火成功后，控制器(1)通过特定的启动程序进行启动控制，待整个启动控制过程完成后，系统进入自动状态。此时由温度开关组成的温度传感器(2)将加热炉(6)的温度情况传给控制器(1)，控制器(1)根据加热炉温度的位置，输出动作信号控制执行器(4)，执行器(4)为以电动机为驱动的阀门，它直接操作控制阀门开度的大小，从而控制燃烧燃料的多少，达到控制加热炉温度稳定的目的。
本发明的基本工作波形如附图1所示。在加热炉温度小于T1时，装置工作在控制区外，以较宽的幅度向开通方向动作，待温度上升至大于T1后，开始进入控制区，此时装置仍以开通状态工作，但宽度变窄，控制强度变弱。如温度继续上升，达到T2以后加热炉温度超出控制区，输出信号将向关断方向动作，幅度变宽。
由于控制区内是最终设定温度范围，所以可以设定在控制区内的调节次数，实现平稳的调节。如该次数设定为2，则调节次数达到2次后，控制将不再进行，除非温度再度超出控制区，如附图2所示。
在不同的情况下，可能需要不同的控制动作方向，附图3就展示了与附图1不同的控制动作方向。当温度高于T1后，控制动作方向由开通改为关断，所以根据在T1和T2两个设定点的进出不同可以有4种方向模式的组合。
如果工业现场希望更高精度的控制效果，本发明还可以提供附加温度输入信号的方法，附图4描述了这种情况。在加热炉温度低于T1的控制区外，再增加一个与T1、T2同源的附加温度输入点T3，当加热炉温度低于T3点后，输出信号的开通宽度将变得更宽，控制进一步得到加强。
由于在本发明中阀门是电动机直接开环驱动，并没有阀门位置的反馈过程，整个系统的稳定性是通过包括控制对象在内的大闭环实现的。所以为安全起见，要求阀门必须有自动切断电源的限位装置，并同时装有机械保护限位装置。
作为具有实用价值的实施例，在使用时还应该具有一些辅助装置及功能。如火焰检测装置及熄火保护功能，高温度传感器及高温报警、停炉功能，燃料压力传感器及低燃料压力报警、停炉功能，防泄漏传感器及测漏功能等。鉴于这些装置及功能为专业人士所熟悉，故不再详述。
本发明应用于油田加热炉的温度控制系统后，提高了温度的控制精度、安全性和自动化程度，减少了较多的设备，明显的节省了投资和能源消耗，具有良好的使用前景。
应该理解的是本发明虽然以加热炉的特定实施例进行了具体描述，而且本发明的确也非常适合于加热炉的温度控制，但这并非构成对本发明的限定。在上述方法的指导下，专业人士显然可以发现，本发明有着更多的变化和实施例，因此有着更广泛的适用范围。
权利要求
1.一种较大滞后温度系统的控制方法，所述过程需要至少2个温度输入信号和产生1个控制输出信号，其特征在于温度输入信号和控制输出信号均为开关量，且控制输出信号限据温度输入信号的状态和区间调节次数确定。
2.根据权利要求1所述的较大滞后温度系统的控制方法，其特征在于产生的控制输出信号的工作周期与所控制的温度系统的滞后时间之比限定在1∶0.5～1.5，且控制输出信号的动作时间小于其停止时间的50％。
3.根据权利要求1所述的较大滞后温度系统的控制方法，其特征在于2个温度输入信号源于同一温度控制测量点，并将控制输出信号分为控制区内、外两种。
4.根据权利要求3所述的较大滞后温度系统的控制方法，其特征在于在控制区内和外可以设定不同的控制输出信号动作时间。
5.根据权利要求3所述的较大滞后温度系统的控制方法，其特征在于在控制区内和外可以分别设定区间调节次数及达到该次数后的控制输出信号动作时间。
6.根据权利要求3所述的较大滞后温度系统的控制方法，其特征在于当温度输入信号在控制区边缘作越区变化时，可以选择控制输出信号的动作方向。
7.根据权利要求1所述的较大滞后温度系统的控制方法，其特征在于可以增设若干个附加温度输入信号，该附加温度输入信号源于同一温度控制测量点，并在控制区内或外建立分区，在分区内可以设定不同的控制输出信号动作时间。
8.根据权利要求1所述的较大滞后温度系统的控制方法，其特征在于控制输出信号中动作时间有最小动作量限制，低于该值时控制输出信号的动作时间为零，并作累计处理。
全文摘要
本发明提供了一种温度系统控制方法。由于其输入信号和输出信号均为开关量，且控制输出信号根据温度输入信号的状态和区间调节次数变化，所以从构成到调整都非常简便。可以达到常规控制所不及的控制效果，同时还可以节省成本和能源，减少机械磨损，提高使用寿命。实现这种方法的装置可以由燃烧器、控制器、温度传感器、执行器等组成。适用于较大滞后的温度控制系统，特别是油田加热炉的控制。
文档编号G05D23/00GK1517822SQ0310039
公开日2004年8月4日 申请日期2003年1月17日 优先权日2003年1月17日
发明者杨凝, 杨 凝 申请人:天津市易卡捷电子有限公司