一种温度调节的方法和装置
专利汇可以提供一种温度调节的方法和装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种 温度 调节的方法，包括：测量当前温度值并根据当前温度值获取偏差e；当第二偏差 阈值 ＜|e|≤第一偏差阈值时，调整P、I和D，增加控制中的比例作用和积分作用，减弱微分作用；当0≤|e|≤第二偏差阈值时，调整P、I和D，减弱控制中的比例作用、积分作用和微分作用；根据第三偏差阈值A和偏差e，调整积分作用强度因子；根据调整后的P、I、D和积分作用强度因子，获取控制量的增量，并根据控制量的增量对温度进行调节。本发明还公开了一种温度调节的装置。本发明可以有效地降低 温度控制 过程中发生的过冲和振荡现象。，下面是一种温度调节的方法和装置专利的具体信息内容。
1.一种温度调节的方法，其特征在于，所述方法包括：
测量当前温度值，并根据所述当前温度值获取偏差e，所述偏差 e为预先设定的温度设定值与所述当前温度值的差；
当所述偏差e的绝对值|e|大于预先设定的第二偏差阈值Δ T2，且小于或等于预先设定的第一偏差阈值ΔT1时，调整比例因子、 积分因子和微分因子，增加控制中的比例作用和积分作用，减弱控制 中的微分作用；
当所述偏差e的绝对值|e|大于或等于0，且小于或等于预先设 定的第二偏差阈值ΔT2时，调整比例因子、积分因子和微分因子， 减弱控制中的比例作用、积分作用和微分作用；
根据预先设定的第三偏差阈值A和偏差e，调整积分作用强度因 子，对控制中的积分作用的强弱进行调节；
根据调整后的比例因子、积分因子、微分因子和积分作用强度因 子，获取控制量的增量，并根据所述控制量的增量对温度进行调节。
2.如权利要求1所述温度调节的方法，其特征在于，在所述当 偏差e的绝对值|e|大于预先设定的第二偏差阈值ΔT2，且小于或 等于预先设定的第一偏差阈值ΔT1时，调整比例因子、积分因子和 微分因子，增加控制中的比例作用和积分作用，减弱控制中的微分作 用的步骤中，具体包括：
当ΔT2＜|e|≤ΔT1时，根据公式
P’＝P*(1+(|e|-ΔT2)/(ΔT1-ΔT2)*c1)
调整比例因子，其中P’为调整后的比例因子，P为调整前的比例因 子，c1为系数；
当ΔT2＜|e|≤ΔT1时，根据公式
I’＝I*(1-(|e|-ΔT2)/(ΔT1-ΔT2)*c2)
调整积分因子，其中I’为调整后的积分因子，I为调整前的积分因子， c2为系数；
当ΔT2＜|e|≤ΔT1时，根据公式
D’＝D*(1-(|e|-ΔT2)/(ΔT1-ΔT2)*c3)
调整微分因子，其中D’为调整后的微分因子，D为调整前的微分因 子，c3为系数。
3.如权利要求2所述温度调节的方法，其特征在于，所述系数 c1、系数c2和系数c3的范围为0.05～0.50，由偏差|e|在ΔT1～Δ T2之间的次数确定。
4.如权利要求1所述温度调节的方法，其特征在于，在所述当 偏差e的绝对值|e|大于或等于0，且小于或等于预先设定的第二偏 差阈值ΔT2时，调整比例因子、积分因子和微分因子，减弱控制中 的比例作用、积分作用和微分作用的步骤中，具体包括：
当0≤|e|≤Δ T2时，根据公式
P’＝P*(1+(|e|-ΔT2)/ΔT2*0.20)
调整比例因子，其中P’为调整后的比例因子，P为调整前的比例因 子；
当0≤|e|≤ΔT2时，根据公式
I’＝I*(1-(|e|-ΔT2)/ΔT2*0.10)
调整积分因子，其中I’为调整后的积分因子，I为调整前的积分因子；
当0≤|e|≤Δ T2时，根据公式
D’＝D*(1+(|e|-ΔT2)/ΔT2*0.20)
调整微分因子，其中D’为调整后的微分因子，D为调整前的微分因 子。
5.如权利要求1所述温度调节的方法，其特征在于，在所述根 据预先设定的第三偏差阈值A和偏差e，调整积分作用强度因子，对 控制中的积分作用的强弱进行调节的步骤中，当|e|≤A/2时，所 述积分作用强度因子Kii为1。
6.如权利要求1所述温度调节的方法，其特征在于，在所述根 据预先设定的第三偏差阈值A和偏差e，调整积分作用强度因子，对 控制中的积分作用的强弱进行调节的步骤中，当|e|＞A/2时，所 述积分作用强度因子Kii由公式
Kii＝1-0.8*(2|e|-A)/A
获取。
7.如权利要求1所述温度调节的方法，其特征在于，在所述根 据调整后的比例因子、积分因子、微分因子和积分作用强度因子，获 取控制量的增量，并根据控制量的增量对温度进行调节的步骤中，所 述控制量的增量由公式
Δu(n)＝P*[e(n)-e(n-1)]+1/I*e(n)*Kii+D*[e(n)-2*e(n-1)+e(n-2)]
获取，其中
Δu(n)为n时刻的控制量的增量，
e(n)、e(n-1)和e(n-2)分别是n、n-1和n-2时刻控制量与 实际值的偏差，
P为比例因子，
I为积分因子，
D为微分因子，
Kii为积分作用强度因子。
8.如权利要求1至7任一项所述温度调节的方法，其特征在于， 在所述调整比例因子、积分因子和微分因子的步骤之前，还包括设定 比例因子、积分因子和微分因子的初值，所述设定比例因子、积分因 子和微分因子的初值的步骤包括：
根据公式
P＝0.4*量程/变化值
设定比例因子的初值，其中P为比例因子的初值；
根据公式
I＝10.0/P
设定积分因子的初值，其中I为积分因子的初值，P为比例因子的初 值；
根据公式
D＝2.0*P
设定微分因子的初值，其中D为微分因子的初值，P为比例因子的初 值。
9.如权利要求1至7任一项所述温度调节的方法，其特征在于， 所述第一偏差阈值ΔT1和第二偏差阈值ΔT2由量程确定。
10.一种温度调节的装置，其特征在于，包括：
测量当前温度值，并根据所述当前温度值获取偏差e，所述偏差 e为预先设定的温度设定值与所述当前温度值的差的单元；
当所述偏差e的绝对值|e|大于预先设定的第二偏差阈值Δ T2，且小于或等于预先设定的第一偏差阈值ΔT1时，调整比例因子、 积分因子和微分因子，增加控制中的比例作用和积分作用，减弱控制 中的微分作用的单元；
当所述偏差e的绝对值|e|大于或等于0，且小于或等于预先设 定的第二偏差阈值ΔT2时，调整比例因子、积分因子和微分因子， 减弱控制中的比例作用、积分作用和微分作用的单元；
根据预先设定的第三偏差阈值A和偏差e，调整积分作用强度因 子，对控制中的积分作用的强弱进行调节的单元；
根据调整后的比例因子、积分因子、微分因子和积分作用强度因 子，获取控制量的增量，并根据所述控制量的增量对温度进行调节的 单元。
技术领域
本发明涉及工业控制技术领域，特别是涉及一种温度调节的方法 和装置。
背景技术
Δu(n)＝Kp*[e(n)-e(n-1)]+Ki*e(n)+Kd*[e(n)-2*e(n-1)+e(n-2)](1)
或者Δu(n)＝Pval+Ival+Dval (2)
其中，Kp为比例系数，现场习惯用比例带100/Kp；
Ki为积分系数，Ki＝Kp*T/Ti (3)
Kd为微分系数，Kd＝Kp*Td/T (4)
Pval为比例作用，Pval＝Kp*[e(n)-e(n-1)] (5)
Ival为积分作用，Ival＝Ki*e(n) (6)
Dval为微分作用，Dval＝Kd*[e(n)-2*e(n-1)+e(n-2)] (7)
式中Δu(n)为n时刻的控制量的增量，e(n)、e(n-1)和e (n-2)分别是n、n-1和n-2时刻控制量与实际值的偏差，Ti、Td和 T分别是积分时间、微分时间和控制周期，其中偏差规定如下：
偏差＝设定值-测量值。
PID的主要参数Kp、Ti、Td和T通常可以利用Z-N (Ziegler-Nichols)法进行整定。
在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问 题：对于采用经典PID控制的温度控制过程，在干扰大、滞后时间长 和偏差大等情况下容易发生过冲和振荡现象，难以取得良好的控制效 果，并且比例、积分和微分作用相互影响，不容易调整。
发明内容
为达到上述目的，本发明实施例的技术方案提供一种温度调节的 方法，所述方法包括：测量当前温度值，并根据所述当前温度值获取 偏差e，所述偏差e为预先设定的温度设定值与所述当前温度值的差； 当所述偏差e的绝对值|e|大于预先设定的第二偏差阈值ΔT2，且 小于或等于预先设定的第一偏差阈值ΔT1时，调整比例因子、积分 因子和微分因子，增加控制中的比例作用和积分作用，减弱控制中的 微分作用；当所述偏差e的绝对值|e|大于或等于0，且小于或等于 预先设定的第二偏差阈值ΔT2时，调整比例因子、积分因子和微分 因子，减弱控制中的比例作用、积分作用和微分作用；根据预先设定 的第三偏差阈值A和偏差e，调整积分作用强度因子，对控制中的积 分作用的强弱进行调节；根据调整后的比例因子、积分因子、微分因 子和积分作用强度因子，获取控制量的增量，并根据所述控制量的增 量对温度进行调节。
其中，在所述当偏差e的绝对值|e|大于预先设定的第二偏差 阈值ΔT2，且小于或等于预先设定的第一偏差阈值ΔT1时，调整比 例因子、积分因子和微分因子，增加控制中的比例作用和积分作用， 减弱控制中的微分作用的步骤中，具体包括：当ΔT2＜|e|≤ΔT1 时，根据公式P’＝P*(1+(|e|-ΔT2)/(ΔT1-ΔT2)*c1) 调整比例因子，其中P’为调整后的比例因子，P为调整前的比例因 子，c1为系数；当ΔT2＜|e|≤ΔT1时，根据公式I’＝I*(1-(| e|-ΔT2)/(ΔT1-ΔT2)*c2)调整积分因子，其中I’为调整后 的积分因子，I为调整前的积分因子，c2为系数；当ΔT2＜|e|≤ ΔT1时，根据公式D’＝D*(1-(|e|-ΔT2)/(ΔT1-ΔT2) *c3)调整微分因子，其中D’为调整后的微分因子，D为调整前的 微分因子，c3为系数。
其中，所述系数c1、系数c2和系数c3的范围为0.05～0.50，由 偏差|e|在ΔT1～ΔT2之间的次数确定。
其中，在所述当偏差e的绝对值|e|大于或等于0，且小于或等 于预先设定的第二偏差阈值ΔT2时，调整比例因子、积分因子和微 分因子，减弱控制中的比例作用、积分作用和微分作用的步骤中，具 体包括：当0≤|e|≤Δ T2时，根据公式P’＝P*(1+(|e|-Δ T2)/ΔT2*0.20)调整比例因子，其中P’为调整后的比例因子，P 为调整前的比例因子；当0≤|e|≤ΔT2时，根据公式I’＝I*(1- (|e|-ΔT2)/ΔT2*0.10)调整积分因子，其中I’为调整后的积 分因子，I为调整前的积分因子；当0≤|e|≤ΔT2时，根据公式D’ ＝D*(1+(|e|-ΔT2)/ΔT2*0.20)调整微分因子，其中D’为 调整后的微分因子，D为调整前的微分因子。
其中，在所述根据预先设定的第三偏差阈值A和偏差e，调整积 分作用强度因子，对控制中的积分作用的强弱进行调节的步骤中，当 |e|≤A/2时，所述积分作用强度因子Kii为1。
其中，在所述根据预先设定的第三偏差阈值A和偏差e，调整积 分作用强度因子，对控制中的积分作用的强弱进行调节的步骤中，当 |e|＞A/2时，所述积分作用强度因子Kii由公式Kii＝1-0.8*(2 |e|-A)/A获取。
其中，在所述根据调整后的比例因子、积分因子、微分因子和积 分作用强度因子，获取控制量的增量，并根据控制量的增量对温度进 行调节的步骤中，所述控制量的增量由公式 Δu(n)＝P*[e(n)-e(n-1)]+1/I*e(n)*Kii+D*[e(n)-2*e(n-1)+e(n-2)] 获取，其中Δu(n)为n时刻的控制量的增量，e(n)、e(n-1)和e (n-2)分别是n、n-1和n-2时刻控制量与实际值的偏差，P为比例 因子，I为积分因子，D为微分因子，Kii为积分作用强度因子。
其中，在所述调整比例因子、积分因子和微分因子的步骤之前， 还包括设定比例因子、积分因子和微分因子的初值，所述设定比例因 子、积分因子和微分因子的初值的步骤包括：根据公式P＝0.4*量程/ 变化值设定比例因子的初值，其中P为比例因子的初值；根据公式 I＝10.0/P设定积分因子的初值，其中I为积分因子的初值，P为比例 因子的初值；根据公式D＝2.0*P设定微分因子的初值，其中D为微 分因子的初值，P为比例因子的初值。
其中，所述第一偏差阈值ΔT1和第二偏差阈值ΔT2由量程确定。
本发明实施例的技术方案还提供了一种温度调节的装置，包括： 测量当前温度值，并根据所述当前温度值获取偏差e，所述偏差e为 预先设定的温度设定值与所述当前温度值的差的单元；当所述偏差e 的绝对值|e|大于预先设定的第二偏差阈值ΔT2，且小于或等于预 先设定的第一偏差阈值ΔT1时，调整比例因子、积分因子和微分因 子，增加控制中的比例作用和积分作用，减弱控制中的微分作用的单 元；当所述偏差e的绝对值|e|大于或等于0，且小于或等于预先设 定的第二偏差阈值ΔT2时，调整比例因子、积分因子和微分因子， 减弱控制中的比例作用、积分作用和微分作用的单元；根据预先设定 的第三偏差阈值A和偏差e，调整积分作用强度因子，对控制中的积 分作用的强弱进行调节的单元；根据调整后的比例因子、积分因子、 微分因子和积分作用强度因子，获取控制量的增量，并根据所述控制 量的增量对温度进行调节的单元。
上述技术方案仅是本发明的一个优选技术方案，具有如下优点： 本发明实施例在温度调节时，通过在获取控制量的增量过程中根据第 一偏差阈值ΔT1、第二偏差阈值ΔT2和偏差e调整比例因子、积分 因子和微分因子，并根据第三偏差阈值A和偏差e获取积分作用强度 因子，从而可以有效地降低温度控制过程中发生的过冲和振荡现象。
附图说明
图1是本发明实施例的一种温度调节的方法的流程图。
具体实施方式
本发明实施例的一种温度调节的方法的流程如图1所示，本实施 例中假设设定值为r、测量值为y。参照图1，本实施例包括以下步骤：
步骤s101，设定比例因子、积分因子和微分因子的初值。
比例因子P与输出变化100％时测量值对应变化的大小成反比， 可以根据公式P＝0.4*量程/变化值设定比例因子P的初值。本实施例 中假设温度量程范围为0～400℃，设定值为300℃，如果测量值低于 设定值10％以上时，以100％功率加热(即全开)，在测量值达到设定 值时，以0％功率加热(即全关)，温度最后升到比设定值高变化值时 开始下降，本实施例中假设变化值为16℃，则P＝0.4*400/16＝10.0。
根据公式I＝10.0/P设定积分因子I的初值，其中P为比例因子的 初值。本实施例中假设P＝10.0，则I＝10.0/10.0＝1.0。
根据公式D＝2.0*P设定微分因子D的初值，其中P为比例因子 的初值。本实施例中假设P＝10.0，则D＝2.0*10.0＝20.0。
这样，比例因子P、积分因子I和微分因子D的作用完全独立， 并且与控制周期无关。如果P值越大，则比例作用越强；P值越小， 则比例作用越弱。如果I值越小，则积分作用越强；I值越大，则积 分作用越弱。如果D值越大，则微分作用越强；D值越小，则微分 作用越弱。
步骤s102，设定第一偏差阈值、第二偏差阈值和第三偏差阈值。 其中，第一偏差阈值ΔT1和第二偏差阈值ΔT2由量程确定。本实施 例中，假设ΔT1＝量程*1.0％(当量程范围为0～400℃时，ΔT1为 4℃)，ΔT2＝量程*0.25％(当量程范围为0～400℃时，ΔT1为1℃)， 第三偏差阈值A＝量程*0.3(当量程范围为0～400℃时，A为120℃)。
步骤s103，初始化n-1时刻和n-2时刻的偏差。即令n-1时刻的 偏差e(n-1)＝0，n-2时刻的偏差e(n-2)＝0。
步骤s104，测量当前(n时刻)温度值，并根据所述当前温度值 获取n时刻的偏差。即n时刻的偏差e(n)＝n时刻的设定值r(n) -n时刻的测量值(y)。
步骤s105，根据第一偏差阈值ΔT1、第二偏差阈值ΔT2和偏差 e，调整比例因子、积分因子和微分因子。
当ΔT1＜|e|≤A之间或|e|＞A时：
比例因子P、积分因子I和微分因子D采用步骤s101中设定的 初值，不用进行调整。
当ΔT2＜|e|≤ΔT1时，增加P、I作用，减弱D作用：
根据公式P’＝P*(1+(|e|-ΔT2)/(ΔT1-ΔT2)*c1)调 整比例因子，其中P’为调整后的比例因子，P为调整前的比例因子， 系数c1的范围为0.05～0.50，由偏差|e|在ΔT1～ΔT2之间的次数 确定，在一定时间内次数越少，周期越长，取较大值；
根据公式I’＝I*(1-(|e|-ΔT2)/(ΔT1-ΔT2)*c2)调 整积分因子，其中I’为调整后的积分因子，I为调整前的积分因子， 系数c2的范围为0.05～0.50，由偏差|e|在ΔT1～ΔT2之间的次数 确定，在一定时间内次数越少，周期越长，取较大值；
根据公式D’＝D*(1-(|e|-ΔT2)/(ΔT1-ΔT2)*c3) 调整微分因子，其中D’为调整后的微分因子，D为调整前的微分因 子，系数c3的范围为0.05～0.50，由偏差|e|在ΔT1～ΔT2之间的 次数确定，在一定时间内次数越少，周期越长，取较大值。
当0≤|e|≤ΔT2时，减弱P、I和D作用：
根据公式P’＝P*(1+(|e|-ΔT2)/ΔT2*0.20)调整比例因 子，其中P’为调整后的比例因子，P为调整前的比例因子；
根据公式I’＝I*(1-(|e|-ΔT2)/ΔT2*0.10)调整积分因 子，其中I’为调整后的积分因子，I为调整前的积分因子；
根据公式D’＝D*(1+(|e|-ΔT2)/ΔT2*0.20)调整微分 因子，其中D’为调整后的微分因子，D为调整前的微分因子。
这样，当偏差大或较大时，本实施例增强控制作用，以尽快消除 偏差；当偏差较小时，减少控制作用，以减少因测量误差引起的波动； 而当偏差|e|在0～ΔT1之间发生振荡时，根据振荡特性自动在 ±0.25范围内调整P、I、D参数。
步骤s106，根据第三偏差阈值A和偏差e，获取积分作用强度因 子。当|e|≤A/2时，积分作用强度因子Kii为1；当|e|＞A/2时， Kii由公式Kii＝1-0.8*(2|e|-A)/A获取。
即当温度偏差绝对值|e|从接近A到A/2方向，积分作用从 0.2～100％逐步增强；当偏差|e|＞A时，积分不完全起作用。
本实施例中假设温度量程范围为0～400℃，设定值为300℃，第 三偏差阈值A为120℃，则即当偏差|e|＞120℃时，积分不完全起 作用；当|e|为0～60℃时，Kii＝1.0；当|e|＝80℃时，Kii＝1- 0.8*(2*80-120)/120＝0.73。
因此，积分作用强度因子Kii具有模糊自适应能力，能够根据偏 差的大小自动调节积分作用的强弱。
步骤s107，根据调整后的比例因子、积分因子、微分因子和积分 作用强度因子，获取控制量的增量。
所述控制量的增量由公式
Δu(n)＝P*[e(n)-e(n-1)]+1/I*e(n)*Kii+D*[e(n)-2*e(n-1)+e(n-2)]获取，其 中Δu(n)为n时刻的控制量的增量，e(n)、e(n-1)和e(n-2) 分别是n、n-1和n-2时刻控制量与实际值的偏差，P为比例因子，I 为积分因子，D为微分因子，Kii为积分作用强度因子。
步骤s108，根据所述控制量的增量对温度进行调节。
步骤s109，判断是否完成本次采样，如果是，则转步骤s104， 进入下一个循环，重复步骤s104至步骤s108；否则重新进行是否完 成本次采样的判断。
本发明实施例的一种温度调节的装置，包括测量当前温度值，并 根据所述当前温度值获取偏差e，所述偏差e为预先设定的温度设定 值与所述当前温度值的差的单元；当所述偏差e的绝对值|e|大于 预先设定的第二偏差阈值ΔT2，且小于或等于预先设定的第一偏差阈 值ΔT1时，调整比例因子、积分因子和微分因子，增加控制中的比 例作用和积分作用，减弱控制中的微分作用的单元；当所述偏差e的 绝对值|e|大于或等于0，且小于或等于预先设定的第二偏差阈值 ΔT2时，调整比例因子、积分因子和微分因子，减弱控制中的比例 作用、积分作用和微分作用的单元；根据预先设定的第三偏差阈值A 和偏差e，调整积分作用强度因子，对控制中的积分作用的强弱进行 调节的单元；根据调整后的比例因子、积分因子、微分因子和积分作 用强度因子，获取控制量的增量，并根据所述控制量的增量对温度进 行调节的单元。
由以上实施例可以看出，本发明实施例在温度调节时，通过在获 取控制量的增量过程中根据第一偏差阈值ΔT1、第二偏差阈值ΔT2 和偏差e调整比例因子、积分因子和微分因子，并根据第三偏差阈值A 和偏差e获取积分作用强度因子，从而可以有效地降低温度控制过程 中发生的过冲和振荡现象。并且，比例因子P、积分因子I和微分因子 D相互独立，调整时不需要考虑相互影响；进一步，本发明实施例的 调节输出比较稳定，对控制系统的扰动较小，可以增加执行机构的使 用寿命；另外，本发明实施例的抗干扰能力较强，在发生干扰后，能 够较快恢复平衡，一般不会发生振荡现象。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以 做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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