基于绝对位置式PD的滞后工业过程温度控制方法及系统与流程

本发明涉及工业自动化控制，尤其涉及一种基于绝对位置式pd的滞后工业过程温度控制方法及系统。

背景技术：

1、发酵行业（如赤霉素、抗生素、氨基酸生产）在微生物培养和产物合成过程中，温度是最关键的工艺参数之一。温度直接影响酶的活性和菌体代谢，要求控制曲线为一条直线，偏差不超过±0.5℃。同样，精细化工行业中的反应釜夹套加热/冷却过程也存在类似的高精度温控需求。同系统之间的报警管理可能存在集成困难的问题，导致信息孤岛和协同不畅。

2、现有主流dcs系统（如jx300、ecs700）采用标准pid功能块，其算法为增量式pid（比例-积分-微分），即：目前，工业现场的主流dcs系统（如jx300、ecs700）普遍采用标准pid功能块进行温度控制，其底层算法为增量式pid，即：mv(n)=mv(n-1)+δmv，其中，mv(n)为第n个控制周期（当前采样时刻）的控制输出量，mv(n-1)为第n-1个控制周期（上一采样时刻）的控制输出量，δmv为第n个控制周期的控制增量。然而，在实际大容积（罐体≥100m3）发酵罐或反应釜的应用中，现有增量式pid方案暴露出以下显著缺点：

3、1）滞后系统适应性差与积分副作用明显：大容积被控对象的温度变化存在严重的传热滞后。增量式pid中的积分项在温度偏差未消除前会持续累积，极易产生积分饱和，导致系统在温度达到设定值后依然保持较大输出，引发严重的过冲和长时间的振荡。多个现场测试表明，标准pid功能块控制下的温度曲线波动大，偏差往往超出±0.5℃的工艺红线，无法满足“一条直线”的稳定控制要求，用户难以接受。

4、2）缺乏前馈补偿机制：现有方案未考虑发酵热（或反应放热）与冷却/加热量之间的热平衡关系。当系统面临大热负荷扰动时，调节阀需从零位或当前基础开度开始逐步摸索调整，缺乏前馈预判，导致系统响应缓慢。

5、3）开关阀控制粗糙：对于使用开关阀（如种子罐电磁阀）进行温度控制的场景，标准pid直接输出或转换的开关频率和时间分配不合理，未考虑大滞后特性下的周期自适应，导致温度呈现明显的锯齿状波动。

6、4）系统集成与报警管理困难：此外，现有的dcs系统在温控与同系统之间的报警管理集成上存在困难，容易导致信息孤岛和协同不畅，影响整体生产监控效率。

7、针对上述增量式pid积分累积导致超调振荡、无前馈补偿导致响应慢、开关阀控制粗糙导致锯齿波动等技术问题，亟需一种新的控制算法及系统，以消除积分项副作用，并统一适配开关阀与调节阀的高精度控制需求。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术中存在的大滞后系统积分超调、执行机构适配性差以及补偿量无法动态匹配的问题，本发明提供了一种基于绝对位置式pd的滞后工业过程温度控制方法及系统。

2、本发明第一方面提供了一种基于绝对位置式pd的滞后工业过程温度控制方法，包括：

3、获取被控对象的温度设定值及由温度传感器采集的实时温度测量值；

4、根据所述温度设定值与实时温度测量值计算当前控制周期的偏差值；

5、读取上一控制周期的偏差值，并基于当前控制周期的偏差值和上一控制周期的偏差值，采用绝对位置式控制算法计算方式得到基础控制输出量；

6、根据执行机构类型选择对应的控制模式：

7、在第一控制模式下，根据所述基础控制量的极性，选择性驱动加热执行机构或冷却执行机构，并将所述基础控制量的绝对值转换为时间比例控制信号输出；

8、在第二控制模式下，将所述基础控制量与补偿量叠加，生成最终控制量输出；

9、将各控制模式下输出的控制信号经限幅后发送至相应执行机构，以调节加热介质或冷却介质的流量；

10、将实时温度测量值反馈至偏差计算步骤，形成温度闭环控制。

11、作为优选的，所述基础控制输出量由下式确定：

12、dmv_base=kp×err+td×(err-err0)；

13、其中，kp为比例系数，td为偏差变化校正系数，所述基础控制输出量dmv_base为当前控制周期直接对应的绝对输出值，err为当前控制周期的温度偏差值，err0为上一控制周期的温度偏差值。

14、作为优选的，所述根据执行机构类型选择对应的控制模式进一步包括：

15、判断被控对象所对应执行机构的类型，所述执行机构的类型包括开关阀和调节阀；

16、当所述执行机构为开关阀时，进入第一控制模式，所述第一控制模式为开关量输出模式；

17、当所述执行机构为调节阀时，进入第二控制模式，所述第二控制模式为模拟量输出模式。

18、作为优选的，所述根据所述基础控制量的极性，选择性驱动加热执行机构或冷却执行机构包括：

19、对所述基础控制量进行符号判别；

20、当所述基础控制量为正时，输出加热驱动信号并封锁冷却驱动信号；

21、当所述基础控制量为负时，输出冷却驱动信号并封锁加热驱动信号；

22、当所述基础控制量为零时，同时封锁所述加热驱动信号和所述冷却驱动信号。

23、作为优选的，所述将所述基础控制量的绝对值转换为时间比例控制信号输出进一步包括：

24、将所述基础控制量的绝对值映射为时间比例控制信号的占空比，所述占空比与所述基础控制量的绝对值正相关；

25、在预设的控制周期内，根据所述占空比生成开关量驱动信号，以控制加热执行机构或冷却执行机构在一个控制周期内的通断时间比例。

26、作为优选的，所述控制周期根据被控对象的实时温度变化率进行动态调整：

27、实时计算被控对象的温度变化率δpv/δt，δpv为在设定的时间间隔内实时温度测量值pv的变化差值，δt为用于计算温度变化率所选取的时间间隔；

28、当所述温度变化率的绝对值大于或等于预设的快速响应阈值时，将所述控制周期t设定为最小响应周期t_min；

29、当所述温度变化率的绝对值小于所述快速响应阈值时，将所述控制周期t设定为稳定控制周期t_stable，其中t_stable>t_min。

30、作为优选的，所述将所述基础控制量与补偿量叠加，生成最终控制量输出包括：

31、获取前馈补偿量，所述前馈补偿量为被控对象在当前工艺工况下的热平衡基准输出值；

32、将所述基础控制输出量与所述前馈补偿量进行代数叠加，计算公式为：dmv_final=dmv_base+mv_balance，其中，dmv_final为最终控制量输出，dmv_base为基础控制输出量，mv_balance为前馈补偿量。

33、作为优选的，所述前馈补偿量通过在线自适应学习算法进行动态更新：

34、当系统判定当前偏差值在预设的死区范围内持续波动达到设定时间时，判定系统进入稳定工况；

35、在稳定工况下，提取当前的输出基准值，并采用递推平均滤波算法对所述前馈补偿量进行平滑更新。

36、作为优选的，所述滞后工业过程为罐体容积大于或等于100m3的发酵罐温度控制过程、种子罐温度控制过程、反应釜夹套加热或冷却过程中的至少一种。

37、本发明第二方面还提供了一种基于绝对位置式pd的滞后工业过程温度控制系统，包括：

38、温度采集及设定值管理模块，用于获取被控对象的温度设定值及由温度传感器采集的实时温度测量值；

39、偏差计算模块，用于根据所述温度设定值与实时温度测量值计算当前控制周期的偏差值；

40、基础控制量计算模块，用于读取上一控制周期的偏差值，并基于当前控制周期的偏差值和上一控制周期的偏差值，采用绝对位置式控制算法计算方式得到基础控制输出量；

41、模式选择与控制输出模块，用于根据执行机构类型选择对应的控制模式：

42、在第一控制模式下，根据所述基础控制量的极性，选择性驱动加热执行机构或冷却执行机构，并将所述基础控制量的绝对值转换为时间比例控制信号输出；

43、在第二控制模式下，将所述基础控制量与补偿量叠加，生成最终控制量输出；

44、将各控制模式下输出的控制信号经限幅后发送至相应执行机构，以调节加热介质或冷却介质的流量；

45、闭环反馈模块，用于将实时温度测量值反馈至偏差计算步骤，形成温度闭环控制。

46、针对现有技术，本发明具有如下的有益效果：

47、本发明所提供的一种基于绝对位置式pd的滞后工业过程温度控制方法，本发明摒弃了传统pid中的积分项，采用绝对位置式pd算法（dmv_base=kp×err+td×(err-err0)），输出量直接对应当前周期所需的绝对控制力度，不存在历史累积效应，从根本上消除了大滞后系统中因积分饱和引起的温度超调和震荡现象，提升了控制稳定性；在统一计算出绝对位置式pd基础控制量后，根据执行机构硬件类型自动切换控制模式。开关阀采用极性判别加时间比例输出（第一模式），调节阀采用基础量加补偿量叠加输出（第二模式），实现了核心算法与底层执行机构解耦，降低了系统部署成本；针对开关阀模式，根据温度变化率动态调整控制周期，兼顾了过渡过程的快速性与稳定期的执行机构寿命保护；针对调节阀模式，引入在线自适应学习算法对前馈补偿量进行递推平均滤波更新，有效克服了发酵/反应过程中因热负荷漂移导致的稳态偏差。