[发明专利]电加热炉的多模型分数阶加权预测函数控制方法

说明书

本发明公开了一种电加热炉的多模型分数阶加权预测函数控制方法。本发明首先将电加热炉的工作温度区间划分为几个子区间，然后在其相应的子区间上建立其分数阶模型，再利用Oustaloup近似方法线将分数阶模型转换为高阶的整数模型，利用预测控制函数方法设计每个区间的控制器，最后根据模型与实际对象之间的误差建立每个模型的比例系数，从而得到多模型结构的控制器输入量。本发明通过建立了被控对象的局部状态空间模型，将之前的非线性模型转换为了线性局部模型，提高了系统的控制性能，同时促进了模型预测控制方法在分数阶系统中的运用。

技术领域

本发明属于自动化技术领域，涉及一种电加热炉的多模型分数阶加权预测函数控制方法。

背景技术

温度控制系统是工业控制中一种重要的工艺环节，由于温度控制的精度对生产产品的质量和品质有着重要的影响，提高控制的精度是我们日益追求的一个目标。电加热炉是工业温度控制中最常用的装置，然而电加热炉这一对象呈现出强非线性，大工况范围，大延迟等特性，而常规的控制方法都是针对线性系统，因此针对电加热炉这一非线性系统受到了关注。虽然近些年来，对非线性的研究已经取得了很多的成果，但是非线性系统建模的精度却很难以达到，阻碍了控制器的发展。电加热炉是通过电流流过电阻丝产生热量来控制炉内的温度。由于温度的变化呈现出非线性，但其局部范围可以近似为线性特性，因此可以通过对温度范围的划分，使得原来的非线性特点近似转换为线性特性。在近似的线性特性中通常采用整数阶模型对电加热炉进行控制，由于近似的局部特性的整数阶模型不能更加精确的体现其局部的特性，因此我们可以用分数阶模型调整其局部的精确性。

发明内容

本发明主要是针对工业控制中大范围工况范围难以建立有效的模型，提出了一种多分数阶模型加权预测控制方法，设计运用于电加热炉的温度控制。这种控制的优点在于利用了多工业对象建立了不同区间范围内的模型，把原来的单一模型按照不同的工况进行了划分，得到了不同工况下的分数阶模型，再利用Oustaloup近似方法线将分数阶模型转换为高阶的整数模型，最后利用预测函数控制的方法设计控制器。这种方法在实际的应用中与传统的单一模型相比，减少了建立非线性模型的难度，利用分数阶模型提高了模型的精确度。

本发明首先将电加热炉的工作温度区间划分为几个子区间，然后在其相应的子区间上建立其分数阶模型，再利用Oustaloup近似方法线将分数阶模型转换为高阶的整数模型，利用预测控制函数方法设计每个区间的控制器，最后根据模型与实际对象之间的误差建立每个模型的比例系数，从而得到多模型结构的控制器输入量。

本发明方法的步骤：

1建立被控对象的多模型。

1.1根据工作的温度区域范围把工作区域进行i等分，i是要进行等分的个数。

1.2在每个等分的区间中采集实际过程对象的实时阶跃响应数据，利用该数据建立被控对象的分数阶传递函数模型M_j，形式如下：

其中，M_j为第j个子模型，α_1，j为第j个系统的微分阶次,T_1,j,T_2，j为相应的系数，S为拉普拉斯变换算子,K_m,j为模型比例增益系数,τ_m,j为模型的滞后时间常数。

1.3微分算子S^α通过Oustaloup近似方法可以表述如下：