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具有温差或推导反馈的自动热控系统
1:制造技术学院制造管理系，位于Prescaron;ov，Koscaron;ice技术大学，Bayerova 1,080 01Prescaron;ov，斯洛伐克共和国
2：斯洛伐克农业大学工程学院，尼特拉，Tr。 A. Hlinku 2，949 76 Nitra，Slovak Republic
摘要：自动热控系统似乎是具有热惯性和时间延迟的非线性系统。控制器也是非线性的，因为它的信息和功率信号是有限的。可用于线性系统的方法与计算机模拟和数学建模的应用创建了获取关于研究系统的重要信息的可能性。本文提供了一个新的加热系统模型，并设计了具有温度推导反馈的热系统的结构。通过使用Turbo Pascal中的特殊软件对设计的系统进行了仿真。将该系统的时间响应与常规热系统的响应进行比较。 具有温度推导反馈的热系统提供更好的瞬变，更好的调节质量和更好的动力学性能。
关键词：热系统，加热系统，加热设备，温度自动控制，热系统模拟，加热系统模型。
1介绍
加热系统由加热系统（受控对象）组成，包含加热设备和控制单元（控制系统，控制器），它形成了热系统。如果控制单元自动工作，我们可以说一个自动控制的热系统。这些系统可以具有各种配置和结构。系统配置可以包括电气，液压，热空气和/或类似系统。加热设备及其功耗取决于加热系统的尺寸，内部温度和外部温度。能源通常是燃烧器（天然气，油，煤等）或电加热器（加热电阻器，电弧炉，珀耳帖电池等）。
2 材料与方法加热系统线性模型
加热系统是一定的空间（加热空间），我们需要保持一定的内部温度在一定的外部温度范围。加热设备向加热空间提供热能。加热空间通过隔热墙与其他环境分离。这种配置可以具有从大（大厅，房屋，房间等）到小型（加热容器，炉子，烘干机等）的各种尺寸。受控系统的线性数学模型由具有三个惯性块和具有时间延迟的块的传递函数创建。该对象的传递函数G（s）如下：
G(s)== ∙(1 T2s)∙(1 T3s)∙ (1)
该配置的线性数学模型是具有时间延迟的线性三阶系统。加热设备的传递函数是传递函数G（s）的一部分：
Ghp(s)= = ∙e （2）
各个部位：
Ghp（s） - 加热设备的传递功能;
U1（s） - 从控制器到加热器的标准控制信号;
U2（s） - 从加热器到加热设备的整个部分的热功率的标准值;
C2（s） - 加热介质的温度;
C7-加热器的增益;
K4-加热厂整体部分的增益;
T1-加热器和被加热介质之间的传热常数;
T2-加热介质中传热常数;
Td-时间延迟，加热介质溢流导致的传热结果;
s - 拉普拉斯变换算子。
加热空间的传递函数是传递函数G（s）的第二部分：
Ghs(s)= = （3）
各个部位：
Ghs-加热空间的传递函数;
X0-加热空间的温度无外界影响;
C2-加热体的加热体表面的温度;
K3-传递功能的加热空间的增益;
T3-加热空间的时间常数（加热体表面的温度与加热空间的温度之间）。
以下条件对于总增益K和公式1中的传递函数G（s）有效：
K=C7∙K4∙K3 (4)
G(s)=Ghp(s)∙Ghs(s) (5)
加热空间C3的温度也由具有时间常数T3和T4的外部温度U4获得。 最后时间常数取决于墙壁周围的温度绝缘性能
加热空间。 干扰传递函数（外部温度U4）Gd（s）如下：
Gd(s)= = (6)
以下条件对加热空间温度C3（s）的总值有效：
C3(s)=X6(s) X0(s) (7)
特定值变量的含义如下图所示，其互连如图1所示。
注意：文字和图中的索引与字母大小写不符。Turbo Pascal语言不允许写下标索引。 图索引符合Turbo Pascal语法。文本中的示例C3与图中的C3相同。
加热系统的非线性模型
真正的加热系统是非线性系统。它与图2所示的系统自动空间温度控制的所有部分一起呈现。我们认为加热器的线性增益C7（非线性N3）仅在有限的范围内有效。对于相同范围内的变量值U1，热功率的标准输出值为0到1。非线性N3输出饱和度的值是恒定的。输出U2达到饱和的输入U1的值取决于增益值C7。
第二反馈非线性N4是当加热介质的温度等于或高于允许值K1时被激活的保护电路。 我们可以说，加热系统的模型由加热设备的非线性模型和加热空间的线性模型组成。
加热系统如图2所示。 有两个输入（U1-从控制器到加热器的标准控制信号，最终需要输入; U4-外部温度，最终干扰输入）和两个输出（C3-受干扰影响的加热空间的温度; C4-温度导出值）。
3. 温度推导环路自动加热控制系统设计结果与讨论
图1是显示技术解决方案实施的一个例子。介质温度在封闭空间的管理系统与温差的回路是介质温度
管理系统9在容器8的封闭空间（即在受控系统中）的结构是一个级联的温度控制回路。主控制变量是由链路22发送的媒体温度数据，辅助控制变量是由链路18发送的媒体的温度差的数据。系统的级联控制器（单元1至6，块7,25和26 ）产生由温度数据（链路19，链路21，链路22）的处理引起的操作变量（链路15）和针对所选择的时间范围的介质温度差（链路18）。以下产生的操作变量提供介质温度和介质温度稳定值（输出）的最佳时间过程。对控制电路的这种反馈集成了由差分块26和延迟块25组成的扫描输出值的微分块（加热介质温度的差）。来自介质温度传感器6的输出温度值的数据被提供给该块，并且在通过延迟构件25（递送延迟成员）之后通过链路20提供相同的数据。在差分块26的输出处是当前和以前的介质温度（测量温差，连杆18）。该数据进入包含主差动模块1和3，温度控制器2的主要构件，温度差4的中心构件和致动器5的中央管理构件。其输出端连接到受调节系统的输入端，即加热元件6的组件，容纳有介质9的容器8.温度传感器7的主体是控制器的一部分。离开控制器的操作变量（链接15）提供了最佳的时间过程和稳定的（输出）介质温度值。因此，可以在最佳时间实现调节目标（期望介质温度由链路10传输），同时消耗最少的能源。
描述的加热系统是具有线性三阶部分，时间延迟和两个非线性块的受控系统。该系统的自动控制不是很简单具有相似类型受控系统的机电系统的经验使我们通过类似的方法来解决这个问题。这种情况允许我们通过使用温度反馈回路和使用温度反馈回路推导来解决这个问题。该参数描述了温度变化率，从而比只提供输出温度更快地向控制器提供状态信息。温度变化率反馈回路创造出可以更好更快地控制输出温度的可能性。
具有温度推导反馈的温度控制系统的框图如图1所示。控制器由空间温度PI控制器和空间温度推导的P控制器组成。这个控制器（N2）同样也是非线性的，因为控制器的实部的输出值在有限的范围内。温度PI控制器N1的比例部分也是非线性的。积分块具有堆积现象，其输出值也受到限制。参数如图2所示。具有以下含义：
U0-空间温度的期望值（输入，控制输入）;
U1-从控制器到加热器的标准控制信号; U2-从加热器到加热设备整体部分的热力的标准值;
U3-比例部分温度PI控制器的输出值;
U4-外部温度（输入，扰动输入）;
C2-加热介质的温度;
C3-受干扰影响的加热空间（输出）的温度;
C4-温度推导值;
C6-温度导数控制器的增益;
C7-加热器的增益;
C8-增益集成部分温度PI控制器;
C9-输出温度传感器的增益;
K0-增益比例部分温度PI控制器;
K3-传递功能的加热空间的增益;
K4-加热厂整体的增益;
K6-输入温度推导控制器，XX8与温度推导比例值之差;
K7-温度推导比例值;
K9-温度导数传感器的增益;
Td-时间延迟，加热介质溢流导致的传热结果;
T1-加热器和被加热介质之间的热传递时间常数;
T2- 加热介质中传热时间常数;
T3-加热空间的时间常数（加热体表面的温度与加热空间的温度之间）;
T4-时间常数取决于围绕加热空间的壁的温度绝缘性能;
X8-从温度PI控制器的集成部分输出;
XX8-加法X8（温度PI控制器的积分部分输出）和C3（加热空间的温度）;
X0-输出空间温度值（无干扰影响）;
XD0-温度推导值; XD8-误差，输入到空间温度PI控制器[4]，[5]。
当我们使用温度作为输出值时，加热系统的直线部分具有三阶传递函数分母。 其奈奎斯特图的过程开始于实轴的正面部分，其结束在三个象限的交叉之后为零。 这两个象限中的两个位于复杂平面的左侧。控制器的增益必须很低，因为Popov线必须位于奈奎斯特图曲线的左侧。这个波波夫线与虚轴有很大的距离[6]，[10]。
当我们也使用温度推导作为两个输出值中的一个时，加热系统的线性部分具有传递函数的二阶分母。其奈奎斯特图的过程开始于实轴的正面部分，其结束在两个象限交叉后为零。那些象限中只有一个在复杂的飞机的左侧。控制器的增益可能很高，因为奈奎斯特图曲线左侧的波波夫线具有与假想轴的小距离。控制器的高增益值提高了反馈系统的性能[8]，[9]。
如果我们使用Popov标准，则可以快速计算控制器的增益大小。我们只需要绘制加热系统线性部分的奈奎斯特曲线。 这个绘图不是那么简单，没有使用PCif时间延迟Td有一个无铅值。
4.仿真结果
图2中的热系统的PC模拟是通过在Turbo Pascal中使用专用SDS软件（动态系统的模拟器）进行的。该原始程序提供了模拟具有和不具有时间延迟的线性和非线性连续系统的可能性。模拟系统的参数如下：
U0 = 20°C - 所需空间温度值;
U4 = 0和-25℃，15小时后 - 外部温度;
C6 =温度推导控制器的1-增益;
C7 = 1加热器增益;
C8 =温度PI控制器的积分部分的1增益;
C9 = 0.1 - 输出温度传感器的增益;
K0 = 5比例部分温度PI控制器;
K1 = 80 - 加热介质的最大允许温度;
K3 = 0.78-转移功能的加热空间的增益;
K4 = 98 - 加热装置整体的增益;
K9 = 0.3 - 温度导数传感器的增益;
Td = 0.1小时延时，由冷却介质溢流导致的传热结果;
T1 = 0.2小时 - 加热器和冷却介质之间的传热时间常数;
T2 = 1小时 - 冷却介质中传热时间常数;
T3 = 2小时 - 加热空间的时间常数（加热体表面的温度与加热空间的温度之间）;
T4 = 10小时 - 时间常数取决于围绕加热空间的壁的温度绝缘性能。
模拟为两种情况，没有温度导数回路（K9 = 0）和温度导数回路（K9gt; 0）。空间温度U0的期望值从0到20℃逐步改变。外部温度U4的值为0，并且在-15℃-25℃之间通过逐步变化。
仿真结果通过以下输出参数证明：
U1-标准控制信号从控制器到加热器，控制器输出; U2-来自加热器的热功率的标准值，致动变量;
U4-外部温度（干扰输入）;
C2-加热介质的温度;
C3-内部温度，受干扰影响的加热空间（输出）的温度;
温度导数回路（K9 = 0）的系统的仿真结果如图3所示。我们可以看到,输出的过程阻尼了振荡和过冲。使用温度导数回路（K9 = 0.3）对系统进行仿真的结果如图4所示.我们可以看到，输出流程更流畅，阻尼振荡几乎没有超调,过冲次数最少.应用温度推导反馈后，质量控制和控制速度得到提高。
注意：需要通过以下常数将变量的值乘以垂直轴刻度值：内部温度-1（°C），加热介质的温度-5（℃），致动变量 - 0.1（1），控制器输出-2（V），外部温度-1（℃）。 本说明也适用于图3。
5 结论
本文介绍了热采暖系统的模型和模拟。具有自动控制温度的热系统表示具有热惯性和时间延迟的非线性系统。 控制器也是非线性的，因为它的信息和功率信号是有限的。应用可用于具有时间延迟的非线性系统的方法可以达到合适的解决方案。本文对加热系统模型进行了新的思考，并设计了热系统的方便结构。 热系统模型由加热系统和控制器的模型组成，温度反馈和温度推导反馈。温度推导反馈的实现提高了热系统的动态特性。该系统的计算机模拟和数学建模为我们提供了获取有关研究系统的重要信息的机会。该系统通过使用Turbo Pascal中的原始特殊软件进行了仿真。将该系统的时间响应与常规热系统的响应进行比较。具有温度推导反馈的热系统提供更多稳定性，瞬态更方便，调节质量更好，动力学性能更好。该系统具有适合水平的外热扰动不变性[5]，[6]，[7]。
采集温度推导信号是一个可以解决的问题。 在数字控制器的情况下，它是减去温度信号的两个以下样本的结果。 类似的控制器需要一个特殊的双温度传感器，其中温度信号的连续采样通过一个温度传感器的温度绝缘进行。
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