阅读说明：本技术 电磁感应加热温度控制方法 (Electromagnetic induction heating temperature control method ) 是由 刘进志 林凯恩 张阳 李莺歌 于 2019-10-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种电磁感应加热温度控制方法,属于温度控制技术领域。本发明包括如下步骤：步骤一：热惯性估计：要提高精确控温的效果,被加热对象的热惯性估计不可或缺；若无热惯性估计加热系统将不能快速锁定合适平衡功率数值,在热惯性小的应用场合中加热初期将造成较大的温度震荡；步骤二：功率控制与调节：基于工艺曲线加热过程中温度是提前设定的,即每一个时刻的理想温度值都通过推算而获知；步骤三：工艺曲线的温控实现：工艺曲线的升温,降温过程相对独立,保温阶段都包含于升温与降温过程之中。本发明以精确实现按工艺曲线的设定进行加热；控温精确,控温方式灵活,其应用不局限于电磁感应加热方式,适用任何按工艺曲线进行加热的系统。(The invention relates to an electromagnetic induction heating temperature control method, and belongs to the technical field of temperature control. The invention comprises the following steps: the method comprises the following steps: thermal inertia estimation: in order to improve the effect of accurate temperature control, the thermal inertia estimation of a heated object is indispensable; if the heating system is estimated without thermal inertia, the heating system cannot quickly lock a proper balance power value, and large temperature oscillation is caused in the initial heating stage in an application occasion with small thermal inertia; step two: power control and regulation: the temperature is set in advance in the heating process based on the process curve, namely the ideal temperature value at each moment is obtained by calculation; step three: the temperature control of the process curve is realized: the temperature rising and temperature lowering processes of the process curve are relatively independent, and the heat preservation stage is included in the temperature rising and temperature lowering processes. The invention can accurately realize heating according to the setting of the process curve; the temperature control is accurate, the temperature control mode is flexible, the application is not limited to an electromagnetic induction heating mode, and the method is suitable for any system which carries out heating according to a process curve.)

电磁感应加热温度控制方法

技术领域

本发明涉及一种电磁感应加热温度控制方法，属于温度控制技术领域。

背景技术

工业中进行重要构件，特殊材料，特殊部件的焊接时都要求对工件进行预热；为降低或消除焊接接头的残余应力，防止产生裂纹，改善焊缝和热影响区金属的组织与性能，焊接后要进行相应的热处理。电磁感应加热作为新型加热方法具有环保，安全，效率高等特点并逐渐取代传统陶瓷片加热方式。电磁感应加热亦可用于晶体生长炉的温度控制。

以上应用场合中往往需要实现按一定速率实现温度的上升，保温，以及按一定速率实现温度的下降。对温度的精度要求较高。但是由于加热系统，尤其是对于大工件的加热，具有大滞后、大惯性的特点，被广泛应用的传统的PID控制算法难以获得令人满意的控制效果。而基于神经网络的控制算法复杂度高，对硬件平台资源要求高，实现难度高。

传统的PID算法存在加热和降温过程中加热温度和实际温度偏差大，加热达到目标温度后温度过冲大，控制不稳定等缺点。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种电磁感应加热温度控制方法，算法的控制精度高，复杂度低；基于STM32F427的控制平台上进行了实现与应用。

本发明所述的电磁感应加热温度控制方法，包括如下步骤：

步骤一：热惯性估计：要提高精确控温的效果，被加热对象的热惯性估计不可或缺；若无热惯性估计加热系统将不能快速锁定合适平衡功率数值，在热惯性小的应用场合中加热初期将造成较大的温度震荡；

被加热对象热惯性估计方法简单而且有效，不需要提前设定热惯性，工件尺寸参数；

IniEst＝T_1.5degree-T_initial-T_delay (1)

式中：IniEst为热惯性估计；

T_1.5degree为1.5度温差时的时间；

T_initial为过程开始时的时间；

T_delay为系统功率传输延迟时间；

升温时利用下式进行估算：

Pb(0)＝k_r*P_iniital*Slop*IniEst (2)

降温时利用下式进行平衡功率计算：

Pb(0)＝k_fP_iniital/(Slop*IniEst) (3)

式中：P_iniital为初始输出功率，升温时可设为70％额定输出功率，降温时可设为1％额定输出功率；

Slop为工艺曲线中设定的升温或降温速率；

IniEst为热惯性估计数值；

Pb(0)为初始时刻的平衡功率数值；

k_r，k_f为比例系数，为常数；

步骤二：功率控制与调节：基于工艺曲线加热过程中温度是提前设定的，即每一个时刻的理想温度值都通过推算而获知；

因此，电源的实时功率值设定为：

P(t)＝P_b(t)+K(d)*(T_realt(t)-T_ideal(t)) (4)

式中：T_realt(t)为t时刻的工件实时温度；

T_ideal(t)为t时刻工件理想温度；

K(d)为非线性比例系数，其中d＝(T_realt(t)-T_ideal(t))，K(d)与d呈非线性关系；

P(t)为t时刻的输出电源功率；

P_b(t)为t时刻的平衡功率；

通过持续调节P_b(t)以达到电源功率和工件实际所需功率之间的平衡，调节算法如下：

式中：P_b(t0)为上一个时刻的平衡功率数值；

K_p为比例缩小系数；

为所记录的最近N次温度偏差所推导出的功率偏差数值；

通过不断的校准P_b(t)使得电源输出功率与工件加热所需功率之间达到一个平衡从而达到精准控温，即：

T_realt(t)≈T_ideal(t)。

优选地，所述步骤一中，升温和降温控制程序支持在线的切换，其中：

升温开始后参数进行初始化，以初始化功率进行加热并记录开始时间，加热过程中电源在I和II两种时刻进行功率的调整，电源在分辨率所能及的范围内无限接近理想加热温度，当加热到达目标温度后进入保温阶段；

降温过程与升温过程相似，降温开始后参数进行初始化，以初始化功率进行降温并记录开始时间；降温过程中电源在I和II两种时刻进行功率的调整；当降温到达目标温度后进入保温阶段。

优选地，所述步骤一中，升温过程中，当升温到达1.5度时进行加热系统的惰性估计并推导出合适的初始化平衡功率，之后进入正常的加热状态。

优选地，所述步骤一中，降温过程中，当降温到达1.5度时进行降温系统的惰性估计并推导出合适的初始化平衡功率，之后进入正常的降温状态。

优选地，所述步骤二，公式(4)中，K(d)与d呈非线性关系，非线性度与被加热工件的热惯性相关联。

优选地，所述步骤二中，P_b(t)的校准发生在以下两种时刻：

时刻I：

当①T_realt(t)＞T_ideal(t)，②Slop_config＝Slop_realt，③(Slop_realt)′＞0三个条件同时满足时；

当①T_realt(t)＜T_ideal(t)，②Slop_config＝Slop_realt，③(Slop_realt)′＜0三个条件同时满足时；

式中：Slop_config为设定的升温或降温速率，保温时为0；

Slop_realt为实时的工件升温或降温速率；

(Slop_realt)′为实时温度曲线二阶导数；

时刻II：

以固定的时间间隔进行P_b(t)的调整。

优选地，所述步骤二中的后续步骤：

步骤三：工艺曲线的温控实现：工艺曲线的升温，降温过程相对独立，保温阶段都包含于升温与降温过程之中。

本发明的有益效果是：本发明所述的电磁感应加热温度控制方法，以精确实现按工艺曲线的设定进行加热；基于本算法实现的加热控制程序控温精确，控温方式灵活；本发明基于电磁感应加热进行实现与验证，其应用不局限于电磁感应加热方式，适用于任何按工艺曲线进行加热的系统。

附图说明

图1是本发明升温过程控制的示意图。

图2是本发明降温控制过程的示意图。

图3是本发明的温度曲线图。

图4是传统PID的温度控制曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

焊前预热，焊后热处理，晶体生长炉加热等工业应用中有以固定速率进行升温，降温，以及达到目标温度后进行保温的需求，即加热工艺温度曲线的需求。由于加热系统的热惯性，传统的PID控制算法实际应用效果并不理想；另一方面诸如神经网络等算法因过于复杂而对通用控制平台缺乏实用性。

本发明提出一种电磁感应加热温度控制方法，以精确实现按工艺曲线的设定进行加热。

本发明在升温过程控制过程采用如下步骤：

步骤一：热惯性估计：要提高精确控温的效果，被加热对象的热惯性估计不可或缺。若无热惯性估计加热系统将不能快速锁定合适平衡功率数值，在热惯性小的应用场合中加热初期将造成较大的温度震荡。

本发明中的被加热对象热惯性估计方法简单而且有效，不需要提前设定热惯性，工件尺寸等参数。

IniEst＝T_1.5degree-T_initial-T_delay (1)

式中：IniEst为热惯性估计；

T_1.5degree为1.5度温差时的时间；

T_initial为过程开始时的时间；

T_delay为系统功率传输延迟时间；

本发明以达到1.5度温差进行计时：升温时高于加热起始时1.5度，降温时低于降温起始时1.5度，所消耗的时间减去系统功率的传输延迟即为热惯性估计。系统功率传输延迟时间根据具体加热系统进行设定。例如本发明的实验中所用到的电源加热设备有约3秒的PWM波形软启动时间。

如前所述，热惯性估计的目的在于平衡功率的快速锁定。

如图1所示，升温时利用下式进行估算：

Pb(0)＝k_r*P_iniital*Slop*IniEst (2)

如图2所示，降温时利用下式进行平衡功率计算：

Pb(0)＝k_fP_iniital/(Slop*IniEst) (3)

式中：P_iniital为初始输出功率，升温时可设为70％额定输出功率，降温时可设为1％额定输出功率；

Slop为工艺曲线中设定的升温或降温速率；

IniEst为热惯性估计数值；

Pb(0)为初始时刻的平衡功率数值；

k_r，k_f为比例系数，为常数；

实验表明，基于1.5度温差可以较准确地进行热惯性估计从而找到合适的初始平衡功率。

步骤一：功率控制与调节：温度控制的本质是对加热系统电源功率的控制。

基于工艺曲线加热过程中温度是提前设定的，即每一个时刻的理想温度值都通过推算而获知；

因此，电源的实时功率值设定为：

P(t)＝P_b(t)+K(d)*(T_realt(t)-T_ideal(t)) (4)

式中：T_realt(t)为t时刻的工件实时温度；

T_ideal(t)为t时刻工件理想温度；

K(d)为非线性比例系数，其中d＝(T_realt(t)-T_ideal(t))，K(d)与d呈非线性关系；非线性度与被加热工件的热惯性相关联；

P(t)为t时刻的输出电源功率；

P_b(t)为t时刻的平衡功率；

通过持续调节P_b(t)以达到电源功率和工件实际所需功率之间的平衡，调节算法如下：

式中：P_b(t0)为上一个时刻的平衡功率数值；

K_p为比例缩小系数；

为所记录的最近N次温度偏差所推导出的功率偏差数值；

通过不断的校准P_b(t)使得电源输出功率与工件加热所需功率之间达到一个平衡从而达到精准控温，即：

T_realt(t)≈T_ideal(t)

P_b(t)的校准发生在以下两种时刻：

时刻I：

当①T_realt(t)＞T_ideal(t)，②Slop_config＝Slop_realt，③(Slop_realt)′＞0三个条件同时满足时；

当①T_realt(t)＜T_ideal(t)，②Slop_config＝Slop_realt，③(Slop_realt)′＜0三个条件同时满足时；

式中：Slop_config为设定的升温或降温速率，保温时为0；

Slop_realt为实时的工件升温或降温速率；

(Slop_realt)′为实时温度曲线二阶导数；

时刻II：

以固定的时间间隔进行P_b(t)的调整。

步骤三：工艺曲线的温控实现：工艺曲线的升温，降温过程相对独立，保温阶段都包含于升温与降温过程之中。所实现的升温和降温控制程序支持在线的切换。

如图1所示的升温过程：升温开始后参数进行初始化，以初始化功率进行加热并记录开始时间。当升温到达1.5度时进行加热系统的惰性估计并推导出合适的初始化平衡功率，之后进入正常的加热状态。加热过程中电源在I和II两种时刻进行功率的调整。基于本发明的算法，电源在分辨率所能及的范围内无限接近理想加热温度，可实现精确控温。当加热到达目标温度后进入保温阶段。保温阶段可以看作升温速率为0的升温过程，从而利用与升温相同的控制方法达到精确控温。

如图2所示的降温过程：降温过程与升温过程相似，降温开始后参数进行初始化，以初始化功率进行降温并记录开始时间。当降温到达1.5度时进行降温系统的惰性估计并推导出合适的初始化平衡功率，之后进入正常的降温状态。降温过程中电源在I和Ⅱ两种时刻进行功率的调整。当降温到达目标温度后进入保温阶段。保温阶段可以看作降温速率为0的降温过程，从而利用与降温相同的控制方法达到精确控温。

实施例2：

下面，以20KW中频感应加热电源为例进行说明。被加热工件为直径为20cm，厚度为1cm，则工艺曲线的设定如表所示：

表1工艺曲线表

工艺段号	控制模式	目标温度	升温速率	保温时间
					1	升温	400度	950度/小时
2	恒温	400度		6分钟
					3	降温	350度	50度/小时
4	恒温	350度		21分钟
					5	降温	300度	100度/小时
6	恒温	300度		21分钟
					7	降温	250度	50度/小时
8	恒温	250度		21分钟
					9	升温	300度	300度/小时
10	恒温	300度		12分钟
					11	恒温	300度		11分钟
12	降温	250度	50度/小时
					13	恒温	250度		1分钟
14	降温	200度	50度/小时
					15	恒温	200度		1分钟
16	升温	700度	900度/小时
					17	恒温	700度		22分钟

工艺曲线共有17段，温度采集每20秒进行一次，温度传感器使用K型热电偶，温度变送器温度范围为900度，电压范围为1-5V，AD采样使用12位AD转换器。硬件实现后的温度分辨率约为0.274度。实验所得的温度曲线如图3所示，其中横轴为采样的次数，纵轴为温度数值。

基于如图3所示的温度实验数据统计表明，本发明即便在使用12位得AD转换器的硬件平台上就能够实现温度平均误差在1度范围以内。基于各工艺段的温度数据进行的误差标准差如表2所示，全程温度平均误差都能够控制在1度以内，当温度变化速率大时，误差略偏大；当温度速率低时误差更低。

表2各工艺段温度误差标准差

工艺段号	温度标准差(度)
		1	0.6204
2	0.3199
		3	0.4517
4	0.2549
		5	0.2494
6	0.2060
		7	0.2603
8	0.2272
		9	0.3194
10	0.2354
		11	0.2373
12	0.1901
		13	0.1487
14	0.3120
		15	0.4203
16	0.6606
		17	0.6020

除此之外，本算法也在60KW，80KW电源加热中进行了实验与应用。实验表明，本算法不拘泥于电源的功率，只要电源的功率大小选择和加热工件匹配，使用12位的AD转换器便可实现基于高达900度K型热电偶温度采集的1度范围精确温度控温，算法轻便而灵活性高且能够消除传统PID控温波动大，不稳定等缺点，具有很高的工业应用价值。如果进一步升级硬件AD采样的精度，将会完全适用于诸如晶体生长等对温度要求比较高的应用中。

作为比较，图4给出用传统PID控制所得的温度控制曲线，亦为目前产品中程序的控温效果。图4中温度取样间隔设为5秒，升温速率设为100度/小时，加热对象与图3相同。对图4目测便可看出温度偏移较大，实验证明传统的PID控制并不适合。当PID参数设置过小时会出现偏移，而当PID参数设置过大时会出现震荡。由于热惯性的存在，参数调试困难，且对不同尺寸的工件适应性差，控温精度差。

本发明实现的加热控制方法的控温精确，控温方式灵活。本发明基于电磁感应加热进行实现与验证，其应用不局限于电磁感应加热方式，适用于任何按工艺曲线进行加热的系统。

本发明控制精度高，稳定性高，在使用12位的AD数据采集平台上就能实现温度控制最大误差在1度以内，平均温差低至0.1度；算法复杂度低，一般的8位或16位的嵌入式微处理器都可以胜任，不同被加热对象尺寸均可适应，具有较高的工业应用价值。

本发明可广泛运用于温度控制场合。

涉及到电路和电子元器件和模块均为现有技术，本领域技术人员完全可以实现，无需赘言，本发明保护的内容也不涉及对于软件和方法的改进。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。