胡開(kāi)明， 王懷平， 葛遠(yuǎn)香

(東華理工大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，江西 撫州 344000)

鍋爐是工業(yè)企業(yè)重要的動(dòng)力設(shè)備，其任務(wù)是供給合格穩(wěn)定的蒸汽或熱水，以滿足負(fù)荷的需要。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鍋爐的使用范圍越來(lái)越廣泛，而鍋爐的溫度控制是安全穩(wěn)定中重要的部分。鍋爐溫度控制系統(tǒng)除了具有容積滯后外還由于加熱物料進(jìn)出后溫度間的熱交換和傳輸需要一定的時(shí)間，因此具有較大的純滯后特性(王麗娟，2007)。由于滯后的存在，使得被控變量不能及時(shí)反映系統(tǒng)所承受的擾動(dòng)，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)效果也存在滯后，因而會(huì)產(chǎn)生較明顯的超調(diào)量和較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，常規(guī)控制效果很難達(dá)到理想的效果。為提高鍋爐溫度的控制質(zhì)量，本文以單片機(jī)為核心，采用Smith 預(yù)估控制算法，較好地解決了系統(tǒng)的大滯后特性，提高了系統(tǒng)的溫度控制精度，同時(shí)運(yùn)用組態(tài)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)試，具有較好的實(shí)時(shí)性和直觀性。

1 系統(tǒng)硬件組成

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文針對(duì)鍋爐內(nèi)膽出水溫度的時(shí)滯系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了以鍋爐內(nèi)膽中電加熱絲為對(duì)象的溫度控制系統(tǒng)。包括單片機(jī)系統(tǒng)、溫度采集及信號(hào)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換、顯示及驅(qū)動(dòng)電路、過(guò)零檢測(cè)電路、上位機(jī)通信電路，如圖1 所示。設(shè)計(jì)采用鉑電阻傳感器檢測(cè)爐溫，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大后送入A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理，處理后的信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行算法運(yùn)算，其中控制信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較，其偏差值經(jīng)Smith 預(yù)估運(yùn)算后的輸出信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)雙向晶閘管的脈沖觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)改變觸發(fā)脈沖的寬度，即改變雙向晶閘管控制周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)鍋爐內(nèi)膽的加熱絲的加熱功率，鍋爐的出水溫度就隨著電加熱絲的平均輸入功率改變而變化，以此來(lái)達(dá)到鍋爐內(nèi)膽溫度控制的目的。同時(shí)為能夠關(guān)斷晶閘管，設(shè)計(jì)電網(wǎng)的同步過(guò)零檢測(cè)電路，過(guò)零信號(hào)接到中斷輸入端上，在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行觸發(fā)控制和控制周期計(jì)數(shù)。采用LED 實(shí)時(shí)顯示溫度，利用串口通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)上位機(jī)的組態(tài)監(jiān)控，達(dá)到了系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)和直觀(胡開(kāi)明等，2010)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System construction diagram

2 控制算法設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

鍋爐溫度系統(tǒng)是個(gè)自衡系統(tǒng)，把晶閘管、電阻加熱絲、鉑電阻溫度傳感器合在一起視為廣義被控對(duì)象，可近似描述為一階慣性環(huán)節(jié)加滯后環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)表示為

其中，T1是系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)，τ 為其純延遲時(shí)間，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)程序，取τ = NT，T 為采樣周期，N 為正整數(shù)。由于晶閘管一旦觸發(fā)導(dǎo)通即可保持到電網(wǎng)電壓過(guò)零，就相當(dāng)于內(nèi)含零階保持器。

2.2 控制算法

2.2.1 Smith 預(yù)估控制

Smith 預(yù)估控制是Smith O. J. M. 于1957年提出的以模型為基礎(chǔ)的預(yù)估補(bǔ)償控制方法，用以改善控制系統(tǒng)的大滯后特性。其特點(diǎn)是提前預(yù)估出系統(tǒng)在擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)行預(yù)估補(bǔ)償，使滯后的被控量提前作用到控制器，使其提前動(dòng)作，從而減少超調(diào)量和提高響應(yīng)速度(楊白偉等，2006)。系統(tǒng)控制框圖如圖2 所示。

圖2 Smith 預(yù)估器控制框圖Fig.2 Smith predictor control block diagram

如果不采用Smith 預(yù)估控制，控制器輸出U(s)到系統(tǒng)輸出Y (s)之間的傳遞函數(shù)為:

控制器的輸出需要經(jīng)過(guò)時(shí)間τ 后才能返回到控制器。若采用Smith 預(yù)估控制，設(shè)系統(tǒng)模型可測(cè)且精確， 則系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

可見(jiàn)經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后，傳遞函數(shù)特征方程中已消除了時(shí)間滯后項(xiàng)。因此采用Smith 預(yù)估控制消除了時(shí)滯對(duì)系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響。當(dāng)然由于閉環(huán)傳遞函數(shù)分子上含純滯后環(huán)節(jié)e-τs，被控量的響應(yīng)比設(shè)定值要滯后τ 時(shí)間(洪鎮(zhèn)南等，2002)。

為增加Smith 預(yù)估器對(duì)系統(tǒng)受到的負(fù)荷干擾補(bǔ)償作用不足和減少對(duì)模型的依賴(lài)程度，在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)的系統(tǒng)控制框圖如圖3 所示。當(dāng)預(yù)估模型準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)過(guò)程特性，便可獲得與理想預(yù)估控制相同的效果，當(dāng)預(yù)估模型與過(guò)程特性存在差異或受到干擾時(shí)，通過(guò)超前環(huán)節(jié)，產(chǎn)生超前校正作用，使調(diào)節(jié)器提前動(dòng)作，從而可以減少超調(diào)量和加快調(diào)節(jié)過(guò)程，達(dá)到增益自適應(yīng)預(yù)估控制的目的(郭陽(yáng)寬等，2009)。

圖3 改進(jìn)型Smith 預(yù)估器結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Improved Smith predictor control block diagram

2.2.2 算法的實(shí)現(xiàn)

滯后補(bǔ)償?shù)臄?shù)字控制器由兩部分組成:一部分是數(shù)字PID 控制器即Gc(s)部分;一部分是Smith預(yù)估器。其輸出方框圖如圖4 所示。

圖4 Smith 預(yù)估器結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Smith Predictor Block Diagram

因?yàn)闇蟓h(huán)節(jié)使信號(hào)延遲，為此在控制器的內(nèi)存中專(zhuān)門(mén)設(shè)立N個(gè)單元以存放信號(hào)的m(k)的歷史數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)式中:τ 是系統(tǒng)純滯后時(shí)間;T 為采樣周期;每采樣一次，把m(k)記入初始單元，同時(shí)把原來(lái)存放的數(shù)據(jù)單元移到一位，當(dāng)從單元N 輸出的信號(hào)，就是滯后N個(gè)采樣周期的m(k-N)信號(hào)(于海生，2008)。

設(shè)Smith 預(yù)估純滯后補(bǔ)償?shù)妮敵鰕τ(k)，則

相應(yīng)的差分方程為:yτ(k)= ayτ(k - 1)+

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分由主程序、功能實(shí)現(xiàn)及運(yùn)算控制等模塊組成。

主程序完成變量初始化，調(diào)用溫度控制、實(shí)時(shí)顯示、上下限報(bào)警等子程序的任務(wù)。溫度控制模塊通過(guò)定時(shí)器中斷，產(chǎn)生5 s 的控制周期，完成鉑電阻的溫度采集，控制周期一到，調(diào)用鍋爐溫度的采集信號(hào)開(kāi)啟A/D 轉(zhuǎn)換，運(yùn)行Simith 預(yù)估控制算法得到控制量，經(jīng)輸出口輸出脈沖控制雙向可控硅，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱功率大小的控制(胡開(kāi)明等，2010)，用過(guò)零檢測(cè)的中斷程序來(lái)對(duì)可控硅的關(guān)斷。

功能實(shí)現(xiàn)模塊主要是采用子程序和中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)溫度調(diào)節(jié)功能。系統(tǒng)采用慣性濾波法，以消除噪聲干擾。

運(yùn)算控制模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的Smith 預(yù)估算法，是通過(guò)單片機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)鍋爐溫度精度的核心，Smith 流程圖如圖5 所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試

根據(jù)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室模擬鍋爐作為參照模型，其被控參數(shù)用單位階躍響應(yīng)曲線法求取，整理可得τ = 4 s，T = 1 s，T1= 4 s.PID 控制器采用PI 算法，用ZN 法和湊試法整定PID 參數(shù)，得到Kp= 0.1，Ki= 0.08。在MATLAB 實(shí)現(xiàn)算法的理論仿真調(diào)試和組態(tài)環(huán)境下實(shí)時(shí)調(diào)試。

4.1 仿真調(diào)試

分別采用常規(guī)PID 和Smith 預(yù)估控制仿真圖形如圖6 所示。從曲線中可以看出采用普通PID 控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，超調(diào)量約為35%，調(diào)節(jié)時(shí)間80 s，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制效果較差，不利于工程的實(shí)現(xiàn)。而采用Smith 預(yù)估算法系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，超調(diào)僅為4%，調(diào)節(jié)時(shí)間40 s，動(dòng)態(tài)特性得到了較大的改善。為克服普通Smith 預(yù)估控制器對(duì)模型的敏感和抗干擾能力差的特點(diǎn)，采用改進(jìn)型的Smith 預(yù)估控制，其中Td=2.6，分別加入0.1個(gè)階躍幅值的隨機(jī)干擾，仿真圖如圖7 所示，從圖中可以看出普通的Smith預(yù)估控制在擾動(dòng)作用下，波動(dòng)很大，甚至可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定，抗干擾能力差;而采用改進(jìn)型的Smith 預(yù)估控制波動(dòng)很小，魯棒性較好。

圖5 Smith 預(yù)估控制流程圖Fig.5 Smith predictor control fiow chart

4.2 組態(tài)調(diào)試

本次設(shè)計(jì)以MCGS 工業(yè)組態(tài)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控功能。通過(guò)運(yùn)行程序命令語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)改進(jìn)型Smith 預(yù)估算法，下載控制程序至單片機(jī)，通過(guò)創(chuàng)建組態(tài)窗口，設(shè)置參考值，調(diào)整控制參數(shù)，完成了上位機(jī)監(jiān)控功能(胡開(kāi)明等，2013)，生成了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的報(bào)表，繪制了溫度的實(shí)時(shí)與歷史曲線等。系統(tǒng)的組態(tài)運(yùn)行狀態(tài)曲線如圖8 所示。其中固定值直線為溫度給定值40 ℃，振蕩的曲線為溫度輸出響應(yīng)，右上角為某時(shí)刻的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)穩(wěn)定無(wú)靜差，超調(diào)為4%，與仿真曲線基本吻合，達(dá)到了設(shè) 計(jì)的效果。

圖6 A PID 控制響應(yīng)曲線Fig.6 A PID control response curve

圖7 A Smith 預(yù)估干擾響應(yīng)Fig.7 A Smith predictor disturbance response

圖8 系統(tǒng)組態(tài)調(diào)試圖Fig.8 System configuration diagram

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于含大滯后環(huán)節(jié)的鍋爐內(nèi)膽溫度控制系統(tǒng)，采用Smith 預(yù)估控制較普通PID 控制性能效果明顯提高。改進(jìn)型的Smith 較好地解決了該控制器對(duì)數(shù)學(xué)模型精度要求高和抗干擾能力差的特點(diǎn)。同時(shí)采用組態(tài)技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控調(diào)試運(yùn)行，具有較好的實(shí)時(shí)性和直觀性，該技術(shù)在現(xiàn)實(shí)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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