余松聲,任正云

(東華大學(xué) 自動(dòng)化系, 上海 201620)

基于預(yù)測(cè)PI的大干擾控制算法的研究與應(yīng)用

余松聲,任正云

(東華大學(xué) 自動(dòng)化系, 上海 201620)

不可測(cè)量的大干擾廣泛存在于過(guò)程工業(yè)中，采用常規(guī)控制策略難以對(duì)其進(jìn)行很好的抑制。針對(duì)這種現(xiàn)象，以預(yù)測(cè)PI算法為主體，設(shè)計(jì)一種新型的快速抗大干擾控制算法。這種算法的主體思想是：當(dāng)被控變量在期望的控制范圍之內(nèi)，預(yù)測(cè)PI控制算法可以對(duì)其進(jìn)行有效的控制，當(dāng)被控變量超過(guò)期望的范圍時(shí)，控制器輸出增大或者減小到可容許的極限值。仿真和實(shí)際工業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)表明：對(duì)于復(fù)烤生產(chǎn)線中烤房溫度這一具有大干擾的大慣性、大滯后過(guò)程，采用該算法可以有效提高調(diào)節(jié)速率、減少波動(dòng)等問(wèn)題，以保證控制品質(zhì)和精度達(dá)到規(guī)定的工藝技術(shù)指標(biāo)，滿足了工藝的生產(chǎn)要求，提升了產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)降低了返料的次數(shù)，節(jié)約了能耗。

時(shí)滯；大干擾；預(yù)測(cè)PI控制；烤房溫度；片煙含水率；片煙復(fù)烤機(jī)

0 引言

對(duì)于存在于工業(yè)生產(chǎn)中的干擾現(xiàn)象，現(xiàn)有的控制方案有前饋補(bǔ)償控制、重復(fù)控制以及頻率辨識(shí)等算法，這些控制策略要求干擾信號(hào)是已知或者可測(cè)量的，然而實(shí)際的干擾大多是未知且不可測(cè)的，從而導(dǎo)致了這些算法在工業(yè)中的控制效果并不理想。并且基于頻率辨識(shí)的抗干擾算法存在調(diào)節(jié)周期長(zhǎng)、響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)。而相比于這些方案，雖然Bang-Bang控制對(duì)抑制未知的大幅度擾動(dòng)作用效果顯著，但是它的控制函數(shù)總是取在允許控制的邊界上，或者取最大，或者取最小，僅僅在這兩個(gè)邊界值上進(jìn)行切換，導(dǎo)致控制輸出產(chǎn)生震蕩和波動(dòng)。對(duì)于這種不可測(cè)的大干擾，還沒(méi)有專門的一個(gè)處理方案，無(wú)法很好地解決這類問(wèn)題[1]。而該研究方向，目前國(guó)內(nèi)所開(kāi)展的研究也很少。因此，結(jié)合實(shí)際復(fù)烤廠工業(yè)應(yīng)用，在當(dāng)前沒(méi)有較好的抗大干擾控制方案的情況下，本文提出一種行之有效的控制算法。

1 基于預(yù)測(cè)PI的抗大干擾控制算法

對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)中存在的大干擾，采用單純的預(yù)測(cè)PI不能夠補(bǔ)償較大的擾動(dòng)，控制輸出仍然會(huì)有很大的震蕩。因此，本文提出一種基于預(yù)測(cè)PI的改進(jìn)的新型抗大干擾控制算法。改進(jìn)后的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于預(yù)測(cè)PI的抗大干擾控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 預(yù)測(cè)PI控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于該控制系統(tǒng)，當(dāng)控制輸出與設(shè)定點(diǎn)的誤差大于比較器1的閾值時(shí)，由比較器2的輸出作為被控對(duì)象的輸入。此時(shí)，如果系統(tǒng)控制輸出小于系統(tǒng)設(shè)定點(diǎn)時(shí)，比較器2的輸出為k1，控制器全開(kāi)，使得控制輸出快速接近設(shè)定點(diǎn)；反之，當(dāng)系統(tǒng)控制輸出大于系統(tǒng)設(shè)定點(diǎn)時(shí)，比較器2的輸出為k2，控制器全關(guān)，系統(tǒng)反向調(diào)節(jié)。在以上情況下，預(yù)測(cè)PI控制器仍然在進(jìn)行控制調(diào)整，只是沒(méi)有作用于對(duì)象上。當(dāng)系統(tǒng)控制輸出與設(shè)定點(diǎn)的誤差小于比較器1的閾值時(shí)，切換到主控制器預(yù)測(cè)PI來(lái)進(jìn)行控制。

2 控制算法仿真研究

2.1 算法1

圖3 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

仿真結(jié)果如圖4所示，經(jīng)過(guò)早期振蕩，系統(tǒng)能夠辨識(shí)出干擾的頻率大小，整個(gè)過(guò)程的輸出經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的振蕩最終能夠達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。但是該算法對(duì)干擾的可辨識(shí)度要求較高，如果干擾發(fā)生變化，或者振幅波形發(fā)生變化，那么該重復(fù)控制器的在線頻率辨識(shí)器就要重新進(jìn)行辨識(shí)。而實(shí)際的片煙復(fù)烤工業(yè)控制中干擾是不可測(cè)的，并且需要控制算法很快地響應(yīng)，該算法在實(shí)際應(yīng)用中還是存在一定的局限性[3]。

圖4 重復(fù)控制算法系統(tǒng)仿真圖

2.2 算法2

采用基于預(yù)測(cè)PI的抗大干擾控制策略，其中比較器1的閾值設(shè)定為0.1，即當(dāng)輸入輸出誤差在0.1以上時(shí)烤房蒸汽閥位全開(kāi)或者全關(guān)控制烤房?jī)?nèi)溫度；在烤房溫度誤差為0.1以下時(shí)，采用主控制器預(yù)測(cè)PI進(jìn)行控制。這里系統(tǒng)全開(kāi)的系數(shù)k1為3，全關(guān)的系數(shù)k2為-1。在該算法的控制下，系統(tǒng)中的大干擾對(duì)控制輸出的影響得到了很好的抑制，輸出在設(shè)定點(diǎn)上下0.1左右浮動(dòng)，如圖5所示。

圖5 新型抗大干擾控制算法仿真圖(正弦干擾)

當(dāng)干擾模型失配時(shí)(正弦干擾變?yōu)槿遣ǜ蓴_)，仿真圖如圖6所示，可以看出該算法對(duì)系統(tǒng)中的大干擾仍然有很好的抑制作用，控制誤差依舊在0.1左右浮動(dòng)。

圖6 新型抗大干擾控制算法仿真圖(三角波干擾)

對(duì)比兩種仿真控制效果，基于系統(tǒng)辨識(shí)的重復(fù)控制算法對(duì)大干擾的辨識(shí)度要求高，存在著局限性，并不能有效地解決大干擾對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)的影響。相反，基于預(yù)測(cè)PI的抗大干擾控制算法可以使系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間短，響應(yīng)速度快，即使在大干擾模型失配的情況下，對(duì)控制輸出的精度仍然保持在合理范圍內(nèi)，有效地解決了具有大慣性大滯后特點(diǎn)的被控對(duì)象在大干擾影響下輸出波動(dòng)大，響應(yīng)速度慢，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)等難點(diǎn)。

3 實(shí)際工業(yè)控制中的應(yīng)用

3.1 工業(yè)背景以及現(xiàn)狀

真空回潮是生產(chǎn)紙煙的頭道工序，使原料更適于煙葉復(fù)烤加工。該過(guò)程需要大量的蒸汽壓力，會(huì)對(duì)整個(gè)蒸汽管網(wǎng)的壓力有很大的影響。而片煙復(fù)烤過(guò)程的干燥區(qū)就是通過(guò)調(diào)節(jié)蒸汽閥門開(kāi)度控制干燥室內(nèi)部溫度。在某些沒(méi)有穩(wěn)壓器的煙草廠，當(dāng)煙草進(jìn)行真空回潮處理時(shí)，干燥區(qū)的蒸汽壓力急劇下降，反之當(dāng)處理完成時(shí)，干燥區(qū)的蒸汽壓力又會(huì)上升，造成了對(duì)干燥區(qū)溫度控制的大干擾，使得片煙復(fù)烤過(guò)程的干燥區(qū)溫度波動(dòng)大，難以穩(wěn)定在設(shè)定點(diǎn)。

當(dāng)前復(fù)烤過(guò)程中的主要問(wèn)題表現(xiàn)為：烤房的溫度控制系統(tǒng)為大滯后大慣性的對(duì)象，并存在蒸汽管網(wǎng)壓力波動(dòng)帶來(lái)的大干擾。如果采用單純的預(yù)測(cè)PI控制算法控制，干燥區(qū)的溫度仍然會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，干擾不能得到抑制，這種情況下會(huì)影響冷房對(duì)含水率的控制。在干擾較大時(shí)經(jīng)常造成因出口含水率不合格等問(wèn)題而返料，降低了效率，大大增加了生產(chǎn)周期。

3.2 控制方案與應(yīng)用

以干燥區(qū)溫度作為調(diào)節(jié)手段，構(gòu)成冷區(qū)水分與干燥區(qū)溫度串級(jí)控制。針對(duì)干燥區(qū)存在的由蒸汽管網(wǎng)壓力波動(dòng)造成的大干擾問(wèn)題，采用基于預(yù)測(cè)PI的抗大干擾控制算法，首先以熱蒸汽的流量控制各個(gè)干燥區(qū)的溫度，在此基礎(chǔ)上，以冷區(qū)水分為控制目標(biāo)，調(diào)整每個(gè)干燥區(qū)的溫度設(shè)定值。當(dāng)系統(tǒng)干燥區(qū)溫度出現(xiàn)偏差，并且偏差在閾值以內(nèi)時(shí)，預(yù)測(cè)PI控制器及時(shí)給出調(diào)節(jié)要求，當(dāng)偏差超過(guò)閾值時(shí)，說(shuō)明真空回潮處理影響了干燥區(qū)的蒸汽壓力，這時(shí)蒸汽閥門全開(kāi)或者全關(guān)，快速調(diào)節(jié)溫度接近設(shè)定點(diǎn)。

3.3 實(shí)際運(yùn)行效果

卷煙復(fù)烤廠將復(fù)烤生產(chǎn)線的蒸汽管網(wǎng)壓力波動(dòng)大、溫度不易控制、干擾不可測(cè)且影響大等問(wèn)題作為突破口，采用新型抗大干擾先進(jìn)控制算法實(shí)現(xiàn)復(fù)烤廠的復(fù)烤線溫度的自動(dòng)控制，取得了較好的控制應(yīng)用效果。

圖7為新型抗大干擾控制算法在復(fù)烤廠干燥區(qū)溫度控制中的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

干燥區(qū)根據(jù)濕度調(diào)節(jié)相應(yīng)的控制蒸汽閥位開(kāi)度來(lái)改變干燥室的溫度，從而使得含水量的控制符合工藝的精度，根據(jù)冷房水分較頻繁地改變干燥區(qū)的溫度設(shè)定值進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。從圖7可以看出，在時(shí)間1.4×104左右，此時(shí)的溫度設(shè)定點(diǎn)為70℃，由于正在進(jìn)行的真空回潮處理需要大量的蒸汽，造成蒸汽管網(wǎng)壓力下降，在相同閥位開(kāi)度下，蒸汽壓力不夠，溫度不能穩(wěn)定在設(shè)定的70℃，因此新型抗大干擾控制算法控制閥位全開(kāi)，預(yù)測(cè)PI同時(shí)不斷調(diào)解，只是沒(méi)有作用在被控對(duì)象上，當(dāng)溫度重新回到期望范圍以內(nèi)時(shí)，再重新切換到預(yù)測(cè)PI進(jìn)行控制，穩(wěn)定在同一設(shè)定點(diǎn)。在設(shè)定點(diǎn)下溫度控制響應(yīng)速度快，抑制大干擾能力強(qiáng)，溫度控制穩(wěn)定,波動(dòng)減少，有效地解決了大慣性大滯后對(duì)象造成的響應(yīng)速度慢、調(diào)整周期長(zhǎng)以及大干擾影響下波動(dòng)大的問(wèn)題；提高了現(xiàn)場(chǎng)工藝控制能力，實(shí)現(xiàn)出口水分閉環(huán)控制，確實(shí)有效地提高了烤機(jī)出口水分的穩(wěn)定性和均勻性，最終大幅度提高了微波測(cè)量和檢測(cè)室化驗(yàn)的成品水分的合格率。

圖7 新型抗大干擾控制算法實(shí)際應(yīng)用中控制輸出及閥位數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

采用常規(guī)的控制算法對(duì)片煙復(fù)烤機(jī)進(jìn)行控制, 在蒸汽管網(wǎng)壓力的大干擾的影響下，烤房溫度波動(dòng)大, 難以保證冷房含水率與出口含水率穩(wěn)定, 經(jīng)常導(dǎo)致片煙含水率不合格而返料[4]。而基于預(yù)測(cè)PI抗大干擾控制算法能有效克服傳統(tǒng)控制方案難以抑制大干擾的難題。實(shí)際復(fù)烤廠控制數(shù)據(jù)表明，該算法能使系統(tǒng)得到較強(qiáng)的抗干擾性能，并且對(duì)于大慣性大滯后系統(tǒng)有很好的響應(yīng)速度，各個(gè)干燥區(qū)的溫度控制精度均達(dá)到了工藝要求。該算法實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)全自動(dòng)操作, 不需要操作人員的人工干預(yù), 減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度, 降低了返料次數(shù), 同時(shí)還節(jié)約了能耗[4]。因此，該算法具有很好的設(shè)定跟蹤能力，在實(shí)際工業(yè)控制中具有很好的發(fā)展前景。

[1] 路康, 馮建勤, 閆文科.煙葉烘烤過(guò)程智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煙草科技, 2008(5):21-24.

[2] 陳良.周期性干擾的校正與補(bǔ)償[D].上海：東華大學(xué)，2011.

[3] 楊燕平.復(fù)合PID控制技術(shù)在熱風(fēng)溫度控制中的運(yùn)用[J] .煙草科技, 2007(6):21-23, 28.

[4] 任正云, 韓佰恒, 王小飛, 等. 預(yù)測(cè)PI和準(zhǔn)預(yù)測(cè)PI控制算法在片煙復(fù)烤機(jī)的應(yīng)用[J].煙草科技, 2009(11):23-26.

任正云(1969 -),男，博士, 副教授, 主要研究方向：先進(jìn)過(guò)程控制、模型預(yù)測(cè)控制等。

Research and application of resist big disturbance algorithm base on predictive PI control

Yu Songsheng,Ren Zhengyun

(Department of Automation, Donghua University, Shanghai 201620, China)

It is difficult to suppress the disturbance well by using conventional control strategy under large unmeasurable disturbance in the process industries. According to this phenomenon, this paper uses predictive PI algorithm as the main control algorithm and designs a new rapid resistance to large disturbance control algorithm. The main idea of this algorithm is that when the controlled variable in the expected control range, predictive PI algorithm can effectively control, and when the controlled variable exceeds the expected range, the controller output increases or decreases to the allowable limit. Simulation and practical industrial application data indicate that the drying in the strips redryer is a process of large thermal inertia and large time delay, and the control system’s performance and accuracy can be improved by using this algorithm, ensuring the control of drying section temperature in redried strips stably to meet the technical indexes standards without operator's interference and energy consumption decreased, and also to save energy consumption.

delay; large disturbance; predictive PI control; drying section temperature; moisture content; strips redryer

TP29

A

1674-7720(2016)04-0104-03

余松聲，任正云．基于預(yù)測(cè)PI的大干擾控制算法的研究與應(yīng)用[J] .微型機(jī)與應(yīng)用，2016，35(4)：104-106.

2015-09-20)

余松聲(1991-),通信作者，男,碩士,主要研究方向：先進(jìn)過(guò)程控制算法研究。E-mail:answeryss@126.com。