周宣征， 張公永

(濱州學(xué)院 電氣工程系，山東 濱州 256600)

基于LADRC的A3000過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)探究

周宣征， 張公永

(濱州學(xué)院 電氣工程系，山東 濱州 256600)

利用LADRC對(duì)A3000過(guò)程控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)計(jì)算出被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)自抗擾控制系統(tǒng)，進(jìn)而按照A3000控制系統(tǒng)實(shí)際參數(shù)搭建仿真模型，求取控制參數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)改造的可行性，該次實(shí)驗(yàn)設(shè)備的改造適應(yīng)了工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展對(duì)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新要求，促進(jìn)了過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)放性、創(chuàng)新性，教學(xué)模式的改革，有利于我校創(chuàng)新型與應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，節(jié)約了高校實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新成本，為我校實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新提出新思路。

線性自抗擾控制； 過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)； 改造研究

0 引 言

工業(yè)過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表實(shí)驗(yàn)是電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)核心課程，在培養(yǎng)應(yīng)用型人才方面起著非常重要作用[1-2]。作為專業(yè)核心實(shí)驗(yàn)課程，需要有部分開(kāi)放性、研究性實(shí)驗(yàn)，另外隨著工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展，作為控制核心課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備亟需更新創(chuàng)新[3-5]?；谝陨侠砟?，本文通過(guò)自抗擾控制技術(shù)對(duì)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)的A3000控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)放性、創(chuàng)新性，教學(xué)模式的改革提供了有利條件，節(jié)約了我校實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新成本。

ADRC(自抗擾控制)技術(shù)是適應(yīng)數(shù)字控制時(shí)代潮流、吸收現(xiàn)代控制理論成果、發(fā)揚(yáng)并豐富PID思想精髓(“基于誤差消除誤差”)、開(kāi)發(fā)運(yùn)用特殊非線性效應(yīng)來(lái)發(fā)展的新型實(shí)用技術(shù)。自抗擾控制技術(shù)的核心是把系統(tǒng)的未建模動(dòng)態(tài)和未知外擾作用都當(dāng)作對(duì)系統(tǒng)的“總擾動(dòng)”，并對(duì)它們進(jìn)行估計(jì)并給予補(bǔ)償。其優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)系統(tǒng)內(nèi)、外擾的魯棒性好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快且無(wú)超調(diào)，具有較高的使用推廣價(jià)值。美國(guó)克利夫蘭州大學(xué)的高志強(qiáng)教授對(duì)ADRC進(jìn)行多年研究，指出了正常運(yùn)行時(shí)，ADRC基本運(yùn)行在線性區(qū)，提出了線性自抗擾控制技術(shù)LADRC(Linear Auto Disturbance Rejection Control technique),簡(jiǎn)化了參數(shù)整定，應(yīng)用性較強(qiáng)[6-11]。

A3000控制系統(tǒng)包括A3000現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)，控制柜，上位機(jī)組成，其中現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)包括3個(gè)水箱，1個(gè)鍋爐，1個(gè)強(qiáng)制換熱器，2個(gè)水泵，2個(gè)流量計(jì)，1個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。其他還包括加熱管，大水箱，如圖1所示。 A3000控制系統(tǒng)(A3000-CS)包括了傳感器執(zhí)行器I/O連接板、3個(gè)可換的子控制系統(tǒng)板，第三方控制系統(tǒng)接口板，上位機(jī)主要裝有組態(tài)王。

圖1 A3000現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的改造方法與步驟

(1) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法獲取被控對(duì)象的傳遞函數(shù)。

(2) 自抗擾控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

(3) 根據(jù)自抗擾原理及自抗擾控制器的數(shù)學(xué)模型，搭建simulink仿真模型。

(4) 通過(guò)仿真驗(yàn)證，獲取控制器的控制參數(shù)。

(5) ADAM-5510EKW/TP控制器調(diào)試。

2 被控過(guò)程傳遞函數(shù)求取

通過(guò)對(duì)下水箱做階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，記錄階躍響應(yīng)曲線，根據(jù)數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)，處理階躍響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)，得出模型參數(shù)[12-13]。

設(shè)定調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度為u，水箱的液位高度為h，根據(jù)動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，并進(jìn)行拉式變換后，可以得到被控過(guò)程的傳遞函數(shù)為

(1)

通過(guò)上位機(jī)組態(tài)王軟件設(shè)置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度35%，固定水箱擋板的位置不變，上電后待水箱里面的水位穩(wěn)定后記錄相應(yīng)的液位高度與穩(wěn)定時(shí)間，響應(yīng)曲線如圖2所示。其中PV代表液位高度h。

圖2 響應(yīng)曲線圖

由h(s)反拉式變換知，h(T)=0.632h(∞),由圖得T=1 s，故

3 自抗擾控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述所求傳遞函數(shù)及存在擾動(dòng)情況下，被控對(duì)象的微分方程為：

(3)

(4)

構(gòu)造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由被控對(duì)象，擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(ESO),KP環(huán)節(jié)及b環(huán)節(jié)構(gòu)成。

圖3 LADRC系統(tǒng)圖

上式中，令式(3)、(4)x1=y,x2=f，由式(3)得：

對(duì)象的輸入輸入輸出關(guān)系方程：

(5)

觀測(cè)器的方程為：

(6)

觀測(cè)器利用對(duì)象輸入輸出的數(shù)據(jù)估計(jì)出對(duì)象的狀態(tài)方程為：

(7)

(8)

(9)

系數(shù)矩陣為：

參數(shù)l1、l2通過(guò)系數(shù)矩陣A的特征根求得：

4 仿真分析

根據(jù)上述原理，建立自抗擾控制系統(tǒng)的仿真模型，如圖4仿真模型所示，擾動(dòng)信號(hào)模擬水泵1的流量，設(shè)置wo=40,wc=150，其他參數(shù)依據(jù)A3000控制系統(tǒng)的實(shí)際參數(shù)設(shè)置。仿真結(jié)果圖5中y為系統(tǒng)輸出，yhat為擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)輸出的估計(jì)量，target為系統(tǒng)理想輸出值，圖6中為擾動(dòng)信號(hào)及擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)擾動(dòng)信號(hào)的估計(jì)量。從仿真結(jié)果可以得到如下結(jié)論。

(1) 圖5仿真結(jié)果可以看到系統(tǒng)的輸出值存在較高的動(dòng)態(tài)性能和準(zhǔn)確性，只是在擾動(dòng)出現(xiàn)的瞬間存在超調(diào)，大約持續(xù)0.2s時(shí)間，系統(tǒng)輸出趨于穩(wěn)定，也說(shuō)明LADRC技術(shù)可以很好對(duì)擾動(dòng)給與補(bǔ)償，消除擾動(dòng)。

(2) 從圖5中yhat及y的曲線與圖6擾動(dòng)及擾動(dòng)估計(jì)曲線可看出，擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器能夠較好對(duì)系統(tǒng)輸出與擾動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，為控制器對(duì)擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償提供有利條件。

圖4 仿真模型

圖5 系統(tǒng)仿真結(jié)果1

圖6 仿真結(jié)果2(f及f估計(jì))

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)ADAM-5510EKW/TP控制器編程并與組態(tài)王連接，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，其中SP為設(shè)定值，

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

PV為液位值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有良好的動(dòng)態(tài)性能，體現(xiàn)出對(duì)設(shè)備改造的可行性與有效性。

6 結(jié) 語(yǔ)

利用LADRC技術(shù)對(duì)A3000過(guò)程控制系統(tǒng)進(jìn)行改造研究，通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)分析具有良好的實(shí)驗(yàn)效果。該實(shí)驗(yàn)設(shè)備的改革適應(yīng)了高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)工業(yè)控制技術(shù)對(duì)新技術(shù)發(fā)展的要求，促進(jìn)了過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)放性、創(chuàng)新性，教學(xué)模式的改革，有利于我校創(chuàng)新型與應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，節(jié)約了高校實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新成本，為我校實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新提出新思路。

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The Research on A3000 Process Control Experimental System Based on LADRC

ZHOU Xuanzheng, ZHANG Gongyong

(Department of Electrical Engineering, Binzhou University， Binzhou 256600, Shandong, China)

The LADRC is used to modify the A3000 process control system. Mathematical model of the object is calculated by experiments. An ADRC system is designed, simulation model is built according to the actual A3000 control system parameters, and these control parameters are calculated. Experimental results show the feasibility of the modification experiment system. The experimental equipment reformation is to fit the new requirements of experimental teaching in university and the development of industrial control technology, and promotes the openness and innovativeness process control experiment reform of teaching mode. It is beneficial to cultivate creative and applied talents in our school, saves the cost of updating the experimental equipment at university, and puts forward new ideas for updating experimental equipment.

linear auto disturbance rejection control technique(LADRC); process control experimental system; modification research

2016-11-28

國(guó)家安監(jiān)局2015年重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)科研項(xiàng)目(shandong-0056-2015AQ);濱州學(xué)院青年教師創(chuàng)新項(xiàng)目(BZXYQNLG2011)

周宣征(1982-),男，山東濱州人，碩士，講師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮雍碗娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化。

Tel.：15169979606；E-mail：tjlgaoyun@163.com

TP 301

A

1006-7167(2017)08-0052-03