馮愛祥 李明駿 羅雄麟

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)信息工程學(xué)院)

變工況條件下Bang-Bang與常規(guī)控制集成的選擇性控制工程設(shè)計(jì)與運(yùn)行

馮愛祥 李明駿 羅雄麟

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)信息工程學(xué)院)

對(duì)常規(guī)控制加以改進(jìn)，以變工況控制作為補(bǔ)充控制策略來(lái)處理大范圍設(shè)定值的變化。重點(diǎn)介紹該集成控制方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。使用選擇控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)切換控制效果；對(duì)PI控制的輸出進(jìn)行隨動(dòng)限幅；針對(duì)實(shí)際操作中可能遇到的非穩(wěn)態(tài)起點(diǎn)控制設(shè)計(jì)相應(yīng)的處理措施；采用Visual Basic構(gòu)建控制系統(tǒng)主程序，通過(guò)調(diào)用Matlab/Simulink完成相關(guān)計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：以變工況控制作為補(bǔ)充的集成控制方案能夠較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)非線性對(duì)象大工況變化的調(diào)節(jié)。

變工況 Bang-Bang控制 選擇控制

符號(hào)說(shuō)明

A——控制響應(yīng)速度；

B——石棉瓦升溫的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度；

C——溫度模型的穩(wěn)態(tài)值參數(shù)；

Cp——鋼段的比熱值；

e1——被控變量與設(shè)定值之差；

e2——被控變量與Bang-Bang控制切換值之差；

T——當(dāng)前加熱爐的實(shí)際測(cè)量溫度；

Tatm——初始環(huán)境溫度；

U——控制輸入電壓值；

umax——Bang-Bang控制最大輸出值；

umin——Bang-Bang控制最小輸出值；

u1——Bang-Bang控制輸出值；

u2——PI控制輸出值；

u3——被控對(duì)象輸入值；

usp——設(shè)定值對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)輸入值；

V——鋼段體積；

Ysp——被控變量設(shè)定值；

Ysw——Bang-Bang控制切換值；

Yth——選擇控制閾值；

δ——PI控制器輸出區(qū)間參數(shù)；

ρ——鋼段的密度；

ω——石棉瓦的總能量。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)際工業(yè)對(duì)象越來(lái)越復(fù)雜，控制難度有所增加；同時(shí)，對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的追求促使企業(yè)不斷改進(jìn)生產(chǎn)流程，對(duì)過(guò)程控制效果的要求也越來(lái)越高。常規(guī)PID控制在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，但在處理大范圍的工況變化時(shí)極易出現(xiàn)超調(diào)量過(guò)大或調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，如果不加以改進(jìn)，不僅影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，還會(huì)對(duì)安全生產(chǎn)造成隱患。

各類控制方法雖然取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但受制于對(duì)象模型的準(zhǔn)確度、測(cè)量精度及干擾因素等的影響，理論的控制效果與實(shí)際效果必然會(huì)存在差距。而且，在實(shí)際控制系統(tǒng)中，控制方案的實(shí)現(xiàn)不能過(guò)于復(fù)雜，如果因?yàn)榭刂品桨覆渴饛?fù)雜而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響則得不償失。另一方面，常規(guī)PID控制的工業(yè)應(yīng)用已經(jīng)非常成熟。對(duì)此，筆者提出了變工況集成控制方案[1]，繼續(xù)使用常規(guī)PID控制處理小范圍設(shè)定值的變化，采用集成了Bang-Bang與PID的變工況控制來(lái)處理大工況變化。文獻(xiàn)[1]主要解決了Bang-Bang控制切換點(diǎn)和WRC控制啟動(dòng)閾值的求取，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了控制方案的可行性。在此基礎(chǔ)上的主要工作是采用選擇性控制結(jié)構(gòu)，來(lái)完成變工況集成控制方案的工程實(shí)現(xiàn)。

通常來(lái)說(shuō)，凡是在控制回路中引入選擇器的系統(tǒng)都稱為選擇控制系統(tǒng)。選擇器實(shí)現(xiàn)的是邏輯運(yùn)算，把邏輯運(yùn)算引入控制算法，豐富了自動(dòng)化的內(nèi)容和范圍，使生產(chǎn)中更多的實(shí)際控制問(wèn)題得以很好地解決[2]。選擇性控制早在單元組合儀表時(shí)代就已經(jīng)產(chǎn)生，如今已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制過(guò)程，如直線雙倒立擺[3]、閥位選擇控制系統(tǒng)[4]、電站循環(huán)流化床鍋爐的燃燒控制[5]、有源電力濾波器[6]及軸流壓縮機(jī)的防喘振控制[7]等。

文章主要內(nèi)容為變工況集成控制方案[1]的工程實(shí)現(xiàn)，使用選擇性控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)切換控制效果。討論控制方案在實(shí)際控制過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題，并提出相應(yīng)的措施。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該控制方案的可行性，并將它應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)室加熱爐的控制中。

1 集成控制方案實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)與分析

1.1 集成控制方案的結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[1]將Bang-Bang控制與常規(guī)PI控制集成，即變工況控制(Wide Running Control，WRC)。常規(guī)PI控制處理小范圍工況變化，變工況控制作為補(bǔ)充控制策略應(yīng)對(duì)大范圍的工況調(diào)節(jié)。如圖1所示，在實(shí)施變工況控制的過(guò)程中，除了Bang-Bang控制自身的切換點(diǎn)①外，還存在另一個(gè)切換點(diǎn)②(即Bang-Bang控制與PI控制的切換點(diǎn))，二者選取不當(dāng)都會(huì)劣化整體的控制效果。文獻(xiàn)[1]以加熱爐升溫過(guò)程為例，給出了切換點(diǎn)①的計(jì)算方法，但沒有詳細(xì)討論切換點(diǎn)②，原因是基于對(duì)象模型的理論計(jì)算幾乎不存在誤差，當(dāng)升溫慣性完全消失時(shí)(即溫度達(dá)到最高點(diǎn))恰好是溫度設(shè)定值，二者幾乎不存在差值，PI控制發(fā)揮的作用極小。但在實(shí)際控制過(guò)程中，要達(dá)到以上效果幾乎不可能，PI控制起到消除穩(wěn)態(tài)誤差的作用。

圖1 變工況控制的理論與實(shí)際控制效果對(duì)比

筆者提出使用選擇性控制實(shí)現(xiàn)切換控制效果。如圖1所示，由文獻(xiàn)[1]方法求得WRC控制啟動(dòng)閾值Yth，以此閾值為界將整個(gè)控制過(guò)程分為兩部分：當(dāng)被控變量當(dāng)前值Y與設(shè)定值Ysp的差值e1大于閾值Yth時(shí)，Bang-Bang控制作用；當(dāng)e1小于Yth時(shí)，PI控制介入，因此也稱Yth為選擇控制閾值。為了實(shí)現(xiàn)分區(qū)域控制，設(shè)計(jì)一個(gè)帶有低值選擇器的數(shù)字邏輯電路。在控制過(guò)程初期，選擇控制器的輸出等同于Bang-Bang控制，此時(shí)PI控制雖無(wú)作用效果，但由于控制回路始終存在，PI控制仍可以快速調(diào)節(jié)輸出值的偏差。PI控制輸出值的調(diào)節(jié)貫穿于整個(gè)控制過(guò)程，這樣PI控制切入作用后不會(huì)對(duì)它自身產(chǎn)生沖擊，并且切入作用后其輸出值的偏差已較小，能大幅縮短后續(xù)調(diào)節(jié)所需時(shí)間。需要注意的是，PI控制算法必須防止抗積分現(xiàn)象，筆者采用增量型PI算法，控制方案結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，采用低選器、邏輯電路與模塊化的實(shí)現(xiàn)方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于組態(tài)的特點(diǎn)。

圖2 變工況控制的工程實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 控制器輸出曲線

1.2 非穩(wěn)態(tài)起點(diǎn)的控制過(guò)程分析

對(duì)實(shí)際工業(yè)對(duì)象的控制往往是將它由一個(gè)穩(wěn)態(tài)調(diào)整到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)，但是由于調(diào)節(jié)過(guò)程會(huì)持續(xù)一定的時(shí)間，可能會(huì)遇到在調(diào)節(jié)過(guò)程中臨時(shí)改變目標(biāo)值的情況，即由一個(gè)非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)為起點(diǎn)調(diào)節(jié)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。以文獻(xiàn)[1]中的加熱爐模型為例，升溫過(guò)程分為全副升溫和緩沖升溫兩個(gè)階段。令舊設(shè)定值為Tsp，新設(shè)定值為Tsp′，輸入時(shí)刻為t′，輸入新設(shè)定值時(shí)加熱爐狀態(tài)為(T′,ω′)，在輸入時(shí)刻令輸入電壓為零，經(jīng)慣性升溫后能達(dá)到的最高溫度為Tmax′。以非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)為起點(diǎn)輸入新設(shè)定值的情況可以分為4類：全副升溫階段Tsp′>Tmax′，全副升溫階段Tsp′Tmax′，緩沖升溫階段Tsp′

首先令Tsp=350℃，t′=5.5min，Tsp′=400℃，因Tsp′>Tmax′，所以在t′時(shí)刻需要立刻輸入最大電壓，相當(dāng)于以點(diǎn)A(T′，ω′)為起點(diǎn)計(jì)算一次升溫過(guò)程的控制路徑，如圖4所示。再令Tsp=350℃，t′=5.5min，Tsp′=320℃，因Tsp′Tth，則再按上述4類情況進(jìn)行控制。

a. 相軌跡曲線 b. 加熱爐溫度 c. 加熱爐輸入電壓

a. 相軌跡曲線 b. 加熱爐溫度 c. 加熱爐輸入電壓

2 工程實(shí)現(xiàn)

電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的硬件(型號(hào)見表1)包括：電加熱爐、主控計(jì)算機(jī)、信號(hào)采集卡、K型熱電偶和可控硅調(diào)壓器[9]。熱電偶采集實(shí)時(shí)爐溫并將所采集的數(shù)據(jù)傳送到主控機(jī)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，控制程序根據(jù)擬定的控制算法計(jì)算出調(diào)壓器的輸出電壓作為電加熱爐的控制輸入，如圖6所示[10]。

表1 電加熱爐系統(tǒng)硬件名稱和型號(hào)

圖6 電加熱爐溫控系統(tǒng)框圖

加熱爐是典型的大滯后、大慣性、不對(duì)稱性非線性對(duì)象。文獻(xiàn)[10]分析了實(shí)驗(yàn)室加熱爐的結(jié)構(gòu)(圖7)，將輸入電壓作用到爐內(nèi)溫度上升的過(guò)程分為兩個(gè)部分：電阻絲驅(qū)動(dòng)石棉瓦升溫和石棉瓦驅(qū)動(dòng)鋼段升溫，構(gòu)成的二階非線性模型如下：

其中，A=ρVCp，溫度模型的穩(wěn)態(tài)值參數(shù)C通過(guò)擬合得到，鋼段的比熱值Cp根據(jù)它在不同溫度下的比熱值通過(guò)數(shù)據(jù)擬合得到，ω為系統(tǒng)模型的中間變量。出于對(duì)實(shí)驗(yàn)器材的保護(hù)考慮，將加熱爐最大輸入電壓限制在115V，加熱爐的最高溫度限制在500℃。

2.1 Simulink仿真

變工況控制的仿真結(jié)構(gòu)如圖8所示。加熱爐起始溫度T0為25℃，設(shè)定值依次為t=0min，Tsp1=200℃；t=9.5min，Tsp2=230℃；t=25.0min，Tsp3=350℃；t=45.0min，Tsp4=500℃；t=70.0min，Tsp5=400℃，控制效果如圖9所示。在9.5min時(shí)溫度尚未達(dá)到200℃，控制系統(tǒng)判斷當(dāng)前緩沖的最高溫|Tmax′-Tsp2|>Tth，需再次啟動(dòng)WRC控制完成調(diào)節(jié)過(guò)程。變工況控制與PI控制采用相同的PI參數(shù)，從圖9可以看出，給定的工況變化較為劇烈，使用固定PI參數(shù)的WRC控制在較短時(shí)間內(nèi)完成了調(diào)節(jié)過(guò)程，而純PI控制在連續(xù)的工況變化中表現(xiàn)較差，不能在有限的時(shí)間里達(dá)到控制要求。

圖7 實(shí)驗(yàn)室電加熱爐內(nèi)部示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)室加熱爐實(shí)驗(yàn)

加熱爐控制系統(tǒng)以Visual Basic為平臺(tái)，通過(guò)ActiveX調(diào)用Matlab/Simulink完成相關(guān)的計(jì)算功能，包括Bang-Bang控制切換值Tsw、目標(biāo)值穩(wěn)態(tài)電壓usp與選擇控制閾值Yth。在相同的工況變化情況下，WRC控制在加熱爐上的控制效果如圖10所示。

圖8 變工況控制器的Simulink仿真結(jié)構(gòu)

圖9 加熱爐系統(tǒng)仿真控制效果對(duì)比

圖10 加熱爐系統(tǒng)實(shí)際控制效果

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者介紹了變工況集成控制方案的工程實(shí)現(xiàn)。首先，采用選擇控制結(jié)構(gòu)，通過(guò)設(shè)置選擇控制閾值實(shí)現(xiàn)分區(qū)域的切換控制效果；通過(guò)穩(wěn)態(tài)模型計(jì)算出設(shè)定值對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)輸入值，以此對(duì)PI控制的輸出進(jìn)行隨動(dòng)限幅；討論了實(shí)際操作中可能遇到的非穩(wěn)態(tài)起點(diǎn)控制的幾種具體情況，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制算法；采用Visual Basic構(gòu)建控制系統(tǒng)主程序，通過(guò)調(diào)用Matlab/Simulink完成相關(guān)計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于選擇控制結(jié)構(gòu)的變工況控制方案簡(jiǎn)化了控制流程，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于組態(tài)實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。

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DesignandImplementationofSelectiveControlEngineeringBasedonBang-BangandRoutineControlIntegrationunderVariableWorkingConditions

FENG Ai-xiang, LI Ming-jun, LUO Xiong-lin
(CollegeofInformationEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing))

An integrated control scheme for variable working conditions was proposed which has routine control improved and takes control of variable working conditions as a complementary strategy to manage the changes of wide-range setting values. Both design and implementation of this integrated control scheme was discussed, in which, having selective control structure adopted to achieve two-stage switching control; and having the output of PI control carried out with the dynamic limit; and aiming at non-steady starting point control occurred in actual operation, the corresponding measures were designed; and having Visual Basic employed to build main control program and calling Matlab/Simulink to obtain relevant calculation. The experimental results show that, the integrated control strategy can be used to adjust wider working conditions of nonlinear objects.

variable working condition, Bang-Bang control, selective control

TQ021.8

A

1000-3932(2017)02-0119-06

2016-03-22，

2016-12-30)

馮愛祥(1974-)，講師，從事智能控制方面的研究。

聯(lián)系人羅雄麟(1963-)，教授，從事控制理論與過(guò)程控制、化工系統(tǒng)工程及機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域的研究，luoxl@cup.edu.cn。