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        化工過程多回路PID控制系統(tǒng)模式切換參數(shù)自整定

        2022-04-26 09:48:26王建松許鋒羅雄麟
        化工學(xué)報 2022年4期
        關(guān)鍵詞:邊界點被控傳遞函數(shù)

        王建松,許鋒,羅雄麟

        (中國石油大學(xué)(北京)自動化系,北京 102249)

        引 言

        化工過程一般為多變量系統(tǒng),即存在著多個被控變量和多個操縱變量。隨著各種化工過程先進工藝的快速發(fā)展,越來越多的生產(chǎn)過程被構(gòu)造成多變量控制系統(tǒng)[1]。與單變量系統(tǒng)相比,多變量系統(tǒng)輸入變量和輸出變量之間一般存在一定程度的耦合,這就為多變量系統(tǒng)的控制器設(shè)計帶來了不小的困難。對于多變量系統(tǒng),設(shè)計一個包含所有被控變量和操縱變量的集中控制系統(tǒng)是最為理想的,但是這樣的控制設(shè)計方案復(fù)雜,難以實現(xiàn),不易維護,可靠性差。因此,考慮到底層控制系統(tǒng)安全可靠的要求,工業(yè)現(xiàn)場的底層控制系統(tǒng)仍然主要采用常規(guī)分散PID 控制[2?3],即將多變量系統(tǒng)分解為多個單變量子系統(tǒng),分別設(shè)計PID 控制回路,組成分散的多回路PID 控制系統(tǒng)。分散多回路PID 控制因其結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計和整定的簡便性以及良好的魯棒性等優(yōu)點,從而在工業(yè)過程控制領(lǐng)域占有較大的比重。

        在進行多回路PID控制系統(tǒng)設(shè)計時,首先確定操縱變量和被控變量的控制回路配對,然后將各PID控制回路視為單變量系統(tǒng),整定PID 控制參數(shù),多回路PID 控制系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)考慮多變量系統(tǒng)的操縱變量和被控變量之間存在的相互耦合作用[4],控制系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)使控制回路間的耦合作用盡可能小。Bristol[5]提出了相對增益陣(relative gain array,RGA),Wang 等[6]將其推廣到高維系統(tǒng)。在RGA中應(yīng)當(dāng)盡可能選擇大于零且接近于1的元素對應(yīng)的輸入輸出配對,即可保證控制回路之間的耦合最小化。為保證閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性,Niederlinski[7]提出了尼德林斯基指數(shù)(Niederlinski index,NI),與RGA配合使用,篩選不合適的控制回路配對。由于RGA只是利用系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)信息,忽略了系統(tǒng)的動態(tài)特性,因此在其基礎(chǔ)上提出了各種基于動態(tài)信息的改進方法。RGA的動態(tài)改進方法大體可以分為:基于開環(huán)階躍響應(yīng)的時域RGA[8?9]、基于頻率特性的頻域RGA[10?11]、基于最優(yōu)閉環(huán)控制器的動態(tài)RGA[12?13]、穩(wěn)態(tài)信息與動態(tài)信息結(jié)合的組合RGA[14?17]。雖然RGA及其改進方法在一定程度上解決了常規(guī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計問題,但是控制系統(tǒng)性能還與控制器參數(shù)有關(guān)。由于系統(tǒng)內(nèi)部耦合作用的存在,其他回路的控制器參數(shù)必定對本回路的等效被控對象產(chǎn)生影響[18]。在實際工業(yè)現(xiàn)場,由于種種工藝需求,操作人員往往需要對控制回路進行手動/自動切換。當(dāng)其他回路開環(huán)/閉環(huán)切換時,本回路的等效被控對象必然發(fā)生變化,本回路的PID控制器參數(shù)應(yīng)當(dāng)進行相應(yīng)的調(diào)整以適應(yīng)本回路被控對象動態(tài)特性的變化,才能保證穩(wěn)定性并維持一定的控制性能。

        本文將利用現(xiàn)代頻域法,從多變量系統(tǒng)對角優(yōu)勢下正Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)的角度考慮,進行控制回路模式切換時的控制器參數(shù)校正工作。目前現(xiàn)代頻域法的控制系統(tǒng)設(shè)計從單變量系統(tǒng)推廣到了多變量系統(tǒng)[19?20]。Nyquist 陣列設(shè)計法是現(xiàn)代多變量頻域設(shè)計法中最成熟的一種方法。Rosenbrock 等[21?23]論述了Nyquist陣列設(shè)計法的基本思想,為后續(xù)研究提供了基本研究方法。在此基礎(chǔ)上,McMorran[24?25]提出了逆Nyquist 陣列設(shè)計的擴展方法。Ho 等[26]和Chen 等[27]提出了正Nyquist 陣列設(shè)計方法。Nyquist陣列設(shè)計法往往與Gershgorin 帶結(jié)合使用,Gershgorin 帶可以同時判斷控制系統(tǒng)的對角優(yōu)勢和閉環(huán)穩(wěn)定性,Chen 等[28]利用Gershgorin 帶定理對多變量系統(tǒng)完成了PID控制器參數(shù)設(shè)計。

        常規(guī)PID 控制的整定算法一般只是針對單變量系統(tǒng)。Luyben[29]提出了著名的BLT 方法,即利用Z?N 規(guī)則來調(diào)整PID 參數(shù),Ho 等[30]提出了基于增益和相角裕量的設(shè)計方法。多變量分散PID 控制中控制回路模式切換時控制器參數(shù)的校正問題尚無研究。

        本文基于對角優(yōu)勢下正Nyquist 穩(wěn)定判據(jù),從Gershgorin圓邊界點的角度分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性,根據(jù)閉環(huán)穩(wěn)定性進一步確定控制器增益的調(diào)整方向及程度,以保證控制回路在切換前后的閉環(huán)穩(wěn)定性。

        1 控制回路模式切換問題

        對于一個存在內(nèi)部耦合的多變量化工過程,考慮到化工過程多回路PID 控制系統(tǒng)模式切換時對實時性和實際工業(yè)現(xiàn)場操作人員對可操作性的要求,本文采用了工業(yè)過程控制中常用的一階慣性純滯后的傳遞函數(shù)矩陣G(s)形式,如式(1)所示。

        其中

        式中,s為復(fù)變量。

        式(1)為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)點附近的線性化模型,具有形式簡單、適用性強、易于獲取的特點,并且在定值控制系統(tǒng)中各變量都不會偏離穩(wěn)態(tài)點太遠,因此精度也能滿足控制系統(tǒng)設(shè)計要求。

        工業(yè)現(xiàn)場經(jīng)驗豐富的工藝人員很容易獲取這種一階慣性純滯后模型,他們一般都能知曉各輸入變量對各輸出變量的靜態(tài)增益k,以及當(dāng)輸入變量發(fā)生變化后輸出變量多長時間才能變化和多長時間到達穩(wěn)定狀態(tài),分別對應(yīng)純滯后時間τ和動態(tài)響應(yīng)時間ts,由此可以計算得到時間常數(shù)T(動態(tài)響應(yīng)時間ts減掉純滯后時間τ后再除以3或4)。

        對于由式(1)表示的化工過程,其控制方式可以分為兩種:集中控制和分散控制。

        集中控制采用單個控制器,變量之間僅一種配對方式,其控制效果較好,但直接設(shè)計集中控制器的難度較大。一般設(shè)計單個解耦器和多個控制器作為集中控制器[31],變量之間采用對角配對方式,控制效果與解耦效果相關(guān),其控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 多變量解耦控制Fig.1 Multivariable decoupling control

        分散控制采用多個單變量控制器,變量配對方式有多種,控制效果稍差,但其結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計難度小、易于維護以及具有良好的魯棒性能等,因此應(yīng)用比較廣泛[32?33],其控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖2 多變量分散控制Fig.2 Multivariate decentralized control

        本文所研究的控制系統(tǒng)為分散PID 控制系統(tǒng)。下面以雙輸入雙輸出的2 × 2被控過程為例,分析控制回路模式切換時系統(tǒng)的耦合問題對控制回路的閉環(huán)影響。例如,精餾塔就是典型的2 × 2系統(tǒng),塔頂冷回流量和塔底再沸蒸汽量就是兩個操縱變量,塔頂溫度和塔釜溫度為兩個被控變量,操縱變量和被控變量之間存在比較嚴重的耦合。眾所周知,當(dāng)采用常規(guī)PID控制器時,塔頂溫度和塔底溫度是很難同時進行控制的,當(dāng)塔頂溫度與冷回流量組成控制回路時,塔底溫度就不能作為被控變量了。具體原因如下。

        假設(shè)2 × 2系統(tǒng)傳遞函數(shù)陣為

        當(dāng)僅第一個控制回路投入自動模式,如圖3 所示,此時u2不發(fā)生變化,此時u1對y1控制回路的等效被控對象的傳遞函數(shù)為g11(s)。

        圖3 僅第一個控制回路閉合時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Block diagram of the system structure when only the first control loop is closed

        當(dāng)?shù)诙€控制回路也投入自動模式(圖4),由于系統(tǒng)內(nèi)部的耦合作用,輸入u1除了通過g11(s)影響輸出y1,還通過g21(s)影響輸出y2,輸出y2通過閉環(huán)的第二個控制回路影響輸入u2,輸入u2通過g12(s)影響輸出y1,此時

        圖4 第二個控制回路閉合時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Block diagram of system structure when the second control loop is closed

        u1對y1控制回路的等效被控對象的傳遞函數(shù)中除了第二個控制回路開環(huán)時的等效傳遞函數(shù)g11(s),還包含了輸入u1、u2和輸出y1、y2之間的相互耦合影響g12(s)、g21(s),第二個控制回路的開環(huán)被控對象g22(s)和控制器c2(s)。y1和u1之間的開環(huán)傳遞函數(shù)可用虛線框中部分來表示。因此,由于系統(tǒng)內(nèi)部耦合的影響,當(dāng)其他回路進行手動/自動模式切換時,本回路的等效被控對象會發(fā)生較大的變化,原有的控制器參數(shù)如果不進行及時的調(diào)整,控制性能會下降,甚至?xí)斐烧麄€系統(tǒng)的不穩(wěn)定。隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大,其耦合程度也將加劇,每增加一個控制回路,將會對更多已設(shè)計完成的控制回路產(chǎn)生影響,已設(shè)計好的控制器大概率上無法維持控制回路模式切換后整個控制系統(tǒng)的性能。

        2 全局Nyquist穩(wěn)定判據(jù)

        對于多變量系統(tǒng)的多回路分散常規(guī)控制系統(tǒng),由于各控制回路之間存在相互影響,控制系統(tǒng)不能僅考慮各個局部的控制回路的穩(wěn)定性,而應(yīng)從整個系統(tǒng)的角度研究控制回路模式切換時的穩(wěn)定性。下面基于對角優(yōu)勢下正Nyquist 穩(wěn)定性判據(jù),從Gershgorin 圓邊界點出發(fā)定量分析各個控制回路在模式切換前后的穩(wěn)定性變化程度的方法。

        2.1 對角優(yōu)勢

        若G(s)在包圍右半s平面的初等D 形圍線上滿足以下關(guān)系

        則稱G(s)具有行對角優(yōu)勢。

        若G(s)在包圍右半s平面的初等D 形圍線上滿足以下關(guān)系

        則稱G(s)具有列對角優(yōu)勢。

        G(s)滿足行對角優(yōu)勢或列對角優(yōu)勢都稱其具有對角優(yōu)勢。

        2.2 Gershgorin圓

        對于傳遞函數(shù)矩陣G(s),以其對角元素gii(s)在復(fù)平面s上的對應(yīng)點為圓心,以其第i行的行非對角元素模之和di為半徑作圓,此圓稱為第i行Gershgorin圓。以其第i列的列非對角元素模之和d′i為半徑作圓,此圓稱為第i列Gershgorin圓。對于n階傳遞函數(shù)矩陣,其具有n個行Gershgorin圓和n個列Gershgorin圓。

        行Gershgorin圓的表達式為

        列Gershgorin圓的表達式為

        隨著s的變化,這些圓掃出n個帶狀區(qū)域,稱為行(或列)Gershgorin帶。

        2.3 多變量系統(tǒng)正Nyquist穩(wěn)定判據(jù)

        多變量控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖5所示。

        圖5 系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)Fig.5 System control chart

        圖中,r、e、y分別為被控變量給定值、控制偏差和系統(tǒng)輸出;G(s)為被控過程傳遞函數(shù)矩陣;對于多回路PID 控制器,C(s)為對角矩陣形式的控制器;F為反饋系數(shù)矩陣,為滿秩常數(shù)對角矩陣。

        令Q(s)為前向通道傳遞函數(shù)矩陣Q(s) =G(s)C(s) =[qij(s)]n×n,由 于 基 于RGA 方 法 進 行 控制回路配對后G(s)一般為對角優(yōu)勢矩陣,C(s)為對角矩陣,因此Q(s)大概率為對角優(yōu)勢矩陣。

        基于開環(huán)對角優(yōu)勢系統(tǒng)Q(s),結(jié)合Gershgorin 圓的概念,多變量系統(tǒng)的正Nyquist穩(wěn)定判據(jù)如下。

        (1)諸qii(s)的行Gershgorin 帶或列Gershgorin 帶不包含對應(yīng)的臨界點(?f?1i,j0)在內(nèi)。

        (2)諸qii(s)的行Gershgorin帶或列Gershgorin帶關(guān)于臨界點(?f?1i,j0)的逆時針圍繞周數(shù)之和等于Q(s)的開環(huán)特征多項式在右半s平面的零點個數(shù)no,即

        如果Q(s)為開環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng),即Q(s)的開環(huán)特征多項式在右半s平面的零點個數(shù)為零,并且反饋系數(shù)矩陣F為單位陣,則穩(wěn)定判據(jù)(2)改為:諸qii(s)的行Gershgorin帶或列Gershgorin帶不繞過臨界點(?1,j0)。

        上述對角優(yōu)勢下正Nyquist穩(wěn)定判據(jù)中,(1)為對角優(yōu)勢判據(jù),判斷Q(s)是否對角優(yōu)勢;(2)為穩(wěn)定性判據(jù),判斷Q(s)滿足對角優(yōu)勢條件下是否穩(wěn)定。該判據(jù)為一充分性判據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)滿足上述判據(jù)時,一定為穩(wěn)定系統(tǒng);當(dāng)某一系統(tǒng)不滿足對角優(yōu)勢時,也可能為一穩(wěn)定系統(tǒng)。該判據(jù)與系統(tǒng)穩(wěn)定性的邏輯關(guān)系可用Venn圖表示(圖6)。

        圖6 正Nyquist判據(jù)與穩(wěn)定性之間的Venn圖Fig.6 The Venn diagram between direct Nyquist criterion and system stability

        3 控制回路模式切換時控制器參數(shù)校正方案

        基于對角優(yōu)勢下的正Nyquist穩(wěn)定性判據(jù),當(dāng)開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定時,行Gershgorin 帶或列Gershgorin 帶在實軸上的邊界點將成為閉環(huán)系統(tǒng)是否穩(wěn)定的關(guān)鍵。根據(jù)各控制回路在模式切換前后各Gershgorin 帶邊界點的變化程度,可確定各回路控制器增益的調(diào)整方向及程度,進而實現(xiàn)各回路的控制器參數(shù)在控制回路模式切換瞬間的自動整定。

        3.1 一階慣性純滯后多變量系統(tǒng)的Gershgorin圓邊界點

        如果被控過程傳遞函數(shù)矩陣G(s)的各元素gij(s)均為一階慣性純滯后系統(tǒng),控制器傳遞函數(shù)對角矩陣C(s)的各元素ci(s)均為PID 控制器,反饋系數(shù)矩陣F一般為單位陣,即

        令s=jω,可以得到其頻域表達式為

        進一步可以得到前向通道傳遞函數(shù)矩陣的頻域表達式為

        文獻[34?35]指出,模型的開環(huán)頻率響應(yīng)不需要在所有的頻段都很準(zhǔn)確,只需在穿越頻率附近或控制器的工作頻帶范圍內(nèi)足夠準(zhǔn)確,就可以滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。下面分析ω= 0+→+∞時,Q(s)對角元素qii(s)幅值和相角的變化情況:

        綜上所述,研究∠φ= ?π 時的Gershgorin 帶對閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重大意義。此時頻率為圓心qii(jω)的穿越頻率ωc。Gershgorin 帶與實軸兩交點的左交點為Gershgorin帶邊界點。通過求解qii(jω)的穿越頻率ωc,代入式(16),即可求出對角元素和非對角元素在qii(jω)穿越頻率的幅值。

        當(dāng)i=j時,Aii為與實軸相交的Gershgorin帶的圓心;當(dāng)i≠j時,∑Aij為與實軸相交的Gershgorin 帶圓的半徑。由此可得行Gershgorin 圓邊界點和列Gershgorin圓邊界點。

        行Gershgorin圓邊界點表達式

        列Gershgorin圓邊界點表達式

        式中,hi,0、h'i,0為接近原點的Gershgorin 圓邊界點;hi,?1、h'i,?1為 接 近(?1,j0) 的Gershgorin 圓 邊界點。

        根據(jù)Gershgorin 圓邊界點,對角優(yōu)勢下的正Nyquist穩(wěn)定判據(jù)可以轉(zhuǎn)化為:行對角優(yōu)勢

        或列對角優(yōu)勢

        3.2 控制器參數(shù)校正方法

        當(dāng)控制回路模式切換后,控制系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況時,由對角優(yōu)勢下正Nyquist穩(wěn)定判據(jù)可知,其原因為某行(列)Gershgorin 圓邊界點hi,?1(或h'i,?1)在(?1,j0)點左側(cè),如圖7(a)所示。此時,需要通過校正相應(yīng)控制器參數(shù),使得所有行(列)Gershgorin圓邊界點hi,?1(或h'i,?1)在(?1,j0)點右側(cè),如圖7(b)所示。

        圖7 校正前后Gershgorin圓情況Fig.7 The situation of Gershgorin circle before and after correction

        對于一個多回路分散PID 控制系統(tǒng),控制器為對角矩陣形式,其前向通道傳遞函數(shù)矩陣如下

        由式(22)和列Gershgorin 圓邊界點定義可知,若調(diào)整第i個控制器ci(s)的參數(shù),則第i列Gershgorin圓邊界點h'i,?1將發(fā)生變化;若第i個控制器ci(s)增益調(diào)整為原來的p倍,則第i列Gershgorin 圓邊界點h'i,?1的 值 也 將 調(diào) 整 為 原 來 的p倍;而 對 于 行Gershgorin 圓邊界點而言,若調(diào)整第i個控制器ci(s)的參數(shù),則所有的行Gershgorin 圓邊界點hi,?1都將發(fā)生變化,調(diào)整后的諸行Gershgorin 圓邊界點hi,?1的值需由式(18)重新計算。因此,行Gershgorin 圓邊界點的計算遠不如列Gershgorin 圓邊界點的計算便利,故本文根據(jù)列Gershgorin 圓邊界點的值來完成控制器參數(shù)的校正工作。

        當(dāng)控制回路模式切換時,若第i列Gershgorin 圓邊界點h'i,?1不滿足對角優(yōu)勢下的正Nyquist 穩(wěn)定判據(jù),即h'i,?1<?1,此時需將第i個控制器的增益縮小pi倍,pi的大小可由式(23)確定

        式中,為確保Gershgorin 圓邊界點與(?1,j0)有一定距離,一般對pi乘以裕量系數(shù)λi(0.5 ≤λi≤0.95)。

        綜上所述,當(dāng)控制回路模式切換時,對各控制回路控制器參數(shù)校正步驟如下。

        (1)現(xiàn)場工藝人員根據(jù)其操作經(jīng)驗給出所有輸入變量對所有輸出變量的模型參數(shù)k、T、τ,分別將各回路投自動,而其他回路投手動,采用經(jīng)驗湊試法獲得各控制回路初始PID參數(shù)值。

        (2) 根據(jù)被控過程和控制器初始參數(shù),求qii(jω)的穿越頻率ωc,進而求校正前諸列Gershgorin 圓的邊界點h'i。其中穿越頻率ωc可采用牛頓迭代法解方程求解。

        (3)比較列Gershgorin圓的邊界點h'i,?1與(?1,j0)點的大小,判斷系統(tǒng)整體穩(wěn)定情況,確定需調(diào)整的控制器ci(s)。

        (4)根據(jù)現(xiàn)場干擾大小及模型精度情況設(shè)定裕量系數(shù)λi(0.5 ≤λi≤0.95),計算控制器增益調(diào)整系數(shù)pi。

        (5)校正后控制器為pici(s)。

        上述控制器參數(shù)校正流程如圖8所示。

        圖8 計算機輔助設(shè)計流程圖Fig.8 Computer?aided flowchart

        4 實例分析

        選取Shell 公司的典型重油分餾塔模型為仿真實例[36],如圖9 所示。該重油分餾塔由一個側(cè)線汽提塔、三個中段循環(huán)回流(頂部循環(huán)回流、中段循環(huán)回流、底部循環(huán)回流)和頂部冷回流組成,操縱變量包括頂部抽出流量u1、側(cè)線抽出流量u2和塔底循環(huán)回流換熱量u3,被控變量包括塔頂餾出物溫度y1、側(cè)線汽提塔餾出物溫度y2、塔底循環(huán)回流抽出溫度y3、塔頂溫度y4、塔頂循環(huán)回流抽出溫度y5、側(cè)線抽出溫度y6、中段循環(huán)回流抽出溫度y7。重油分餾塔是一個多變量、強耦合、大時延的被控過程,被公認為典型的比較難控制的對象,也是眾多學(xué)者用來驗證理論研究的仿真實例。

        圖9 重油分餾塔流程圖Fig.9 Flowchart of heavy oil fractionator

        本實例中,操縱變量和被控變量組成3 個PID控制回路,分別為:頂部抽出流量u1(kmol·h?1)?塔頂餾出物溫度y1(K),側(cè)線抽出流量u2(kmol·h?1)?側(cè)線汽提塔餾出物溫度y2(K),塔底循環(huán)回流換熱量u3(kJ·h?1)?塔底循環(huán)回流抽出溫度y3(K),現(xiàn)場工藝人員憑借操作經(jīng)驗很容易獲取所有輸入變量對所有輸出變量的一階慣性純滯后模型,其傳遞函數(shù)矩陣為

        當(dāng)3 個PID 控制回路u1-y1、u2-y2、u3-y3分別進行控制時,首先只將本控制回路閉環(huán)投自動,其他控制回路開環(huán)手動,避免控制回路之間相互耦合的影響,然后通過經(jīng)驗湊試法整定獲得本控制回路初始PID 參數(shù)。控制器初始參數(shù)分別為c1=(0.3, 0.01,0.3),即PID參數(shù)分別為:比例系數(shù)KP1=0.3,積分系數(shù)KI1=0.01,微分系數(shù)KD1=0.3,后文控制器參數(shù)寫法與之相同,c2=(0.5, 0.03, 0.3),c3=(0.05, 0.004, 0.3)。各個控制回路在只對本回路閉環(huán)條件下在初始PID 參數(shù)下是穩(wěn)定的。

        假設(shè)系統(tǒng)的被控變量給定值為r1=1,r2=0,r3=2。然后按照u1-y1,u2-y2,u3-y3的順序?qū)? 個PID 控制回路依次由手動投入自動。通過仿真發(fā)現(xiàn),如果不對各個PID 控制回路的參數(shù)進行校正,整個系統(tǒng)將不能穩(wěn)定;如果通過本文所述方法來校正控制器c1、c2、c3,可使閉合后的系統(tǒng)依然可以穩(wěn)定。

        (1) 只將控制回路u1-y1閉合,控制器參數(shù)初始值設(shè)置為c1=(0.3, 0.01, 0.3)??刂葡到y(tǒng)仿真曲線如圖10 所示,可以看出,在僅有一個控制回路投入自動時,整個控制系統(tǒng)是閉環(huán)穩(wěn)定的。

        圖10 控制回路u1?y1閉合時輸出曲線Fig.10 Output curve when control loop u1?y1 is closed

        (2) 控制回路u1-y1到達穩(wěn)定后,在t= 1000 min時將控制回路u2-y2閉合,控制器參數(shù)初始值設(shè)置為c1= (0.3, 0.01, 0.3),c2= (0.5, 0.03, 0.3)。 此 時 列Gershgorin 圓 的 邊 界 點 為h'1,?1=?1.1780,h'2,?1=?0.8685,可確定需校正控制器為c1,設(shè)置裕量系數(shù)為λ1=0.8,則控制器增益校正系數(shù)p1=0.6791。校正前后控制器參數(shù)及Gershgorin圓邊界點數(shù)據(jù)見表1。校正前后控制系統(tǒng)的閉環(huán)仿真輸出曲線如圖11所示。

        表1 控制回路u2-y2模式切換時控制器參數(shù)及Gershgorin圓邊界點校正前后數(shù)據(jù)Table 1 Control loop u2-y2 mode switching controller parameters and Gershgorin circle before and after correction

        (3) 控制回路u1-y1和u2-y2到達穩(wěn)定后,在t=3000 min 時將控制回路u3-y3閉合,控制器參數(shù)初始值設(shè)置為c1=(0.2037, 0.0068, 0.2037),c2=(0.5, 0.03,0.3),c3=(0.05,0.004,0.3)。此時列Gershgorin 圓的邊界點為h'1,?1=?1.3206,h'2,?1=?1.5565,h'3,?1=?0.2579,可確定需校正控制器為c1和c2。設(shè)置裕量系數(shù)為λ1=0.8,λ2=0.8,則控制器增益校正系數(shù)p1=0.6058,p2=0.5140。校正前后控制器參數(shù)及Gershgorin 圓的邊界點數(shù)據(jù)見表2。校正前后控制系統(tǒng)的閉環(huán)仿真輸出曲線如圖12所示。

        表2 控制回路u3-y3模式切換時控制器參數(shù)及Gershgorin圓邊界點校正前后數(shù)據(jù)Table 2 Control loop u3-y3 mode switching controller parameters and Gershgorin circle before and after correction

        從圖11 和圖12 可以發(fā)現(xiàn),在現(xiàn)有控制回路已閉環(huán)的情況下,將新的控制回路也投入自動,由于控制回路之間的耦合作用,等效被控對象發(fā)生變化,原有的控制器參數(shù)均不能與之適應(yīng),Gershgorin圓邊界點將在(?1,j0)左側(cè),會導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定;而在新的控制回路模式切換的瞬間對原有控制回路的增益進行校正,Gershgorin 圓邊界點將調(diào)整至(?1,j0)右側(cè),閉環(huán)系統(tǒng)將恢復(fù)穩(wěn)定。

        圖11 控制回路u2?y2切換時校正前后輸出曲線Fig.11 Output curve before and after correction when control loop u2?y2 is closed

        圖12 控制回路u3?y3切換時校正前后輸出曲線Fig.12 Output curve before and after correction when control loop u3?y3 is closed

        5 結(jié) 論

        本文基于對角優(yōu)勢下正Nyquist穩(wěn)定判據(jù),從整個系統(tǒng)的角度研究控制回路模式切換時的穩(wěn)定性。通過對一階慣性純滯后多變量系統(tǒng)的頻域分析,找到Gershgorin 圓邊界點的位置。根據(jù)原有控制器參數(shù)下的列Gershgorin 圓邊界點,確定需要校正的控制器,然后根據(jù)Gershgorin 圓邊界點與穩(wěn)定性之間的關(guān)系確定控制器增益校正系數(shù)。最后通過Shell公司重油分餾塔的多回路PID 控制系統(tǒng)的實例分析,驗證了該方法的可行性和有效性。

        在實際工業(yè)現(xiàn)場,通過系統(tǒng)辨識獲得多變量系統(tǒng)的一階慣性純滯后模型較為容易,本文所述方法可輔助現(xiàn)場操作人員完成多變量系統(tǒng)常規(guī)PID 控制回路的手動/自動切換,可以保證手動/自動模式切換時系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對于被控過程模型不精確和噪聲干擾問題,在實際應(yīng)用時,可適當(dāng)減小裕量系數(shù),來保證控制回路的穩(wěn)定性,而當(dāng)模型參數(shù)較為精確時,可適當(dāng)增大裕量系數(shù)以獲得較好的控制性能。

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