基于預測控制的濕式空氣濾清器控制系統(tǒng)的設計

和紅梅,孫曉暉

(河北工程技術高等專科學校 電力工程系,河北 滄州 061001)

1 濕式空氣濾清器工作原理

濕式空氣濾清器也稱油浴式濾清器。在片狀的鏈帶上裝有框架,而框架上裝有若干層絲織的過濾網(wǎng),過濾網(wǎng)上浸有油膜,利用過濾網(wǎng)上的油膜粘附空氣中的固體雜質(zhì)和塵土,從而得到干凈的空氣。鏈帶是由電動機變速后經(jīng)過鏈輪而帶動它緩慢地移動。過濾器的下部有一個油槽,當過濾網(wǎng)經(jīng)過油槽時,將附著在過濾網(wǎng)上的雜質(zhì)清洗掉。同時,過濾網(wǎng)也重新覆蓋一層新的油膜。它與干式空氣濾清器相比,其優(yōu)點主要表現(xiàn)在濾芯不需要更換,可多次清洗重復使用,保養(yǎng)后能恢復其原始性能,經(jīng)濟性較好;缺點是維護保養(yǎng)周期較短,一般為50～100h,通常僅為干式濾清器的 1/5左右[1]。

1.1 現(xiàn)有濕式空氣濾清器控制弊端

濕式空氣濾清器帶動鏈帶的電動機,在連續(xù)運轉中耗油量很大,過濾后空氣的帶油量也很大,對后面的設備和工藝帶來不利影響。另外,系統(tǒng)無自調(diào)節(jié)能力、精度差、抗干擾能力差。如果將系統(tǒng)設計為閉環(huán)控制系統(tǒng),根據(jù)阻力的大小來變頻調(diào)節(jié)電動機的轉速,而且采用先進控制策略,在不改變已有的性能指標的前提下,可以達到節(jié)能降耗的目標。

1.2 過濾效率

過濾效率是指被捕捉的粉塵量與原空氣含塵量之比,用Zc表示[2],即

式中,mcp為過濾器捕集到的粉塵量;mup為上游空氣含塵量;mdp為下游空氣含塵量。

2 硬件及軟件實現(xiàn)

2.1 硬件系統(tǒng)構成

濕式空氣濾清器控制系統(tǒng)現(xiàn)場控制站的結構框圖如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場控制站的結構框圖

控制系統(tǒng)分為主回路部分和控制回路部分。圖 1為控制回路,硬件設備包括:上位機、文本顯示器、S7200PLC、MM440變頻器、粒子計數(shù)器、液位變送器等。主回路由隔離開關、低壓斷路器、交流接觸器、變頻器和三相異步電動機等組成。

2.2 軟件實現(xiàn)

根據(jù)控制對象的數(shù)學模型和廣義預測控制的基本原理,可推導出一階慣性加純滯后過程的單步廣義預測控制的最優(yōu)控制律。

1)預測模型

考慮被控對象為CARIM A模型,則實際系統(tǒng)可以表示成如下形式:

式中,A(z-1)=1-az-1,B(z-1)=b。

2)預測輸出

在目標函數(shù)中最小預測時域應該大于等于死區(qū)時間,這樣才能保證在最小時域系統(tǒng)輸出 y(t)不被第一次控制變量u(t)所影響。為了消除系統(tǒng)純滯后時間的影響,預測時域應取為[d+1,d+P][3]。

系統(tǒng)理想預測輸出為

3)目標函數(shù)

其目標函數(shù)為:

4)最優(yōu)控制律

目標函數(shù)可寫成

5)單步預測控制律

當預測步長 P=1,控制步長l=1時,即為單步預測控制時,則 Diophantine方程的解為E1(z-1)=1;F1(z-1)=(1+a)-az-1;

由式(1),系統(tǒng)最優(yōu)預測輸出:yp(t+d+1)=bΔu(t)+[(1+a)-az-1]y(t+d)

令λ=0,則目標函數(shù)為:J= [yp(t+d+1)-yr(t+d+1)]2

由式(5)和式(6),得最優(yōu)控制律:

預測控制算法的實現(xiàn)目前依然基于PC機,通過專用的預測軟件包來完成。

3 模擬實驗結果與分析

3.1 被控對象數(shù)學模型確定

被控對象的近似數(shù)學模型為:

3.2 廣義預測控制算法實現(xiàn)

將式(5)離散化,得:

即:a=0.9324,b=0.0085,d=6。

則由式(7)和式(8)得:

系統(tǒng)的期望值為ysp=0.100 m,參考軌跡的時間常數(shù)a=0.2,零階保持器的采樣周期為5 s,u(t-1)=0。通過 MCGS組態(tài)軟件對系統(tǒng)進行實時監(jiān)控,系統(tǒng)輸出曲線的運行環(huán)境如圖 2所示。圖中實線為系統(tǒng)的輸出曲線 y(t),虛線為系統(tǒng)的期望值 ysp。

3.3 模擬實驗結果分析

3.3.1 控制系統(tǒng)性能分析

在 JWS-6/3-4綜合實驗裝置上進行了 PID控制的模擬實驗,其 PID調(diào)節(jié)控制面板如圖 3所示。

圖2 系統(tǒng)輸出曲線的運行環(huán)境

圖3 PID調(diào)節(jié)控制面板

廣義預測控制適用于開環(huán)不穩(wěn)定的非最小相位系統(tǒng)、未知時延或階次未知的生產(chǎn)過程。單步廣義預測控制算法結構簡單,容易實現(xiàn),而且在線調(diào)試的參數(shù)少,易于調(diào)試。由系統(tǒng)的輸出曲線可以看出,它能很好地使系統(tǒng)的輸出跟蹤期望值,調(diào)節(jié)時間在25 min左右,相對于PID控制其快速性要好的多,而且系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性能,其穩(wěn)態(tài)誤差小于0.005 m。

3.3.2 系統(tǒng)節(jié)能效果分析

通過模擬實驗,當系統(tǒng)的輸出達到系統(tǒng)的期望值時,變頻器的輸出頻率穩(wěn)定在 30 Hz左右。當電動機轉速低于額定轉速運行時,電動機的理論節(jié)電為:

改造后系統(tǒng)與改造前間歇運行系統(tǒng)單位耗能比較:

則控制系統(tǒng)電動機的耗電量為:

由以上的能耗計算可以看出,控制系統(tǒng)在相同運行時間(1 h)的前提下,改造后控制系統(tǒng)的耗電量大大降低,其單位能耗降低了6.39%,達到了系統(tǒng)的設計指標。

[1]何其高.空分裝置自動化 [M].北京:機械工業(yè)出版社,1988.

[2]蔡杰.空氣過濾器專題講座 [J].潔凈與空調(diào)技術,2002,(3):62-63.

[3]郭敬樞.一種含純滯后對象的模型預測反饋的控制方法[J].基礎自動化,1994,1(1):12-15.

[4]劉玉民.用 GPC算法實現(xiàn)對一階慣性加純滯后對象的預測控制[J].唐山學院學報,2005,18(2):100-101.