大時滯系統(tǒng)的自動控制算法實踐

1.概述

隨著社會進入信息化時代，工業(yè)領(lǐng)域?qū)ψ詣踊潭鹊囊笤絹碓礁?。然而在很多工業(yè)行業(yè)里，盡管自動化設(shè)備越拉越先進，但是實際上，計算機、網(wǎng)絡(luò)的使用遠不能成為自動化，顯示器僅僅是取代了傳統(tǒng)的模擬儀表，鍵盤和鼠標取代了開關(guān)按鈕。針對國內(nèi)這類傳統(tǒng)行業(yè)的自動化控制，我們做了大量的工作，下面主要討論大時滯系統(tǒng)中的控制算法理論和實踐，本文討論控制算法在水泥窯外分解窯上的實踐。

2.傳統(tǒng)控制方法的缺陷

自動控制理論發(fā)展到現(xiàn)在，有很多算法，在過程控制中最常用、最經(jīng)典的算法應(yīng)該是PID算法。PID算法，是按控制目標的偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進行控制。PID算法，在過程中非常實用，效果也不錯，但是在非線性大時滯系統(tǒng)里，缺陷也很明顯。

在大時滯系統(tǒng)中，每個被控量與影響它的調(diào)整量之間都存在著長短不一的延遲，并不是調(diào)整控制量得很短的時間內(nèi)，被控制量就發(fā)生變化，而是在一段時間之后這種影響才表現(xiàn)出來。針對這樣的延時狀況，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，只有在PID控制器各參數(shù)都比較小，控制周期延長，增益較低的情況下才能使系統(tǒng)穩(wěn)定，但是這樣必然導(dǎo)致調(diào)整時間變長，抗干擾能力下降；反之，如果增大了參數(shù)就會使系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩不穩(wěn)定。這種情況下很難在快速性和穩(wěn)定性之間找到一個理想的平衡點。同時，這種情況下PID參數(shù)的整定過程也會很困難，整定好參數(shù)的控制器效果也并不理想。另外大多數(shù)控制量與其對應(yīng)的調(diào)整量之間的關(guān)系并不是一種線性的關(guān)系，而且還是一種多因素共同影響的結(jié)果，這時，如何建立有效的關(guān)系模型也不是一件容易的事。

3.Smith算法的應(yīng)用

針對大時滯系統(tǒng)，我們選擇了Smith算法。Smith算法被廣泛的應(yīng)用在時滯系統(tǒng)的控制中，

原理簡述如下：

E2=E1+(Ym-Xm)=E1-Gm(s)*（1-）*U(s)

其中E1=R(s)-Y(s)；Y(s)=E2(s)*Gc(s)*Go(s)*e-ts

當t*=t且Gc(s)=Go(s)時，Y(s)=Gc(s)*Go(s)*E2;沒有延遲。

設(shè)置模型為：Gm(s)=為一二階系統(tǒng)，可以代表大多系統(tǒng)。

既有：Xm(s)()=U_t(s)*(ds+f) 化為差分方程為：

Xm(k)=*[(d+f)*u(k)-d*u(k-1)+(2a+b)*Xm(k-1)_a*Xm(k-2)] (1)而Ym為Xm向后延遲t*/T個點得到。

4.預(yù)估模型的選擇

在實際的工業(yè)過程控制中，影響控制目標的因素往往非常多，且影響的程度非線性，相互之間也有影響，因此用公式或矩陣來建立預(yù)估模型非常困難。我們嘗試了多種模型后，發(fā)現(xiàn)用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)來建立這種非線性的模型比較實用。

每一個節(jié)點上的權(quán)值和閥值需要通過一個訓(xùn)練來決定。簡單的說，拿出一組足夠多數(shù)據(jù)，包括輸入和對應(yīng)的輸出，通過一個反相計算的算法進行訓(xùn)練，逐次修正，逐步接近，最后尋找出輸入與輸出的關(guān)系。在運用時，將數(shù)據(jù)輸入至受過訓(xùn)練的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，得到的輸出就是網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的結(jié)果。

在大時滯系統(tǒng)中，應(yīng)先確定輸入與輸出之間的延遲時間，將輸入輸出對應(yīng)起來，生成一組或多組樣本，進行訓(xùn)練，當訓(xùn)練結(jié)果滿意后，作為預(yù)估模型。在實際中使用時，就可以預(yù)估延遲時間后輸出的結(jié)果。

5.實際效果

我們用此模型在水泥生產(chǎn)線的窯外分解窯的溫度控制上做了大量的實驗，取得了預(yù)期的效果。相對于手工PID調(diào)節(jié)，該模型快速，并且適應(yīng)范圍較大，不會出現(xiàn)振蕩，控制精度比PID方式提高50%。相對于手工狀態(tài)，與技術(shù)高超的老操作工來說，在異常情況下反應(yīng)的速度稍慢，但是不會誤判趨勢，尤其在大波動的情況下，該算法模型輸出不會任意超調(diào)，因此一段時間后，系統(tǒng)會趨于穩(wěn)定，優(yōu)于手工操作。相對于普通操作工，該模型效果優(yōu)于手工，除了特殊情況下的處理，基本可取代收工操作。除了特殊的故障情況下，該算法模型的控制效果和控制精度優(yōu)于PID控制和手工控制。

但是，該算法也有缺陷。尤其在國內(nèi)的水泥生產(chǎn)線上，由于設(shè)備故障及維修更換、原料化學(xué)成分的波動造成工藝上的顯著變化，在每次出現(xiàn)變化后，都必須重新整定預(yù)估器。這類情況，在其他傳統(tǒng)行業(yè)也普遍存在。

6.總結(jié)

對于工業(yè)生產(chǎn)線上的大時滯系統(tǒng)，我們采用了以下的算法模型。該算法模型在實踐中取得了很好的效果，但是該模型算法需要設(shè)備、工藝穩(wěn)定，所以對企業(yè)的生產(chǎn)管理提出了更高的要求。

作者單位

①南京恒榮智翔軟件科技有限責(zé)任公司

②南京恒榮電氣系統(tǒng)工程有限公司

③南京恒榮智翔軟件科技有限責(zé)任公司