智能解耦控制在過程控制實(shí)驗(yàn)裝置上的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

麥雪鳳

(廣西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，廣西 柳州 545006)

智能解耦控制在過程控制實(shí)驗(yàn)裝置上的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

麥雪鳳

(廣西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，廣西 柳州 545006)

針對(duì)只能開設(shè)常規(guī)過程控制實(shí)驗(yàn)，而無法開展智能解耦控制實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)狀，運(yùn)用西門子編程軟件STEP7和組態(tài)王軟件，在已有A3000過程控制實(shí)驗(yàn)裝置上設(shè)計(jì)開發(fā)壓力-流量智能解耦控制系統(tǒng)。介紹智能解耦控制策略、程序開發(fā)、監(jiān)控界面設(shè)計(jì)及系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試等。該實(shí)驗(yàn)改善了智能解耦控制缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的現(xiàn)狀，對(duì)工業(yè)智能控制實(shí)驗(yàn)室建設(shè)具有重要意義。

智能解耦控制； 過程控制； 實(shí)驗(yàn)裝置； A3000

0 引 言

以多變量、強(qiáng)耦合、非線性為特點(diǎn)的復(fù)雜工業(yè)過程解耦控制，一直是控制理論與控制工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和前沿[1]。在日益復(fù)雜的被控對(duì)象(過程)面前,傳統(tǒng)的基于精確模型的解耦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論受到了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[2]。而智能解耦控制與傳統(tǒng)解耦控制相比，具有不需要建立被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型等優(yōu)點(diǎn)，更適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)控制，因此智能解耦控制在工業(yè)過程控制得到了越來越廣泛應(yīng)用。

目前，電氣學(xué)院的A3000實(shí)驗(yàn)設(shè)備只能進(jìn)行一些常規(guī)過程控制系統(tǒng)(如單閉環(huán)PID控制、串級(jí)控制等)的實(shí)驗(yàn)，無法開展智能解耦控制實(shí)踐教學(xué)和相關(guān)科學(xué)研究工作。因此，在A3000裝置上開發(fā)了智能解耦控制系統(tǒng)，這對(duì)完善我院的工業(yè)智能控制實(shí)驗(yàn)室建設(shè)具有重大的意義與必要性。

1 耦合系統(tǒng)構(gòu)成

設(shè)計(jì)的智能解耦控制系統(tǒng)以我院現(xiàn)有的A3000過程控制實(shí)驗(yàn)裝置上的水管壓力和流量為耦合對(duì)象，控制流程如圖1所示。原有系統(tǒng)設(shè)置有壓力、流量單回路控制系統(tǒng)，當(dāng)兩個(gè)控制系統(tǒng)同時(shí)投運(yùn)時(shí)，壓力p1用調(diào)節(jié)閥PV101控制，流量q用變頻器FH101控制。

圖1 壓力—流量耦合系統(tǒng)

由于在同一個(gè)裝置上，設(shè)置了兩個(gè)控制系統(tǒng)，出現(xiàn)了關(guān)聯(lián)耦合現(xiàn)象。如果直接采用常規(guī)PID控制而不進(jìn)行解藕,則會(huì)在參數(shù)受到擾動(dòng)(例如改變?cè)O(shè)定值、有干擾信號(hào)等)均會(huì)使壓力、流量相互影響、大幅波動(dòng)，實(shí)際運(yùn)行時(shí)壓力、流量經(jīng)常在大于設(shè)定值±10%的大范圍波動(dòng)(而工藝一般要求控制在設(shè)定值±2%左右)，無法滿足控制要求。

要獲得滿意的控制效果，必須對(duì)壓力-流量系統(tǒng)進(jìn)行解耦，針對(duì)壓力、流量耦合系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及傳遞函數(shù)難以精確獲得的問題，采用模糊解耦方法可以使對(duì)象模型不確定的耦合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)解耦控制[3]，而且這種方法設(shè)計(jì)、計(jì)算比較簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn) ( 在工業(yè)控制普遍采用的PLC上即可實(shí)現(xiàn) )。

2 模糊解耦補(bǔ)償控制原理

壓力-流量模糊解耦控制系統(tǒng)由A3000上的壓力變送器PT101、電磁流量計(jì)FT101、變頻器FH101、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥FV101、壓力調(diào)節(jié)器PC101、流量調(diào)節(jié)器FC101和模糊解耦控制器(調(diào)節(jié)器和模糊解耦控制器用西門子S7-300 PLC來實(shí)現(xiàn))等組成。

模糊解藕算法的實(shí)質(zhì)是通過模糊規(guī)則在原始控制結(jié)果的基礎(chǔ)上增加一個(gè)合適的補(bǔ)償量,從而最大程度消除多個(gè)控制變量之間的耦合作用,實(shí)現(xiàn)壓力只受調(diào)節(jié)閥控制，流量只受變頻器控制的目的[4]。方法是在原有單回路PID控制的基礎(chǔ)上，采用模糊解耦補(bǔ)償控制器對(duì)PID控制得到的調(diào)節(jié)閥和變頻器輸出控制增量U1、U2進(jìn)行補(bǔ)償、修正，得到調(diào)節(jié)閥和變頻器補(bǔ)償值V1、V2。解耦補(bǔ)償后的實(shí)際控制輸出分別為：H1=U1+V1、H2=U2+V2，H1送調(diào)節(jié)閥，H2送變頻器，控制原理如圖2所示。

本系統(tǒng)重點(diǎn)和難點(diǎn)是模糊解耦補(bǔ)償控制器，在此采用兩輸入兩輸出結(jié)構(gòu)形式的二維模糊控制器來表示模糊解耦補(bǔ)償控制器，最終達(dá)到控制目的。整個(gè)控制系統(tǒng)原理如下：

2.1 壓力、流量首先進(jìn)行單回路PID控制

壓力變送器、電磁流量計(jì)的輸入信號(hào)分別送至PLC的AI0、AI1，PID0、PID1直接調(diào)用FB41功能塊[5]實(shí)現(xiàn)，PID0和PID1的輸出U1、U2再送到模糊解耦補(bǔ)償控制器中進(jìn)行解耦補(bǔ)償運(yùn)算。

圖2 模糊解耦補(bǔ)償控制原理圖

2.2 模糊解耦補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)

根據(jù)過程控制實(shí)驗(yàn)對(duì)該壓力、流量控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)操作經(jīng)驗(yàn)，采用模糊控制方法構(gòu)建模糊解耦補(bǔ)償控制器。以U1、U2為二維模糊解耦補(bǔ)償控制器的輸入量，輸出量為補(bǔ)償量V1、V2。模糊解耦補(bǔ)償控制器的基本結(jié)構(gòu)包括模糊化、模糊解耦規(guī)則庫、模糊推理、解模糊化等部分[6]。

(1) 模糊化。PID控制得到的U1和U2首先進(jìn)行尺度變換和論域變換(量化)，U1、U2的變化范圍均取[0，100%]，論域均取為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0,1,2,3，4，5,6}。按照耦合模糊模型確定補(bǔ)償量的論域及隸屬度，補(bǔ)償量V1、V2的變化范圍取[-40，40%]，論域均取為{5,4,3,2,l,0,-1,-2,-3,-4,-5}。則尺度變換因子k1=k2=u/n=100/4=25，k3=k4=v/n=40/5=8,k1、k2、k3、k4的值對(duì)系統(tǒng)性能有較大影響，如果不合適調(diào)試時(shí)在線調(diào)整。尺度變換式為:

然后用均勻量化法將U1*變換到離散論域x0∈[-6，+6],U2*變換到y(tǒng)0∈[-6，+6]。最后將經(jīng)過尺度變換和論域變換的輸入量x0、y0進(jìn)行模糊化處理，常用的模糊化方法有單點(diǎn)模糊集合和非單點(diǎn)型模糊集合，在此采用單點(diǎn)模糊集合方法，該模糊集合分別用A′和B′表示，則有：當(dāng)x=x0時(shí)，μA′(x)=1，當(dāng)x≠x0時(shí)，μA′(x)=0；當(dāng)y=y0時(shí)，μB′(y)=1，當(dāng)y≠y0時(shí)，μB′(y)=0。

(2) 確定輸入、輸出語言變量的空間分割和隸屬度函數(shù)。根據(jù)被控參數(shù)波動(dòng)對(duì)控制精度的要求，U1、U2的語言變量x、y均分割為7個(gè)模糊語言，分別為負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、零(0)、正小(PS)、正中(PM)，正大(PB)。將補(bǔ)償量V1、V2的語言變量z、w分割為7個(gè)模糊語言，分別為:大增(IB),中增(IM ),小增(IS),不增(0),小減(SS),中減(SM),大減(SB)。每個(gè)模糊語言對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊集合，用數(shù)值表示的語言變量x、y、z、w在其離散論域上各元素的隸屬度[7]分別如表1和表2所示。

表1 x、y的隸屬度函數(shù)

表2 z、w的隸屬度函數(shù)

(3) 確定模糊解耦補(bǔ)償規(guī)則。壓力、流量的耦合性問題通過模糊解耦補(bǔ)償規(guī)則體現(xiàn)，模糊解耦規(guī)則是模糊解耦控制器的核心，它基于模糊概念，將過程控制實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)和描述[6]，可得采用IF-THEN形式的模糊解耦補(bǔ)償規(guī)則Ri和Jj，它們分別最多總共有49條，因?yàn)閤、y的模糊分割數(shù)均為7。Ri依次為“R1：如果x是NB andy是NB，則z是0；…；R49：如果x是PB andy是PB，則z是0”。Jj依次為“J1：如果x是NB andy是NB，則w是0；…；J49：如果x是PB andy是PB，則w是0”。如某條規(guī)則：IFU1=PB andU2=NB THENV1=SBV2=IB，則表示當(dāng)壓力U1=PB(很大)，流量U2=NB(很小)時(shí)，要在U1的基礎(chǔ)上增加一個(gè)V1=SB(大減)，在U2的基礎(chǔ)上增加一個(gè)V2=IB(大增)，因?yàn)閴毫1的升高,2#泵前后壓差減小,當(dāng)其開度未變時(shí),流量q卻減小了，因此，壓力調(diào)節(jié)閥開度應(yīng)該相應(yīng)減小，而變頻器開度應(yīng)該相應(yīng)增加。

如果x、y、z的語言變量值分別用Ai、Bi和Ci表示，則第i條規(guī)則“如果x是Aiandy是Bi，則z是Ci”的模糊蘊(yùn)含關(guān)系Ri定義為[8]：

如果w的語言變量值用Di表示，則第j條規(guī)則“如果x是Ajandy是Bj，則w是Dj”的模糊補(bǔ)償蘊(yùn)含關(guān)系Jj定義為：

則所有規(guī)則的總模糊補(bǔ)償蘊(yùn)含關(guān)系分別為R和J。

(4) 確定模糊補(bǔ)償查詢表?；谏鲜瞿：a(bǔ)償規(guī)則進(jìn)行模糊推理，and運(yùn)算采用求交，合成運(yùn)算采用最大-最小合成，模糊補(bǔ)償蘊(yùn)含“→”用求交，所有規(guī)則的輸出用取并的方法得到總的輸出，從而得到補(bǔ)償量的模糊集合分別為[9]：

求出某個(gè)輸入組合x0、y0時(shí)的模糊補(bǔ)償集合C′、D′后，再分別進(jìn)行清晰化計(jì)算(用最大隸屬度法)[10]，將模糊補(bǔ)償量C′、D′分別變換為清晰量Z0、W0。按上述方法，得到各種輸入組合下對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償量，形成表3所示的模糊解耦補(bǔ)償查詢表。

表3 模糊解耦補(bǔ)償查詢表

(5) 模糊補(bǔ)償查詢表的在線查詢、實(shí)時(shí)修正。將模糊查詢表3中的x0、y0信號(hào)作為離線模糊解耦查詢表的輸入，通過在線查詢預(yù)先存入PLC的查詢表即可得補(bǔ)償量的模糊值Z0、W0，最后經(jīng)解模糊化得到補(bǔ)償量V1、V2(用線性變換V1=k3×Z0，V2=k4×W0)。

2.3 最終輸出處理

用加法功能塊ADD計(jì)算H1=U1+V1、H2=U2+V2，再用量程轉(zhuǎn)換功能塊將H1、H2轉(zhuǎn)換為0～27 648的數(shù)字量。最后由PLC的AO0、AO1通道將數(shù)字量0～27 648轉(zhuǎn)換為4～20 mA信號(hào)分別送至調(diào)節(jié)閥和變頻器，進(jìn)而分別控制壓力和流量。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行

用西門子編程軟件Step7完成系統(tǒng)應(yīng)用程序編寫后，用組態(tài)王設(shè)計(jì)監(jiān)控界面，包括控制流程圖、調(diào)節(jié)閥、變頻器調(diào)節(jié)畫面以及壓力、流量、變頻器頻率、調(diào)節(jié)閥開度及趨勢(shì)曲線的顯示等。西門子MM420變頻器設(shè)置為4～20 mA工作方式(參數(shù)設(shè)置為：P0010=0、P0700=2、P1000=2)[11]，壓力-調(diào)節(jié)閥控制回路的PID0為反作用(P值為正)，流量-變頻器控制回路的PID1為正作用(P值為負(fù))。

首先系統(tǒng)置于手動(dòng)，手動(dòng)將電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度設(shè)為60%，變頻器頻率設(shè)為60%(30 Hz)，直到系統(tǒng)平衡。系統(tǒng)穩(wěn)定一段時(shí)間后，將系統(tǒng)平衡時(shí)的壓力、流量值作為設(shè)定值，這時(shí)壓力設(shè)定值為27%(即40.5 kPa，滿量程150 kPa)、流量設(shè)定值設(shè)為20%(0.6 m3/h，滿量程3 m3/h)，并根據(jù)過程控制壓力、流量單回路實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置好兩個(gè)單回路PID的初始PID參數(shù)，PID1參數(shù)設(shè)為:P=-3,I=160 000,D=0；PID2參數(shù)設(shè)為:P=2,I=150 000,D=0，然后將系統(tǒng)切換到自動(dòng)運(yùn)行(投入模糊解耦控制)。經(jīng)調(diào)試，當(dāng)PID1的參數(shù)為:P=-2,I=150 000,D=0；PID2的參數(shù):P=3,I=180 000,D=0時(shí),約在第12 min壓力、流量測(cè)量值就可穩(wěn)定運(yùn)行在設(shè)定值范圍， 約93%采樣點(diǎn)控制精度在±2%以內(nèi)，控制效果良好。為測(cè)試解耦效果，約在第18 min 17 s做設(shè)定值擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，如圖3所示。首先改變壓力設(shè)定值(由27% 變?yōu)?0%)，從圖3曲線可看出,系統(tǒng)快速響應(yīng)，壓力迅速上升且無超調(diào)量，并約在30 s內(nèi)重新穩(wěn)定在新的設(shè)定值范圍內(nèi)，控制精度能達(dá)到±2%范圍內(nèi)，而流量?jī)H在壓力設(shè)定值改變的瞬間有較小波動(dòng)便迅速穩(wěn)定下來，可見流量受壓力控制回路影響很小，幾乎沒有很明顯變化。系統(tǒng)重新穩(wěn)定后，改變流量設(shè)定值(由20%變?yōu)?2.5%)，從圖3曲線可看出，流量迅速上升超調(diào)量很小，并約在15 s內(nèi)迅速達(dá)到并穩(wěn)定在新的設(shè)定值范圍，而壓力幾乎始終未受流量控制回路的影響，始終保持在設(shè)定值范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 模糊解耦控制運(yùn)行畫面

而采用常規(guī)PID方法的原有系統(tǒng)對(duì)該壓力、流量控制時(shí)的運(yùn)行曲線如圖4所示，系統(tǒng)運(yùn)行了24 min壓力仍然不能穩(wěn)定運(yùn)行在設(shè)定值范圍內(nèi)，壓力波動(dòng)較大，難以獲得滿意的控制效果。當(dāng)改變壓力設(shè)定值時(shí)，不但壓力測(cè)量值的波動(dòng)較大，不能重新穩(wěn)定在新的設(shè)定值范圍內(nèi)，運(yùn)行過程85%以上采樣點(diǎn)的偏差達(dá)到6～8%以上；受壓力設(shè)定值改變的影響流量值也明顯下降且與設(shè)定值的偏差越來越大，根本無法重新回到設(shè)定值范圍，可見流量受壓力的影響很大。當(dāng)改變流量設(shè)定值時(shí)，流量跟隨設(shè)定值變化的幅度很小，穩(wěn)態(tài)偏差達(dá)到10%以上，完全不能達(dá)到設(shè)定值范圍。受流量變化的影響壓力也有1個(gè)很明顯的超調(diào)量，其波動(dòng)也越來越大。由圖4可見，系統(tǒng)運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間也無法重新穩(wěn)定在設(shè)定值范圍，控制效果差，無法滿足工藝要求。

圖4 單回路PID運(yùn)行畫面

通過比較可見，采用模糊解耦控制與原有閉環(huán)單回路控制相比具有良好的解耦和控制效果，模糊解耦控制提高了系統(tǒng)的控制精度、響應(yīng)速度、抗干擾能力等[12]，有效解決了壓力、流量間的復(fù)雜耦合干擾，控制性能明顯提高[13]。

4 結(jié) 語

本文介紹的壓力-流量模糊解耦控制系統(tǒng)，融合了PID控制、模糊控制和解耦控制技術(shù)，在不增加硬件成本前提下，利用軟件編程在原有實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行二次開發(fā)來實(shí)現(xiàn)智能解耦控制，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)A3000過程控制實(shí)驗(yàn)裝置的不足[14]，滿足了開展智能解耦控制創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)的需要，能讓學(xué)生將過程控制領(lǐng)域的理論知識(shí)與工程實(shí)踐得到有機(jī)結(jié)合[15]，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

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The Design and Realization of the Intelligent Decoupling Control Experiment for the Process Control Experimental Device

MAIXuefeng

(School of Electrical and Information Engineering, Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006, Guangxi, China)

The current status can only open process control routine experiment, but cannot carry out the practice of teaching intelligent decoupling control. By using Siemens STEP7 programming software and configuration king software, the existing A3000 process control experimental devices were modified to develop a pressures-flow intelligent decoupling control system. Intelligent decoupling control strategy was introduced, program was developed, monitoring interface was designed and system debugging was operated. The experiment improved experimental conditions for intelligent decoupling control, it is meaningful for our hospital laboratory construction.

intelligent decoupling control; process control; experimental device; A3000

2016-09-25

麥雪鳳(1966-)，女，廣西柳州人，副教授，主要從事過程控制、智能控制教學(xué)及科研工作。

Tel.：18172145110;E-mail:mxf1806@aliyun.com

TP 273.4

A

1006-7167(2017)05-0139-05