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)計與運行

馮愛祥 李明駿 羅雄麟

(中國石油大學(北京)信息工程學院)

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)計與運行

馮愛祥 李明駿 羅雄麟

(中國石油大學(北京)信息工程學院)

對常規(guī)控制加以改進，以變工況控制作為補充控制策略來處理大范圍設(shè)定值的變化。重點介紹該集成控制方案的設(shè)計與實現(xiàn)。使用選擇控制結(jié)構(gòu)實現(xiàn)切換控制效果；對PI控制的輸出進行隨動限幅；針對實際操作中可能遇到的非穩(wěn)態(tài)起點控制設(shè)計相應(yīng)的處理措施；采用Visual Basic構(gòu)建控制系統(tǒng)主程序，通過調(diào)用Matlab/Simulink完成相關(guān)計算。實驗結(jié)果表明：以變工況控制作為補充的集成控制方案能夠較好地實現(xiàn)對非線性對象大工況變化的調(diào)節(jié)。

變工況 Bang-Bang控制 選擇控制

符號說明

A——控制響應(yīng)速度；

B——石棉瓦升溫的動態(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——當前加熱爐的實際測量溫度；

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——被控對象輸入值；

usp——設(shè)定值對應(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。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，實際工業(yè)對象越來越復雜，控制難度有所增加；同時，對經(jīng)濟效益的追求促使企業(yè)不斷改進生產(chǎn)流程，對過程控制效果的要求也越來越高。常規(guī)PID控制在實際工業(yè)現(xiàn)場中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，但在處理大范圍的工況變化時極易出現(xiàn)超調(diào)量過大或調(diào)節(jié)時間過長的問題，如果不加以改進，不僅影響企業(yè)的經(jīng)濟效益，還會對安全生產(chǎn)造成隱患。

各類控制方法雖然取得了長足的發(fā)展，但受制于對象模型的準確度、測量精度及干擾因素等的影響，理論的控制效果與實際效果必然會存在差距。而且，在實際控制系統(tǒng)中，控制方案的實現(xiàn)不能過于復雜，如果因為控制方案部署復雜而對整個系統(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的變工況控制來處理大工況變化。文獻[1]主要解決了Bang-Bang控制切換點和WRC控制啟動閾值的求取，仿真實驗結(jié)果驗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)，來完成變工況集成控制方案的工程實現(xiàn)。

通常來說，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)。選擇器實現(xiàn)的是邏輯運算，把邏輯運算引入控制算法，豐富了自動化的內(nèi)容和范圍，使生產(chǎn)中更多的實際控制問題得以很好地解決[2]。選擇性控制早在單元組合儀表時代就已經(jīng)產(chǎn)生，如今已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制過程，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]的工程實現(xiàn)，使用選擇性控制結(jié)構(gòu)實現(xiàn)切換控制效果。討論控制方案在實際控制過程中可能遇到的問題，并提出相應(yīng)的措施。通過仿真實驗驗證該控制方案的可行性，并將它應(yīng)用到實驗室加熱爐的控制中。

1 集成控制方案實現(xiàn)的設(shè)計與分析

1.1 集成控制方案的結(jié)構(gòu)

文獻[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，變工況控制作為補充控制策略應(yīng)對大范圍的工況調(diào)節(jié)。如圖1所示，在實施變工況控制的過程中，除了Bang-Bang控制自身的切換點①外，還存在另一個切換點②(即Bang-Bang控制與PI控制的切換點)，二者選取不當都會劣化整體的控制效果。文獻[1]以加熱爐升溫過程為例，給出了切換點①的計算方法，但沒有詳細討論切換點②，原因是基于對象模型的理論計算幾乎不存在誤差，當升溫慣性完全消失時(即溫度達到最高點)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。但在實際控制過程中，要達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際控制效果對比

筆者提出使用選擇性控制實現(xiàn)切換控制效果。如圖1所示，由文獻[1]方法求得WRC控制啟動閾值Yth，以此閾值為界將整個控制過程分為兩部分：當被控變量當前值Y與設(shè)定值Ysp的差值e1大于閾值Yth時，Bang-Bang控制作用；當e1小于Yth時，PI控制介入，因此也稱Yth為選擇控制閾值。為了實現(xiàn)分區(qū)域控制，設(shè)計一個帶有低值選擇器的數(shù)字邏輯電路。在控制過程初期，選擇控制器的輸出等同于Bang-Bang控制，此時PI控制雖無作用效果，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)貫穿于整個控制過程，這樣PI控制切入作用后不會對它自身產(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現(xiàn)方案具有結(jié)構(gòu)簡單且易于組態(tài)的特點。

圖2 變工況控制的工程實現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 控制器輸出曲線

1.2 非穩(wěn)態(tài)起點的控制過程分析

對實際工業(yè)對象的控制往往是將它由一個穩(wěn)態(tài)調(diào)整到另一個穩(wěn)態(tài)，但是由于調(diào)節(jié)過程會持續(xù)一定的時間，可能會遇到在調(diào)節(jié)過程中臨時改變目標值的情況，即由一個非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)為起點調(diào)節(jié)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。以文獻[1]中的加熱爐模型為例，升溫過程分為全副升溫和緩沖升溫兩個階段。令舊設(shè)定值為Tsp，新設(shè)定值為Tsp′，輸入時刻為t′，輸入新設(shè)定值時加熱爐狀態(tài)為(T′,ω′)，在輸入時刻令輸入電壓為零，經(jīng)慣性升溫后能達到的最高溫度為Tmax′。以非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)為起點輸入新設(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′時刻需要立刻輸入最大電壓，相當于以點A(T′，ω′)為起點計算一次升溫過程的控制路徑，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 工程實現(xiàn)

電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的硬件(型號見表1)包括：電加熱爐、主控計算機、信號采集卡、K型熱電偶和可控硅調(diào)壓器[9]。熱電偶采集實時爐溫并將所采集的數(shù)據(jù)傳送到主控機，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，控制程序根據(jù)擬定的控制算法計算出調(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

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、不對稱性非線性對象。文獻[10]分析了實驗室加熱爐的結(jié)構(gòu)(圖7)，將輸入電壓作用到爐內(nèi)溫度上升的過程分為兩個部分：電阻絲驅(qū)動石棉瓦升溫和石棉瓦驅(qū)動鋼段升溫，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數(shù)據(jù)擬合得到，ω為系統(tǒng)模型的中間變量。出于對實驗器材的保護考慮，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時溫度尚未達到200℃，控制系統(tǒng)判斷當前緩沖的最高溫|Tmax′-Tsp2|>Tth，需再次啟動WRC控制完成調(diào)節(jié)過程。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控制在較短時間內(nèi)完成了調(diào)節(jié)過程，而純PI控制在連續(xù)的工況變化中表現(xiàn)較差，不能在有限的時間里達到控制要求。

圖7 實驗室電加熱爐內(nèi)部示意圖

2.2 實驗室加熱爐實驗

加熱爐控制系統(tǒng)以Visual Basic為平臺，通過ActiveX調(diào)用Matlab/Simulink完成相關(guān)的計算功能，包括Bang-Bang控制切換值Tsw、目標值穩(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)仿真控制效果對比

圖10 加熱爐系統(tǒng)實際控制效果

3 結(jié)束語

筆者介紹了變工況集成控制方案的工程實現(xiàn)。首先，采用選擇控制結(jié)構(gòu)，通過設(shè)置選擇控制閾值實現(xiàn)分區(qū)域的切換控制效果；通過穩(wěn)態(tài)模型計算出設(shè)定值對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)輸入值，以此對PI控制的輸出進行隨動限幅；討論了實際操作中可能遇到的非穩(wěn)態(tài)起點控制的幾種具體情況，設(shè)計了相應(yīng)的控制算法；采用Visual Basic構(gòu)建控制系統(tǒng)主程序，通過調(diào)用Matlab/Simulink完成相關(guān)計算。實驗結(jié)果表明，基于選擇控制結(jié)構(gòu)的變工況控制方案簡化了控制流程，具有結(jié)構(gòu)簡單易于組態(tài)實現(xiàn)的特點。

[1] 李明駿,羅雄麟,谷明章.變工況條件下Bang-Bang控制與常規(guī)PID控制的集成設(shè)計與分析[J].化工自動化及儀表,2016,43(9):901～905.

[2] 蔣慰孫,俞金壽.過程控制工程[M].北京:中國石化出版社,2004:240～242.

[3] 劉坤,陳今潤,呂郁青,等.直線雙倒立擺的雙閉環(huán)選擇型模糊控制系統(tǒng)[J].重慶工學院學報(自然科學版),2009,23(6):87～89.

[4] 逯建權(quán),鄭龍.PMK調(diào)節(jié)器實現(xiàn)閥位選擇復雜控制系統(tǒng)[J].化工自動化及儀表,2010,37(6):101～103.

[5] 牛培峰,朱鐵一,李國勝,等.循環(huán)流化床燃燒過程自適應(yīng)雙環(huán)選擇控制系統(tǒng)[J].青島海洋大學學報(自然科學版),2003,33(3):462～468.

[6] 史麗萍,孫晉璐,翟福軍.有源電力濾波器控制延時補償方法研究[J].電氣傳動,2013,43(4):70～73.

[7] 陳晗,劉飛躍.軸流壓縮機的防喘振控制[J].化工機械,2010,37(3):287～291.

[8] 羅雄麟,左瑞香,馮愛祥.化工過程非穩(wěn)態(tài)開工的緩沖升溫修正切換控制[J].化工學報,2015,66(2):647～654.

[9] 馮愛祥.基于Petri網(wǎng)的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)[J].化工自動化及儀表,2011,38(10):1168～1170.

[10] 徐寶昌,蔡勝清,馮愛祥,等.變工況切換過程的Petri網(wǎng)自主預(yù)測與控制[J].化工學報,2016,67(3):839～845.

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，從事控制理論與過程控制、化工系統(tǒng)工程及機器學習等領(lǐng)域的研究，luoxl@cup.edu.cn。