換熱器復合控制系統(tǒng)設計與仿真

（西華大學 電氣與電子信息學院，四川 成都 610039）

在我國，換熱器涉及的領(lǐng)域眾多，已成為現(xiàn)代工業(yè)必不可缺的重要設備。不管是哪一種換熱器，工業(yè)領(lǐng)域都對換熱器的控制精度和效率有要求。此次設計的對象存在變化幅度大、變化速度快的干擾；另一方面蒸汽流量對物料溫度的影響速度較慢而且具有一定的滯后，致使控制中物料出口溫度波動較大。所以考慮采用復合控制，即動態(tài)前饋-simth控制復合。[1]主要干擾通過動態(tài)前饋控制得到即時的修正，simth控制補償被控對象中的滯后因素。該復合控制不僅工程上相對容易實現(xiàn)，還具備相當高的控制精度。

1 對象分析

1.1 換熱器工作流程

通過換熱器的接口，冷凝裝置等部分，等熱蒸汽通過裝置的時候，通過冷蒸汽的充分接觸，最后實現(xiàn)了熱量交換，起到降溫的作用。[2]

1.2 換熱器控制目標與要求

設計一個復合控制系統(tǒng)，來解決換熱器工作時，存在的幅值變化大、速度變化快的干擾問題，以及對于蒸汽流量的滯后因素，進行補償設計。

1.3 換熱器復合控制相關(guān)分析

首先，換熱器工作時，冷物料進入換熱器，加熱后的蒸汽通過換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)傳導給物料，實現(xiàn)加熱，所以物料的出口溫度是被控量，這里用Y(s)表示。[3]

然后控制量的選擇，對于同一個換熱器，能夠控制Y(s)的變量主要有物料的流量f（t）、蒸汽流量q（h），這里我們選擇蒸汽流量q（h）作為唯一的控制變量。該控制系統(tǒng)顯然是恒值控制，因為從被控量的特點看，換熱器的出口溫度應該穩(wěn)定在某一數(shù)值，才能達到工業(yè)要求。最后，因為換熱器工作的動態(tài)特性復雜、存在干擾幅值大、速度變化快，因此需要很高的控制品質(zhì)，所以這里選擇pi控制。[4]

2 總體方案設計

2.1 方案一：閉環(huán)單回路反饋控制

即只有一個負反饋回路，在反饋回路內(nèi)只要有干擾存在，調(diào)節(jié)適當?shù)膮?shù)總能得到較好的控制效果，由換熱器工作原理可知，倘若主要干擾為冷物料的入口溫度、蒸汽壓力且不考慮前饋干擾，那么采用該方案能夠達到較好的控制效果。但由于實際工作環(huán)境的影響這套方案并不可取，所以提出方案二。

2.2 方案二：動態(tài)前饋-反饋復合控制

又稱為擾動補償系統(tǒng)，前饋控制分為動態(tài)前饋和靜態(tài)前饋兩種。靜態(tài)前饋控制能讓靜態(tài)偏差趨于零，控制比較簡單，動態(tài)偏差可以忽略的時候，往往采用靜態(tài)前饋；當需要克服幅值較大、變化較快的干擾時，需要用到動態(tài)前饋控制，做到時時刻刻都及時消除較大干擾的影響，達到系統(tǒng)的穩(wěn)定，提高控制精度。采用該復合控制能夠把動態(tài)誤差消除干凈，但由于對象通道存在滯后，該方案不能達到穩(wěn)定。[5]

2.3 方案三：動態(tài)前饋-反饋-simth預估補償復合控制

因為設計要求中，對象傳遞函數(shù)中存在滯后因素，所以應再添加simth補償控制，來消除滯后分量。此方案既能保證動態(tài)前饋控制對于幅值變化大、變化快的控制質(zhì)量，又通過反饋回路對蒸汽壓力等靜態(tài)干擾進行克服，同時利用了simth補償器的設置，把對象函數(shù)里面的滯后因子消除，達到精確的控制效果。[6]

設原對象通道傳遞函數(shù)：

2.4 方案的仿真比較與選擇

假設采取方案一：閉環(huán)單回路控制，在無動態(tài)干擾時，仿真得出很好的控制效果。

無干擾仿真結(jié)論：通過閉環(huán)控制，在調(diào)節(jié)好pid參數(shù)之后，系統(tǒng)超調(diào)量在30%左右，經(jīng)過兩次震蕩，在120秒左右達到穩(wěn)定，可以取得良好效果。

然后對比用噪聲信號模擬干擾，對系統(tǒng)進行抗干擾測試,發(fā)現(xiàn)不具備抗干擾能力。

抗干擾結(jié)論：對比發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)對于動態(tài)干擾完全不具備抵抗能力，也說明該方案無法在換熱器工作時采用。

方案一結(jié)論：雖然閉環(huán)反饋單回路控制成本低、系統(tǒng)簡單便于實現(xiàn)，但對于動態(tài)干擾等因素的影響，該系統(tǒng)呈現(xiàn)高頻震蕩，完全無法穩(wěn)定，無法抵抗動態(tài)干擾。[7]

提出方案二：動態(tài)前饋-反饋系統(tǒng)控制，假設不考慮對象通道中的滯后因素，添加存在幅值變化大、速度變化快的干擾時仿真測試，發(fā)現(xiàn)工作情況良好。通過仿真測試后，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)完全無法穩(wěn)定。

結(jié)論：系統(tǒng)變得不再穩(wěn)定，這是因為設置的前饋通道來抵消干擾通道的作用時，前向通道中有純滯后因子作用，即抵消因子始終會滯后干擾影響一個相位差，所以系統(tǒng)穩(wěn)定性變得惡劣，同時不具備抵抗干擾的能力。[8]

故提出方案三，在方案二的基礎(chǔ)上應用simth預估補償器來抵消純滯后的影響，仿真測試曲線得知，系統(tǒng)工作非常好，達到了控制要求。

結(jié)論：通過測試，發(fā)現(xiàn)方案三對于滯后因素的處理比較合理，它不僅兼顧了動態(tài)前饋對于動態(tài)干擾的處理，還能在基礎(chǔ)上消除滯后的影響。[9]

下面進行噪聲干擾仿真與分析：

結(jié)論與改進：該干擾直接加在被控對象上，相比于原來結(jié)構(gòu)多了一個噪聲干擾，而原有結(jié)構(gòu)并沒有對新干擾進行備用前饋回路的設計，所以系統(tǒng)無法抵抗此情況下的干擾。要糾正此缺陷，可以如法炮制，在相應回路添加前饋裝置和simth補償器。另一方面也可通過設置微分環(huán)節(jié)和動態(tài)前饋裝置的共同作用，重新整定參數(shù)，消除多余的干擾影響

綜合上述分析：方案三＞方案二＞方案一，在設計要求中，方案三，可以解決靜態(tài)干擾、動態(tài)干擾、還能消除對象通道中的滯后因素，在實際換熱器工作時，這樣的結(jié)構(gòu)也能夠?qū)崿F(xiàn)。

3 調(diào)節(jié)閥和調(diào)節(jié)器的選擇

調(diào)節(jié)閥的選用，因為這里的唯一控制量是蒸汽流量q（h），所以選擇氣動調(diào)節(jié)閥。我們知道氣開式調(diào)節(jié)閥隨著控制信號的增加而開度增加，當無壓力控制信號時，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)；氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥隨著壓力信號增加而閥門開度減小，無信號時則全開。所以根據(jù)第一條原則：人身安全、系統(tǒng)與設備安全，這里應該選用氣開式調(diào)節(jié)閥，可保證事故發(fā)生時，調(diào)節(jié)閥處于全關(guān)位置，從而阻斷換熱器持續(xù)通入高溫蒸汽，避免損壞設備。最后在保障產(chǎn)品質(zhì)量、避免浪費等原則上看，選擇氣開閥也相對合理。根據(jù)氣開閥的原理，可以判斷氣開調(diào)節(jié)閥是正作用。[10]

4 控制規(guī)律選擇

這里先對比p、pi、pd、pid等控制的優(yōu)缺點，然后結(jié)合設計和換熱器實際工作要求，選出合理的控制規(guī)律。

本設計中存在的干擾有物料流量、蒸汽壓力、冷物料入口溫度以及被控對象中含有明顯的滯后環(huán)節(jié)等，以及換熱器在工作時，對物料出口溫度有比較嚴格的要求，一般都在一個常值附加。所以結(jié)合有滯后、要無差調(diào)節(jié)等特點，在這里選擇了pi控制。

5 控制器參數(shù)整定

控制器的參數(shù)整定即通過一定方法設置p、i、d對應的參數(shù)來確定系統(tǒng)最佳的狀態(tài)，從而達到一個較好的動態(tài)指標。常見的方法如下：

5.1 穩(wěn)定邊界法

一般也叫臨界比例度法，具體的邏輯就是先p后pi最后pid。先僅有比例調(diào)節(jié)作用，把參數(shù)從大往小調(diào)試，產(chǎn)生等幅震蕩之時就是記錄臨界比例度Pm和震蕩周期Tm時，然后根據(jù)經(jīng)驗公式，做定值擾動實驗，讓過渡曲線達到要求即可。此整定方法應用較廣，但也存在一定局限性，從調(diào)試過程不難發(fā)現(xiàn)，需要產(chǎn)生等幅震蕩，那么對于一些生產(chǎn)過程在一定時間內(nèi)根本無法產(chǎn)生等幅震蕩，則該整定方法也就失效。

5.2 衰減曲線法

在穩(wěn)定邊界法上衍生出的一種整定方法，同樣道理先讓p作用，調(diào)試到系統(tǒng)達到衰減震蕩曲線，以衰減率為指標，用0.75為分水嶺，大于它說明衰減過快，小于它說明衰減太慢。然后記錄相應的震蕩周期和比例度，不斷調(diào)試，直到衰減率達到0.75，此時控制質(zhì)量比較好。

5.3 經(jīng)驗法

看整定名就可以知道，根據(jù)一定經(jīng)驗來配置合理的參數(shù)，在具體操作時，也是先調(diào)好比例系數(shù)，然后是積分調(diào)誤差，最后是微分增強控制作用。

綜合對比以上參數(shù)整定的方法各有優(yōu)劣，本次設計過程中，考慮了換熱器工作的實際情況以及仿真pi的模塊，參數(shù)整定頗為簡單，所以選用了經(jīng)驗法。

5.4 整定參數(shù)過程

由于被控對象中含有純滯后環(huán)節(jié)，相角滯后，閉環(huán)控制穩(wěn)定性變差，所以這里需要減小P的值，即剛開始把P放在1附近，積分系數(shù)放一個很大的數(shù)，微分系數(shù)置零。得到輸出波形，發(fā)現(xiàn)完全不穩(wěn)定，需要調(diào)節(jié)比例度。

即再不斷縮小P的過程中，均沒有太大變化，說明光調(diào)節(jié)P不能實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。故而開始調(diào)節(jié)積分時間Ti，因為積分時間越短，消除靜態(tài)誤差的效果越好，所以經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，比例度在0.1、積分常數(shù)在0.02附近比較好，此時的仿真測試圖比較理想。

此系統(tǒng)已達到穩(wěn)定，消除了誤差，調(diào)節(jié)時間在90秒。所以pi調(diào)節(jié)能夠得到較好的精度。

6 仿真軟件介紹

本次設計采用MATLAB里面的仿真模塊sumilink，MATLAB是一款功能非常強大的軟件，不管是數(shù)學、工科學，很多相關(guān)的設計與仿真都離不開該軟件，設計的復合控制系統(tǒng)就通過MATLAB內(nèi)含sumilink的組件搭建起來的，不管是簡單的單回路控制還是復雜控制系統(tǒng)設計，里面都有對應的模塊實現(xiàn)，只需要按照設計好的控制流程圖連接起來即可，在仿真方面可以通過示波器連接輸出，觀察工作曲線的變化趨勢和穩(wěn)定值，判斷復合控制系統(tǒng)是否設計好。

7 結(jié)論

通過方案的設計與對比，系統(tǒng)的測試與仿真，發(fā)現(xiàn)動態(tài)前饋-反饋-simth復合控制能夠解決設計要求中大幅且快速的干擾、以及對象通道中含有的滯后分量，對應的仿真測試結(jié)果和預期基本吻合。該復合控制的優(yōu)點在于在結(jié)構(gòu)上處理了滯后和干擾的影響，對于控制環(huán)節(jié)的pid影響不大，對于特殊存在的干擾有很高的控制精度。該復合控制的缺點也比較明顯，如果滯后時間常數(shù)計算不精確，得出的simth補償裝置就不能很好地彌補滯后分量，同樣在換熱器實際工作時，如果系統(tǒng)對象和干擾通道的傳遞函數(shù)計算不精確，動態(tài)前饋裝置也無法得到很好的補償效果，那么就會產(chǎn)生很大的誤差，達不到很好的控制效果。所以針對補償滯后而言，可以使用微分環(huán)節(jié)，來抵消滯后影響，最后不斷調(diào)試出合理的pid參數(shù)。