余松聲,任正云

　　(東華大學(xué) 自動(dòng)化系, 上海 201620)

　　摘要：不可測(cè)量的大干擾廣泛存在于過(guò)程工業(yè)中，采用常規(guī)控制策略難以對(duì)其進(jìn)行很好的抑制。針對(duì)這種現(xiàn)象，以預(yù)測(cè)PI算法為主體，設(shè)計(jì)一種新型的快速抗大干擾控制算法。這種算法的主體思想是：當(dāng)被控變量在期望的控制范圍之內(nèi)，預(yù)測(cè)PI控制算法可以對(duì)其進(jìn)行有效的控制，當(dāng)被控變量超過(guò)期望的范圍時(shí)，控制器輸出增大或者減小到可容許的極限值。仿真和實(shí)際工業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)表明：對(duì)于復(fù)烤生產(chǎn)線中烤房溫度這一具有大干擾的大慣性、大滯后過(guò)程，采用該算法可以有效提高調(diào)節(jié)速率、減少波動(dòng)等問(wèn)題，以保證控制品質(zhì)和精度達(dá)到規(guī)定的工藝技術(shù)指標(biāo)，滿足了工藝的生產(chǎn)要求，提升了產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)降低了返料的次數(shù)，節(jié)約了能耗。

　　關(guān)鍵詞：時(shí)滯；大干擾；預(yù)測(cè)PI控制；烤房溫度；片煙含水率；片煙復(fù)烤機(jī)

0引言

　　對(duì)于存在于工業(yè)生產(chǎn)中的干擾現(xiàn)象，現(xiàn)有的控制方案有前饋補(bǔ)償控制、重復(fù)控制以及頻率辨識(shí)等算法，這些控制策略要求干擾信號(hào)是已知或者可測(cè)量的，然而實(shí)際的干擾大多是未知且不可測(cè)的，從而導(dǎo)致了這些算法在工業(yè)中的控制效果并不理想。并且基于頻率辨識(shí)的抗干擾算法存在調(diào)節(jié)周期長(zhǎng)、響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)。而相比于這些方案，雖然BangBang控制對(duì)抑制未知的大幅度擾動(dòng)作用效果顯著，但是它的控制函數(shù)總是取在允許控制的邊界上，或者取最大，或者取最小，僅僅在這兩個(gè)邊界值上進(jìn)行切換，導(dǎo)致控制輸出產(chǎn)生震蕩和波動(dòng)。對(duì)于這種不可測(cè)的大干擾，還沒(méi)有專門(mén)的一個(gè)處理方案，無(wú)法很好地解決這類問(wèn)題［1］。而該研究方向，目前國(guó)內(nèi)所開(kāi)展的研究也很少。因此，結(jié)合實(shí)際復(fù)烤廠工業(yè)應(yīng)用，在當(dāng)前沒(méi)有較好的抗大干擾控制方案的情況下，本文提出一種行之有效的控制算法。

1基于預(yù)測(cè)PI的抗大干擾控制算法

　　對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)中存在的大干擾，采用單純的預(yù)測(cè)PI不能夠補(bǔ)償較大的擾動(dòng)，控制輸出仍然會(huì)有很大的震蕩。因此，本文提出一種基于預(yù)測(cè)PI的改進(jìn)的新型抗大干擾控制算法。改進(jìn)后的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　其中，GC1為預(yù)測(cè)PI控制器，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。Gp為慣性加純滯后被控對(duì)象，傳遞函數(shù)為。|Abs|為系統(tǒng)設(shè)定值和系統(tǒng)輸出的誤差的絕對(duì)值，k1為系統(tǒng)全開(kāi)時(shí)的輸出閾值，k2為系統(tǒng)全關(guān)時(shí)的輸出閾值。

　　對(duì)于該控制系統(tǒng)，當(dāng)控制輸出與設(shè)定點(diǎn)的誤差大于比較器1的閾值時(shí)，由比較器2的輸出作為被控對(duì)象的輸入。此時(shí)，如果系統(tǒng)控制輸出小于系統(tǒng)設(shè)定點(diǎn)時(shí)，比較器2的輸出為k1，控制器全開(kāi)，使得控制輸出快速接近設(shè)定點(diǎn)；反之，當(dāng)系統(tǒng)控制輸出大于系統(tǒng)設(shè)定點(diǎn)時(shí)，比較器2的輸出為k2，控制器全關(guān)，系統(tǒng)反向調(diào)節(jié)。在以上情況下，預(yù)測(cè)PI控制器仍然在進(jìn)行控制調(diào)整，只是沒(méi)有作用于對(duì)象上。當(dāng)系統(tǒng)控制輸出與設(shè)定點(diǎn)的誤差小于比較器1的閾值時(shí)，切換到主控制器預(yù)測(cè)PI來(lái)進(jìn)行控制。

2控制算法仿真研究

　　這里設(shè)被控對(duì)象，干擾信號(hào)為正弦信號(hào)，幅度為3，控制輸入為1。分別采用基于系統(tǒng)辨識(shí)的重復(fù)控制算法和基于預(yù)測(cè)PI的抗大干擾控制算法進(jìn)行仿真研究。

　　2.1算法1

　　采用改進(jìn)的重復(fù)控制通過(guò)頻率辨識(shí)器［2］在線辨識(shí)出周期性干擾信號(hào)的頻率，并把輸出頻率送入控制器中，在線得到控制信號(hào)。通過(guò)控制器產(chǎn)生與周期性干擾信號(hào)頻率相同的振蕩信號(hào)在線抑制周期性干擾信號(hào)，最終使系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。其中，GC1為重復(fù)控制器，GC2為預(yù)測(cè)PI控制器，而Gp為被控對(duì)象。

　　仿真結(jié)果如圖4所示，經(jīng)過(guò)早期振蕩，系統(tǒng)能夠辨識(shí)出干擾的頻率大小，整個(gè)過(guò)程的輸出經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的振蕩最終能夠達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。但是該算法對(duì)干擾的可辨識(shí)度要求較高，如果干擾發(fā)生變化，或者振幅波形發(fā)生變化，那么該重復(fù)控制器的在線頻率辨識(shí)器就要重新進(jìn)行辨識(shí)。而實(shí)際的片煙復(fù)烤工業(yè)控制中干擾是不可測(cè)的，并且需要控制算法很快地響應(yīng)，該算法在實(shí)際應(yīng)用中還是存在一定的局限性［3］。

　　2.2算法2

　　采用基于預(yù)測(cè)PI的抗大干擾控制策略，其中比較器1的閾值設(shè)定為0.1，即當(dāng)輸入輸出誤差在0.1以上時(shí)烤房蒸汽閥位全開(kāi)或者全關(guān)控制烤房?jī)?nèi)溫度；在烤房溫度誤差為0.1以下時(shí)，采用主控制器預(yù)測(cè)PI進(jìn)行控制。這里系統(tǒng)全開(kāi)的系數(shù)k1為3，全關(guān)的系數(shù)k2為-1。在該算法的控制下，系統(tǒng)中的大干擾對(duì)控制輸出的影響得到了很好的抑制，輸出在設(shè)定點(diǎn)上下0.1左右浮動(dòng)，如圖5所示。

　　當(dāng)干擾模型失配時(shí)（正弦干擾變?yōu)槿遣ǜ蓴_），仿真圖如圖6所示，可以看出該算法對(duì)系統(tǒng)中的大干擾仍然有很好的抑制作用，控制誤差依舊在0.1左右浮動(dòng)。

　　對(duì)比兩種仿真控制效果，基于系統(tǒng)辨識(shí)的重復(fù)控制算法對(duì)大干擾的辨識(shí)度要求高，存在著局限性，并不能有效地解決大干擾對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)的影響。相反，基于預(yù)測(cè)PI的抗大干擾控制算法可以使系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間短，響應(yīng)速度快，即使在大干擾模型失配的情況下，對(duì)控制輸出的精度仍然保持在合理范圍內(nèi)，有效地解決了具有大慣性大滯后特點(diǎn)的被控對(duì)象在大干擾影響下輸出波動(dòng)大，響應(yīng)速度慢，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)等難點(diǎn)。

3實(shí)際工業(yè)控制中的應(yīng)用

　　3.1工業(yè)背景以及現(xiàn)狀

　　真空回潮是生產(chǎn)紙煙的頭道工序，使原料更適于煙葉復(fù)烤加工。該過(guò)程需要大量的蒸汽壓力，會(huì)對(duì)整個(gè)蒸汽管網(wǎng)的壓力有很大的影響。而片煙復(fù)烤過(guò)程的干燥區(qū)就是通過(guò)調(diào)節(jié)蒸汽閥門(mén)開(kāi)度控制干燥室內(nèi)部溫度。在某些沒(méi)有穩(wěn)壓器的煙草廠，當(dāng)煙草進(jìn)行真空回潮處理時(shí)，干燥區(qū)的蒸汽壓力急劇下降，反之當(dāng)處理完成時(shí)，干燥區(qū)的蒸汽壓力又會(huì)上升，造成了對(duì)干燥區(qū)溫度控制的大干擾，使得片煙復(fù)烤過(guò)程的干燥區(qū)溫度波動(dòng)大，難以穩(wěn)定在設(shè)定點(diǎn)。

　　當(dāng)前復(fù)烤過(guò)程中的主要問(wèn)題表現(xiàn)為：烤房的溫度控制系統(tǒng)為大滯后大慣性的對(duì)象，并存在蒸汽管網(wǎng)壓力波動(dòng)帶來(lái)的大干擾。如果采用單純的預(yù)測(cè)PI控制算法控制，干燥區(qū)的溫度仍然會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，干擾不能得到抑制，這種情況下會(huì)影響冷房對(duì)含水率的控制。在干擾較大時(shí)經(jīng)常造成因出口含水率不合格等問(wèn)題而返料，降低了效率，大大增加了生產(chǎn)周期。

　　3.2控制方案與應(yīng)用

　　以干燥區(qū)溫度作為調(diào)節(jié)手段，構(gòu)成冷區(qū)水分與干燥區(qū)溫度串級(jí)控制。針對(duì)干燥區(qū)存在的由蒸汽管網(wǎng)壓力波動(dòng)造成的大干擾問(wèn)題，采用基于預(yù)測(cè)PI的抗大干擾控制算法，首先以熱蒸汽的流量控制各個(gè)干燥區(qū)的溫度，在此基礎(chǔ)上，以冷區(qū)水分為控制目標(biāo)，調(diào)整每個(gè)干燥區(qū)的溫度設(shè)定值。當(dāng)系統(tǒng)干燥區(qū)溫度出現(xiàn)偏差，并且偏差在閾值以內(nèi)時(shí)，預(yù)測(cè)PI控制器及時(shí)給出調(diào)節(jié)要求，當(dāng)偏差超過(guò)閾值時(shí)，說(shuō)明真空回潮處理影響了干燥區(qū)的蒸汽壓力，這時(shí)蒸汽閥門(mén)全開(kāi)或者全關(guān)，快速調(diào)節(jié)溫度接近設(shè)定點(diǎn)。

　　3.3實(shí)際運(yùn)行效果

　　卷煙復(fù)烤廠將復(fù)烤生產(chǎn)線的蒸汽管網(wǎng)壓力波動(dòng)大、溫度不易控制、干擾不可測(cè)且影響大等問(wèn)題作為突破口，采用新型抗大干擾先進(jìn)控制算法實(shí)現(xiàn)復(fù)烤廠的復(fù)烤線溫度的自動(dòng)控制，取得了較好的控制應(yīng)用效果。

　　圖7為新型抗大干擾控制算法在復(fù)烤廠干燥區(qū)溫度控制中的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

　　干燥區(qū)根據(jù)濕度調(diào)節(jié)相應(yīng)的控制蒸汽閥位開(kāi)度來(lái)改

　　變干燥室的溫度，從而使得含水量的控制符合工藝的精度，根據(jù)冷房水分較頻繁地改變干燥區(qū)的溫度設(shè)定值進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。從圖7可以看出，在時(shí)間1.4×104左右，此時(shí)的溫度設(shè)定點(diǎn)為70℃，由于正在進(jìn)行的真空回潮處理需要大量的蒸汽，造成蒸汽管網(wǎng)壓力下降，在相同閥位開(kāi)度下，蒸汽壓力不夠，溫度不能穩(wěn)定在設(shè)定的70℃，因此新型抗大干擾控制算法控制閥位全開(kāi)，預(yù)測(cè)PI同時(shí)不斷調(diào)解，只是沒(méi)有作用在被控對(duì)象上，當(dāng)溫度重新回到期望范圍以內(nèi)時(shí)，再重新切換到預(yù)測(cè)PI進(jìn)行控制，穩(wěn)定在同一設(shè)定點(diǎn)。在設(shè)定點(diǎn)下溫度控制響應(yīng)速度快，抑制大干擾能力強(qiáng)，溫度控制穩(wěn)定,波動(dòng)減少，有效地解決了大慣性大滯后對(duì)象造成的響應(yīng)速度慢、調(diào)整周期長(zhǎng)以及大干擾影響下波動(dòng)大的問(wèn)題；提高了現(xiàn)場(chǎng)工藝控制能力，實(shí)現(xiàn)出口水分閉環(huán)控制，確實(shí)有效地提高了烤機(jī)出口水分的穩(wěn)定性和均勻性，最終大幅度提高了微波測(cè)量和檢測(cè)室化驗(yàn)的成品水分的合格率。

4結(jié)論

　　采用常規(guī)的控制算法對(duì)片煙復(fù)烤機(jī)進(jìn)行控制, 在蒸汽管網(wǎng)壓力的大干擾的影響下，烤房溫度波動(dòng)大, 難以保證冷房含水率與出口含水率穩(wěn)定, 經(jīng)常導(dǎo)致片煙含水率不合格而返料［4］。而基于預(yù)測(cè)PI抗大干擾控制算法能有效克服傳統(tǒng)控制方案難以抑制大干擾的難題。實(shí)際復(fù)烤廠控制數(shù)據(jù)表明，該算法能使系統(tǒng)得到較強(qiáng)的抗干擾性能，并且對(duì)于大慣性大滯后系統(tǒng)有很好的響應(yīng)速度，各個(gè)干燥區(qū)的溫度控制精度均達(dá)到了工藝要求。該算法實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)全自動(dòng)操作, 不需要操作人員的人工干預(yù), 減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度, 降低了返料次數(shù), 同時(shí)還節(jié)約了能耗［4］。因此，該算法具有很好的設(shè)定跟蹤能力，在實(shí)際工業(yè)控制中具有很好的發(fā)展前景。

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