余松聲,任正云

　　(東華大學(xué) 自動(dòng)化系, 上海 201620)

　　摘要：不可測量的大干擾廣泛存在于過程工業(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)是已知或者可測量的，然而實(shí)際的干擾大多是未知且不可測的,，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、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)于這種不可測的大干擾,，還沒有專門的一個(gè)處理方案,，無法很好地解決這類問題［1］。而該研究方向,，目前國內(nèi)所開展的研究也很少,。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,，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PI控制器仍然在進(jìn)行控制調(diào)整，只是沒有作用于對(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PI來進(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)過早期振蕩，系統(tǒng)能夠辨識(shí)出干擾的頻率大小,，整個(gè)過程的輸出經(jīng)過一段時(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)烤房蒸汽閥位全開或者全關(guān)控制烤房內(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PI進(jìn)行控制,。這里系統(tǒng)全開的系數(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)帶來的影響,。相反，基于預(yù)測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)烤過程的干燥區(qū)就是通過調(diào)節(jié)蒸汽閥門開度控制干燥室內(nèi)部溫度。在某些沒有穩(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)烤過程中的主要問題表現(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)帶來的大干擾。如果采用單純的預(yù)測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)造成的大干擾問題,，采用基于預(yù)測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PI控制器及時(shí)給出調(diào)節(jié)要求,，當(dāng)偏差超過閾值時(shí),，說明真空回潮處理影響了干燥區(qū)的蒸汽壓力,，這時(shí)蒸汽閥門全開或者全關(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、干擾不可測且影響大等問題作為突破口,，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)的控制蒸汽閥位開度來改

　　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，預(yù)測PI同時(shí)不斷調(diào)解,，只是沒有作用在被控對(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)整周期長以及大干擾影響下波動(dòng)大的問題,；提高了現(xiàn)場工藝控制能力,，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量和檢測室化驗(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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