无毒提金新工艺中控制反应液PH值的智能复合控制算法

2006-05-07 15:49:31来源: 电子技术应用

    该控制方案既对PID算法加以了改进保留,如在传统PID调节中加入新的微分积分作用,对给定值与测量值变化造成的偏差分别采用不同的调节方式等,又加入了一些模糊调节算法的规则。在偏差大时,希望搅拌设备控制系统各控制参数能快速跟随调整,而对控制精度要求相对降低,所以拟采用快速PID控制方案;当偏差趋小时,为了减小超调量,提高系统的控制精度,拟采用模糊控制为主、最优控制为辅的控制方案。该控制方案具有超调小、控制精度高、参数确定简单、对复杂对象控制效果较好等特点。

    这就是智能复合控制的基本出发点,由此形成了图1所示的闭环控制系统。功率控制实现功率曲线的自动跟踪,智能控制实现各控制参数的升降。图中ys、yp分别为各被控参数的设定值和实测值,e为被控参数偏差,e=ys-yp。

    各被控参数设定值由上位机或下位机给出,具体方式有两种:(1)根据经验给出;(2)根据无毒提金工艺要求计算确定。

1 智能控制器的实现

    智能控制器的结构框图见图2,图中ys为被控参数的设定值,yp为被控参数的实测值,规则集用来判断复合控制算法的转换,偏差信号e(k)=ys(k)-yp(k)它作为智能控制器的输入信号。

    限于篇幅,这里仅以PID控制为例,简单说明各控制算法的设计过程。

    按偏差的比例(proportional)、积分(integral)、微分(differential)控制(简称PID控制),是过程控制中应用最广泛的一种控制算法。实际运行经验及理论分析表明,这种控制算法对于大量的工业对象,具有较好的调节性能和鲁棒性,能够达到符合原则的控制性能指标。

    在计算机控制系统中,一般采用两种控制算法:一种是含有理想微分的PID控制;另一种是含有实际微分的PID控制。它们的控制原理、实现方法、编程手段大同小异。计算机控制是一种采样控制,它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量,因此需要将连续PID调节理想化。

1.1 位置式PID控制算法

    式中 k=1 / δ称为比例系数;

    k=Kp·T / Ti称为积分系数;

    k=k·Td / T称为微分系数。

    计算机按该式算出的是控制量的绝对数值,即对应于执行机构每次所应达到的位置。在这种算法中,如果前一次的输出与过去的状态有关,计算时要对e(i)进行累加,计算机实现起来不够方便,不仅要占用较多的存储单元,而且不便于编程。鉴于此,对(1)式要进行改进。

1.2 增量式PID控制算法

    △u(n)=u(n)-u(n-1)

    △u(n)=k{[e(n)-e(n-1)]+T / Ti[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]}

    △u(n)=k[e(n)-e(n-1)]+ke(n)+k[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]

    △u(n)=Ae(n)+Be(n-1)+Ce(n-2)  (2)

    式中A=k(1+T / Ti+Td / T) B=-k(1+2Td / T) C=kTd / T

    A、B、C是与采样周期T、比例系数kp、积分时间Ti、微分时间Td有关的系数,增量式算法只需要保持现时以前两个时刻的偏差值即可。

    对于整个控制系统而言,上述两种算法并无本质上的区别,只是所采用的执行元件的特性不同。增量式算法中将计算机的一部分任务:u=∫△u分给了其它部件去承担,即由执行机构完成。增量式控制虽然只是在算法上做了一点改进,但它带来了不少优点:

    (1)计算机每次只输出控制增量,故机器出现故障时,影响范围小。

    (2)控制从手动到自动转换时,由于算法中不含有u0项,因此冲击小。此外,当计算机发生故障时,由于执行机构装置本身有锁存作用,故仍然能保持原值。

    (3)算式中无需累加,增量只是与最近几次采样值有关,编程简单,历史数据可以递推使用,且占用存储单元少,运算速度快,容易获得较好的控制效果。

    但是,微分作用容易引入高频干扰,导致调节性能的不稳。因此,在大量的工业控制系统中,往往采用在微分调节器上串联一个低通滤波器来抑制高频干扰。低通滤波器的传递函数为:

    G(S)=1 / 1+TfS

    故(1)式中的微分项拉氏变换形式)变为:

    G(S)=KS1 /1+TfS=KDS / 1+TfS

    也就是说,利用实际微分来代替理想微分,输出波形如图3所示。

    这样,(2)式所示的增量式PID控制算式变为:

    △u(n)=k[e(n)-e(n-1)]+ke(n)+△u(n)

    △u(n)=kd / 1+TfS[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]  (3)

    基于上述分析,在实际控制中,增量式PID算法要比位置式PID算法应用更为广泛。本搅拌设备自动控制系统就采用这种带有低通滤波器的增量式PID控制算法,即:

    u(k)=u(k-1)+k{[e(k)-e(k-1)]+T0 / Tie(k)+Td / T0(1+Tf)[e(k)-2e(k-1)+e(k-2]}

    =u(k-1)+Ae(k)+Be(k-1)+Ce(k-2)(4)

    式中, A=k[1+T0 / Ti+Td / T0(1+Tf)]

    B=-k[1+2Td / T0(1+Tf)] 

    C=kTd / T0(1+Tf)

    上式适合于计算机处理,但式中的待定系数混合了PID控制的比例、积分、微分加权系数,这将给系统调试阶段,依据运行结果分析整定系数的习惯做法带来诸多不便。实际应用时,为了兼顾调试和运行两方面的需要,仍以Kp、Ti、Td为待整定参数。调试阶段改变Kp、Ti、Td的取值后,将新的一组Kp、Ti、Td值输入计算机,然后由计算机程序利用有关公式计算出相应的待定系数A、B、C。算法流程图如图4所示。

1.3 PID参数的整定

    对于一个结构和控制算法形式已定的控制系统,控制质量的好坏主要取决于选择的参数是否合理。因此,PID控制中三个参数的选择就显得十分重要了,整定PID参数的方法各式各样,有临界比例度法、标准传递函数优化法等等。下面叙述两种典型的整定方法。

1.3.1 扩充临界比例度法

    用实验参数进行函数整定时,最常用的是扩充临界比例度法,它是整定模拟调节器参数的临界比例度法的扩充。具体做法如下:

    ①选择好采样周期T0;

    ②用与模拟调节器相同的临界比例度法求出临界比例系数Kk及临界振荡周期Tk;

    ③根据所选的控制度,按经验参数值表求出Kp、Ti、Td。

1.3.2 Ziegler-Nichols整定规则

    这是Roberts.P.D于1974年提出的,它只需整定一个参数,对于PID算式:

    T0=0.1TkTi=0.5TkTd=0.125Tk(Ziegler-Nichols条件),代入PID算式中,得:

    u(k)=u(k-1)+kp[2.45e(k)-3.5e(k-1)+1.25e(k-2)]

    整定时,改变kp的大小,观察控制效果,直到满意为止。当然,上述两种方法只能提供一个粗略的范围,实现过程中还得在这些数值的附近进一步试探,这样才能找到最佳值。

2 控制规则集的确定

    由搅拌设备智能复合控制框图可知,规则集用来判断复合控制算法的转换。根据偏差eiei=ys-yp的变化组成控制规则集来实现智能控制。具体控制规则可以按以下描述实现:

    IF ei>ε THEN uc=PID控制算法输出;

    IF ei<-ε THEN uc=PID控制算法输出;

    IF 0.5<ei≤ε THEN uc=模糊控制算法输出;

    IF -ε≤ei<-0.5 THEN uc=模糊控制算法输出;

    IF 0.1<ei≤0.5 THEN uc=-UM,最优控制算法输出;

    IF -0.5≤ei<-0.1 THEN uc=+UM,最优控制算法输出;

    IF -0.1≤ei≤0.1 THEN uc=0。

    以上算法可用图5表示。

    实现任何一种控制规则的算法,可控性分析是至关重要的。任何控制系统的设计在应用之前,其控制规则算法是否可行必须进行验证,但是对于具有时变性、非线性特性的系统,要分析其可控性是相当困难的。因而,人们通常是对控制对象作一定的假设,以便进行分析。然而,这种假设只适合于特定的环境和范围,对于控制对象的特性不完全了解或被控对象具有不确定的因素,分析起来有一定的困难。

    本文提出的控制算法及其所采取的规则集,要定量分析也是不容易的,只能根据被控对象的具体特点,结合算法作一些说明。

    在各被控参数偏差较大时,采用快速PID控制方案,即希望控制系统快速调整,以期减少扰动的影响,同时考虑了对控制精度要求较低。对于偏差相对较小时,希望兼顾快速性和精度;当偏差很小时,工况相对平稳,希望有较高的控制精度,故此,在大偏差范围内采用模糊控制,在小偏差范围内转换成最优控制,这样做从理论上来讲可以获得较为满意的控制效果。由于采用的控制规则集符合二次满映射条件,因此这种规则控制的系统是完全可控的。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/sensor/200605/1331.html
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