玻璃窯爐料道溫度控制系統(tǒng)中的mae補(bǔ)償控制

玻璃窯爐料道溫度控制系統(tǒng)中的mae補(bǔ)償控制

1純滯后控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過程的控制中，許多物體具有純延遲的性質(zhì)。這類控制系統(tǒng)的純滯后時(shí)間會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低,特別是衡量純滯后的影響程度特征參數(shù)大于0.5時(shí),采用常規(guī)的PID的控制運(yùn)算會(huì)引起大的超調(diào)和長時(shí)間的振蕩,控制效果不佳。有關(guān)純滯后的控制系統(tǒng),雖然國內(nèi)外作過不少研究工作,但在工程上有效的方法并不多。本文介紹的就是其中用得較多且技術(shù)十分成熟的Smith預(yù)估補(bǔ)償器法及其在玻璃窯爐的料道恒溫控制系統(tǒng)上的應(yīng)用。2無純滯后補(bǔ)償下的穩(wěn)定性在控制系統(tǒng)中,純滯后環(huán)節(jié)可以出現(xiàn)在不同的位置,它們對過程調(diào)節(jié)的影響是不同的。出現(xiàn)在閉環(huán)的任一環(huán)節(jié)中的純滯后都會(huì)引起系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降,調(diào)節(jié)質(zhì)量變差;而處在干擾通道的純滯后,不在閉環(huán)回路中,它的大小不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性,也不影響調(diào)節(jié)質(zhì)量。以一個(gè)純滯后單回路的控制系統(tǒng)為例來說明如何減少純滯后對系統(tǒng)的影響。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,其中Gc(s)為普通調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù),G(s)exp(-τs)為對象的傳遞函數(shù)。則在無純滯后補(bǔ)償下控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:閉環(huán)傳遞函數(shù)分母中含有純滯后環(huán)節(jié)exp(-τs),將導(dǎo)致穩(wěn)定性降低,當(dāng)τ足夠大時(shí),系統(tǒng)將是不穩(wěn)定的。改善的方法之一就是引入一個(gè)與調(diào)節(jié)器并聯(lián)的補(bǔ)償器。要使系統(tǒng)得到完全補(bǔ)償,則應(yīng)有:Φ(s)=GC(s)G(s)exp(?τs)1+GC(s)G(s)exp(?τs)Φ(s)=GC(s)G(s)exp(-τs)1+GC(s)G(s)exp(-τs)Gθ(s)=G(s)(1?exp(?τs))Gθ(s)=G(s)(1-exp(-τs))經(jīng)完全補(bǔ)償器后,完全補(bǔ)償器后的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:Φθ(s)=GC(s)G(s)exp(?τs)1+GC(s)G(s)Φθ(s)=GC(s)G(s)exp(-τs)1+GC(s)G(s)它消除了純滯后部分對控制系統(tǒng)的影響,因?yàn)槭街衑xp(-τs)在閉環(huán)控制回路之外,不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性,拉氏變換定理說明,exp(-τs)僅為控制作用在時(shí)間坐標(biāo)上推移了一個(gè)時(shí)間τ,控制系統(tǒng)的過渡過程及其他性能指標(biāo)都與對象特性為G(s)時(shí)完全相同。補(bǔ)償器的參數(shù)應(yīng)與被控對象的參數(shù)嚴(yán)格一致,但被控對象的參數(shù)并不是一成不變的,純滯后環(huán)節(jié)一般又采用近似式表示,因而會(huì)出現(xiàn)預(yù)估補(bǔ)償器不能實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,應(yīng)采取下列措施:①可適當(dāng)減少調(diào)節(jié)器的增益,減弱調(diào)節(jié)作用;②補(bǔ)償器的參數(shù)與被控對象的參數(shù)一致,特別是預(yù)估補(bǔ)償器的增益應(yīng)與對象的增益一致。3控制好的控制效果,能采用Smith補(bǔ)償電路后,可改善其動(dòng)態(tài)性能,取得好的控制效果。這種校正裝置用模擬方法是很難實(shí)現(xiàn)的,但用計(jì)算機(jī)就可較方便地實(shí)現(xiàn)。其離散后的純滯后補(bǔ)償系統(tǒng)框圖如圖2所示。1作c[en-2en-1+en-2Δu(k)=Kp[e(n)-e(n-1)+KIe(n)+KD[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]用微機(jī)實(shí)現(xiàn)該式較簡單,每次采樣周期一到,讀入采樣值并利用e(n)計(jì)算比例項(xiàng)、積分項(xiàng)、微分項(xiàng),將這3項(xiàng)相加即可。2ss補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)G(s)=KITIs+1exp(?τs)G(s)=ΚΙΤΙs+1exp(-τs)而|τ|遠(yuǎn)小于2時(shí),exp(?τs)≈1(1+τs2)2exp(-τs)≈1(1+τs2)2,則有:Gθ(s)=KITIs+1[1?1(1+τs2)2]Gθ(s)=ΚΙΤΙs+1[1-1(1+τs2)2]從而得Smith補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)如框圖3所示,其對應(yīng)的差分方程為:f1(n)=f1(n?1)+TTI[u(n)?f1(n?1)]f2(n)=f2(n?1)+2Tτ[f1(n)?f2(n?1)]f3(n)=f3(n?1)+2Tτ[f2(n)?f3(n?1)]Y(n)=KI[f1(n)?f3(n)]f1(n)=f1(n-1)+ΤΤΙ[u(n)-f1(n-1)]f2(n)=f2(n-1)+2Ττ[f1(n)-f2(n-1)]f3(n)=f3(n-1)+2Ττ[f2(n)-f3(n-1)]Y(n)=ΚΙ[f1(n)-f3(n)]式中,T為采樣周期。從上面4個(gè)公式一步一步地可以求出Smith補(bǔ)償器的輸出,再與補(bǔ)償前的誤差信號(hào)比較作為調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)。4溫度模型的處理玻璃窯爐的料道是處于窯爐和成型機(jī)之間,溫度的高低和均勻性直接影響產(chǎn)品質(zhì)量的好壞,溫度過高會(huì)使產(chǎn)品變軟,溫度過低會(huì)使玻璃熔料過硬而無法成型。故必須對料道進(jìn)行恒溫控制。由于系統(tǒng)對象是個(gè)典型的溫度對象,其數(shù)學(xué)模型是一階慣性環(huán)節(jié)并帶有純滯后,故除采用一般的PID控制外,還應(yīng)考慮純滯后補(bǔ)償問題。純滯后補(bǔ)償有多種方法,如大林算法、Smith補(bǔ)償法等。這里采用Intel809816位單片機(jī)可方便地用軟件辦法實(shí)現(xiàn)Smith補(bǔ)償法。玻璃窯爐的料道恒溫控制系統(tǒng)采用Smith補(bǔ)償法的先決條件是電加熱裝置的數(shù)學(xué)模型為已知或能測量出來。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中,除PID運(yùn)算、純滯后補(bǔ)償和輸入/輸出管理外,還必須包括采樣、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警以及顯示、鍵盤的管理、打印報(bào)表等功能。1料道溫度的測量對料道溫度通常采用熱電偶來測量,由于檢測元件處于高溫下,為了延長使用壽命需采用鉑金之類的保護(hù)套。但這種鉑金價(jià)格高,國內(nèi)一般工廠不采用。國內(nèi)工廠大多數(shù)是利用玻璃液的電阻率來測量料道的溫度。玻璃窯爐的料道采用鉬加熱方式,在兩個(gè)鉬電極之間的玻璃液具有一定的電阻值,其電阻值與溫度之間是一一對應(yīng)關(guān)系。這種關(guān)系以表格形式存入微機(jī)內(nèi)存,只要精確測量鉬電極之間的電阻,通過查表法就可得出對應(yīng)的溫度。而電阻可由電極電壓除以電流求得。2可控硅造林電極的調(diào)節(jié)本恒溫控制系統(tǒng)是由溫度調(diào)節(jié)環(huán)(外環(huán))和電流調(diào)節(jié)環(huán)(內(nèi)環(huán))構(gòu)成的雙閉環(huán)的控制系統(tǒng)。兩對電極并聯(lián)在可控硅整流裝置的輸出端,溫度調(diào)節(jié)器采用PID運(yùn)算,電流調(diào)節(jié)器選用模擬的PI調(diào)節(jié),可控硅整流裝置為一個(gè)小慣性環(huán)節(jié),電流調(diào)節(jié)器與可控硅整流裝置兩者可組成標(biāo)準(zhǔn)的二階最佳調(diào)節(jié)的形式,經(jīng)過結(jié)構(gòu)圖的等效變換得到圖3形式,再按前面的方法處理。3系統(tǒng)運(yùn)行效果采用上述的Smith補(bǔ)償?shù)牟ＡЯ系赖奈C(jī)控制系統(tǒng)能達(dá)到比較好的控制效果,可使控制精度達(dá)到0.1%,具有最優(yōu)控制性能和較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能,升降溫速度可達(dá)到2℃/min。由于采用電加熱和微機(jī)控溫節(jié)約了大量的能源,并提高了產(chǎn)品的合格率,該系統(tǒng)已在我市燈泡廠投入使用,效果良好。本系統(tǒng)的不足之處是:由于采用的是R-T曲線間接測溫,其R-T曲線必定會(huì)受到玻璃成分和配料的影響,當(dāng)產(chǎn)品更新時(shí),須通過實(shí)驗(yàn)重新測定R-T曲線;系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng),不能求出精確的數(shù)學(xué)模型,這就限制了精度的進(jìn)一步提高。5料道系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)對控制系統(tǒng)中含有純滯后的環(huán)節(jié)采用Smith預(yù)估補(bǔ)償器法是一種在工程上行之有效的方法之一。實(shí)施Smith預(yù)估補(bǔ)償控制方案的關(guān)鍵是補(bǔ)償器模型的求取和純滯后環(huán)