基于增量式PID算法的氣體流量控制方法

高慧中, 路 駿, 2, 馬小錄

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基于增量式PID算法的氣體流量控制方法

高慧中1, 路 駿1, 2, 馬小錄1

(1. 中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077; 2. 西北工業大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

氣體流量控制回路因其動態特性復雜、響應速度受限等現象給控制器的設計帶來了挑戰。文中在分析魚雷氣體燃料動力系統動態流量控制特性的基礎上, 使用增量式比例-積分-微分(PID)算法來實現氣體流量的動態控制, 給出了控制系統動態特性的數學描述。在氣體流量自適應控制器的設計階段, 首先在Ziegler-Nichol初始化基礎上, 試湊出一組具有良好控制效果的PID參數, 并通過階躍試驗確認了該控制器的性能。仿真試驗證明了該控制器在動態環境下的自適應能力。

魚雷動力系統; 氣體流量控制; 增量式比例-積分-微分(PID)算法; 自適應

0 引言

氫、氧燃燒后無污染, 便于構成高效能、無排放的閉式循環, 其高效綠色的特點日益受到各方重視。氫氧能源作為重點發展的清潔高效能源, 該領域研究已被我國能源產業重點扶持。由于粗糙的人工調節已無法在動態過程中滿足燃燒系統的高燃燒率、高熱值需求, 在組織氫、氧燃燒的過程中, 如何在兼顧效率與熱值的同時, 有效協調2種燃料流量是決定燃燒效果的關鍵[1]。

基于自動控制原理提出的比例-積分-微分(proportional integrative derivative, PID)控制自問世至今的半個多世紀里, 以其控制結構簡單, 易于操作調整, 良好的魯棒性等優點在冶金、機械、熱加工等多個領域得到了廣泛應用。同時, 研究人員也在過程控制應用中不斷發展PID控制器的設計方法, 從最早的理論整定方法計算控制參數技術(廣義頻率法、根軌跡法、BODE圖等), 到后來在工業界廣泛應用的Zielger-Nichlos及其改進整定法, PID技術隨著歷史進程不斷進步。近年來出現的智能PID控制更向著自學習、自適應等先進方向快速發展, 同時具備結構簡單、魯棒性強、可靠性高的特性。

圖1 比例-積分-微分控制原理

Fig. 1 Principle of proportional integrative derivati- ve(PID) control

其表達式為

針對魚雷氣體燃料動力系統的動態流量控制特性, 文中設計了基于PID原理的自適應控制器。為滿足工程需求, 文中從研究系統硬件執行元件與被控量特性出發, 認為氣體流量控制過程中的遲滯性與壓縮性已無法滿足高精度控制, 提出重點關注的當前時間下的目標量與輸出量之間偏差值[2], 采用增量式PID控制技術。針對流量供應技術要求, 在經驗公式整定的基礎上“手工細調”得出了比例、積分、微分3個參數數值。在最后的模擬驗證中, 使用所設計的調節器聯動控制兩路氣體流量, 并對控制過程采集的相關數據進行了進一步的分析。

1 增量式比例-積分-微分算法

在實際工作中, 要想提高控制質量, 就必須采用連續的調節方式, 比例控制環節作為最簡單的方式能實現偏差的不斷檢測。然而在系統穩態條件下, 總會存在穩態偏差。為了解決這一問題, 同時避免使用過大的控制增益, 引入了積分環節, 其特點是低頻增益很大, 穩態(直流)增益可達無限大, 對消除穩態誤差有較好的效果。這是由于當穩態誤差存在時, 隨著時間的推移其積分項不斷累積, 導致控制器輸出不斷增大, 從而減小誤差, 最終當系統穩定時消除此誤差。顯然, 比例與積分都針對歷史偏差及當前偏差做出控制策略, 限制了控制的應用, 預估誤差微分項的引入則充分的解決了此問題[2]。

在計算機環境下, 由于只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量, 式中的積分項與微分項無法直接計算, 則對式(1)離散后的數字化PID表示為

式中:為采樣序號, 且=0, 1, 2,;表示第次采樣時刻控制量;表示第次采樣時刻的偏差值;為積分項系數, 且;為微分項系數, 且。

將式(2)與式(3)相減, 可得2次相鄰PID控制量之差, 即增量式PID算法

2 目標控制系統與參數設計

為提高燃燒效率, 燃燒過程中燃料的質量流量應滿足確定的比例關系。軟件系統實時監測2路流量, 以氫路流量為基準, 通過電流反饋改變氣動調節閥開度, 調整氧氣流量動態滿足比例要求。

在該控制回路中, 流量作為調整量與被調量雖然同屬一種變量, 但其線性程度有所差異。此外, 控制回路的動態特性是由可壓縮性的氣體與管道上控制閥的動態特性共同作用產生的, 加之流量的延時性, 導致系統控制復雜度顯著上升。

調節閥是控制系統的調節執行元件, 應滿足能夠連續調節氣體流量的要求[4]。該控制系統選用了tescom生產的氣動調節閥, 控制氣體流量達到目標值, 并穩定在設定的動態區間內。由于氣體流量受壓力、溫度、管路設置等多方面因素影響, 易產生流量波動。此外, 流量與閥門的開度并不成線性關系, 這就給控制流量達到目標設定值增加了難度, 系統組成示意圖如圖3所示。

根據增量式PID算法, 偏差值()由設定值與實時反饋的流量值計算得到, 控制增量則由相鄰的偏差量之差, 結合比例、積分、微分系數計算得到, 并最終對管路中的調節閥實現控制。

2.1 被控對象

作為系統的被控對象, Tescome的Er3000是一種多用途氣動調節閥, 工作氣壓為0~0.689 MPa, 通過外部24 V供電, 采用4~20 mA控制電流, 實現氣體流量調節。當開度反饋采用電壓輸出時, 信號傳輸中產生的壓降較大, 所以使用了電流反饋方式。

在由NI公司開發的LabWindows環境下編寫的監測控制程序, 能夠在監測兩路氣體流量的同時控制管路中的閥門機構。在設定目標流量或聯動控制模式下, 該軟件系統在PID控制算法調節下動態調整輸出電流, 控制氣動調節閥開度, 改變氧氣路流量達到目標值。

2.2 控制參數

首先以氣體流量的目標值為基準, 確定出系統振蕩和顯著延遲的比例系數, 并以此為臨界參數確定該系統的取值區間。在保證系統穩定的條件下增大能夠有效減小靜差, 提高控制精度, 得到反應快, 超調小的響應。

3 試驗結果及分析

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由于研究對象為氣體流量控制系統, 氣體的特殊力學特性導致控制中可能存在的滯后、跳動等現象。結合實際工作環境, 文中重點闡述了調試過程中的參數試湊過程與響應流量曲線特性。試驗利用代用工質氮氣、氫氣模擬系統燃料比例變化條件下的控制特性, 構建控制模擬試驗系統, 通過調節代用工質流量, 實現流量的自適應控制。

調節控制模擬試驗的相關試驗系統主要包括以下幾方面。

1) 氦氣供應與調節系統: 主要包括氦氣瓶、減壓器、手動調節閥、背壓閥。氦氣瓶經減壓器提供一路氦氣, 手動調節閥用來調節氦氣流量, 背壓閥用來模擬燃燒室的壓力。

2) 氮氣供應與調節系統: 主要包括氮氣瓶、減壓器、手動調節閥、背壓閥。氮氣瓶經減壓器提供一路氦氣用于模擬氧氣, 程控調節閥根據來自控制計算機的控制信號調節氮氣流量, 背壓閥用來模擬燃燒室的壓力。

3) 測控系統: 氦氣和氮氣供應路上均設置有流量和壓力傳感器用以測量相應參數, 控制計算機采集傳感器的測量信號, 經PID算法后輸出控制電流信號操縱程控調節閥, 實現流量調節。

控制過程中, 流量計反饋電流通過A/D轉換處理得到數字量, 根據增量式控制原理, 計算目標流量與的差值, 得到偏差量, 并根據算法控制變化量, 進一步經過D/A轉換, 執行閥門開度調整動作, 修正位置誤差。

3.1 階躍響應試驗

為了確定控制效果較好的PID參數, 達到快速調整流量滿足目標值的需求, 經過多次參數計算與模擬調試, 獲得了較好的試驗動態調整數據如圖4所示, 試驗參數如表1所示。

表1 階躍響應試驗參數

由上述試驗結果可知, 采用該組控制參數, 氮氣流量的調節時間約為10 s, 超調僅為9%, 滿足系統的控制要求。

3.2 比例控制試驗

試驗的主要目的是驗證該PID控制器流量比例控制的效果, 試驗采用表1所示的PID參數, 通過改變氦氣流量測試控制系統的自適應調節能力, 對應調整過程的數據結果如圖5所示。

通過操作手動調節閥使氦氣流量從3.1 kg/h上升至3.8 kg/h, 隨后經過3次下降最終穩定在2.0 kg/h。再使用PID控制調節閥使氮氣流量跟隨氦氣流量的變化趨勢, 經過1次上升和3次下降最終穩定在16 kg/h。

平穩段1(140~170 s)的流量比值控制精度

平穩段2(210~240 s)的流量比值控制精度

平穩段3(260~290 s)的流量比值控制精度

平穩段4(320~350 s)的流量比值控制精度

平均流量比值控制精度

故流量比值控制精度高于5%, 滿足考核指標的要求。由上述試驗結果可知, 通過PID控制調節閥可以使氮氣流量很好地跟隨氦氣流量的變化趨勢, 二者的流量比例始終維持在目標值附近。

通過系統調節控制模擬試驗, 掌握了氣體流量調節的控制規律, 并通過兩路氣體流量的協調控制試驗驗證了比例控制精度, 試驗結果表明, 流量比例控制精度達到0.65%, 滿足不超過5%的技術指標。

4 結束語

文中重點討論了魚雷動力系統氣體流量自適應控制器控制管路的流量PID控制方案。通過分析對比不同算法的特性, 在充分考慮氣體力學特性與系統構成的基礎上, 選定增量式PID算法設計控制算法, 并將該算法結合控制元件應用到實際系統中加以驗證。試驗結果表明, 使用此算法設計的控制器不論是在響應階躍負載, 或是跟隨流量聯動控制試驗均具有較為理想的阻尼效果, 能夠快速控制氣體流量達到目標值, 保證流量的動態供應滿足系統要求。

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Incremental PID Algorithm Based Gas Flow Control Method

GAO Hui-zhong1, LU Jun1,2, MA Xiao-lu1

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710077, China; 2. School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

Design of gas flow controller is of great challenge due to complicated dynamic performances and delayed response of the Gas flow control system. In this study, the dynamic flow control characteristics of the gas fuel for torpedo power system were analyzed, the incremental proportional integrative derivative(PID) algorithm was adopted to achieve dynamic control of gas flow, and the dynamic performances of the flow control system were described mathematically. In design of an adaptive gas flow controller, Ziegler-Nichols principle was utilized to realize initialization, then a set of PID parameters with better control behaviour were achieved through trial and error method. Step test was conducted to validate the performance of the controller. Eventually, the adaptability of the controller under dynamic condition was verified by simulation test.

torpedo power system; gas flow control; incremental proportional integrative derivative(PID) algorithm; adaptability

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.02.010

TJ630.32; TP214.8

A

1673-1948(2016)02-0132-05

2015-10-19;

2015-12-27.

國家自然科學基金(61403306), 中國博士后科學基金特別資助(2015T81062), 中國博士后科學基金(2014M552503).

高慧中(1989-), 男, 助理工程師, 主要研究方向為噪聲測試與分析及特征提取方法.

(責任編輯: 楊力軍)