ADRC串級控制在爐溫控制中的應用

梅德俊

（江蘇豐東熱技術股份有限公司,江蘇 鹽城 224000）

ADRC串級控制在爐溫控制中的應用

梅德俊

（江蘇豐東熱技術股份有限公司,江蘇 鹽城 224000）

電加熱爐溫度變化相對復雜，無法通過特定的數學模型來分析，對此將ADRC串級控制應用其中，用來仿真溫控系統。本文首先簡單介紹了加熱爐溫控系統結構，然后，探究了ADRC串級控制在爐溫控制中的應用。

ADRC串級控制;爐溫控制;應用

馬弗爐因其溫度均勻性優于常規的工業爐，但由于其溫度控制較為復雜，傳統的PID控制不僅不準確，可能還存在一定的偏差，使得控制功能無法有效發揮，無法達到預期的控制效果。對此引入ADRC串級控制系統，用來發揮對爐溫控制作用。

1 加熱爐溫度控制設備

該設備的結構為：溫度測量元件以及控制部分，選用熱電偶對爐溫進行檢測，并且選用高精度信號隔離器，使得溫度信號更加穩定可靠，不受外界干擾。在完成數模轉換之后，ADRC串級控制對數據進行處理，對應得到控制結果，對應調整熱風閥的開度，從而控制風道中的熱風量。人機界面實現溫度設定、溫度顯示、超溫報警等功能。該設備結構完成了從爐度檢測、數據輸入、處理、運算以及數據輸出，最終實現爐溫精確控制的全過程。

串級控制系統的運行流程為：通過設置被控制對象的參數，例如：爐內膽溫度，夾套溫度等分別為主控參數、副控參數。將主調節器的輸出數值，充當副調節器的給定值，由此形成了內膽與夾套的串級控制系統。

f1,f2各自代表內干擾與外干擾，其中f1可以通過主控制回路來逐步控制，與此對應的f2則通過副溫度調節器所形成的副回路來抑制，串級控制的一大好處就是能夠有效控制擾動，有效控制主控與被控參數，調整參數誤差。

2 ADRC控制器的設計

2.1 ADRC控制原理

控制的主體結構為：微分跟蹤器TD,擴張狀態觀測器ESO,以及非線性狀態誤差反饋律NLSEF。每一部分都發揮不同功能，TD----過渡過程的規劃，同時獲得微分數據。ESO-----每時每刻估算對象狀態，同時預測一切充滿變化的內外干擾總和，并負責補償。NLSEF-----主要利用非線性函數來組合、分析來自于前兩部分的數據、信息以及狀態估算值，最終得出一個控制量u.

2.2 微分器TD

假設輸入信號是v,TD則對應提供跟蹤信號v1,與微分信號v2,得出兩個關系式：

上式中，fst(·)是非線性函數

v1------過渡過程，一般取決于v和過渡過程時間T,

v2-----過渡過程的微分信號

h------積分步長

r-------速度

2.3 ADRC參數的設定方法

其所涉及的參數主要有：TD中的h,r.ESO對應的α1、α2、δ、β01以及NLSEF中的β1，β2、α3、α4、δ0

以上參數中，部分參數屬于非線性參數，也就是這部分參數的任何細微變化都可能干擾到與之相關參數的變化，通常要保持穩定不會隨便變化。其中α1-α4則是fal的自變量，通常要對其進行特殊取值，從α1-α3都取（0,1）范圍，這樣才能達到小誤差大增益的目標。要想達到微分誤差小時，增益也對應減小，需要對α4特殊取值，一般大于1為合理，其他參數需要以在線的形式加以修改。

（1）TD的參數設定。參數選擇的一大目標就是控制超調，預防信號發出過大噪音，r---跟蹤速度因子，通常情況下跟蹤速度會隨著參數值變大而加快，這其中需要參考過渡需求，以及系統的承受力。

（2）ESO的參數設定。ESO是自抗擾控制器的中心部件，一般憑借擴張的方式對系統的總和擾動，也就是估計、測算施加在系統的加速度值，憑借此估計信號來使系統補償為一個線性系統，達到對各種變化性因素的高效處理。其中涉及到七大參數，積分步長h同跟蹤微分器一樣，一般對α1，α2各自取值，分別為：0.5和0.25。其中，被控對象的性質與特征在一定程度上影響著b0參數，然而，在系統模型不能明確、準確的情況下，該參數則能夠被變化、調整。同時，一些關鍵參數β01-β03會對大時滯系統的性能帶來一定影響，通常來說參數β01-β03會隨著系統時滯二變大，其中β03影響到擾動估計速度，二者成正相關。當來自于系統的振蕩過大，則要控制β03的值。線性ESO參數能夠通過特殊方法加以整定。

（3）NLSEF的參數設定。該系統中依然涉及到一席參數的選定，例如：α3與α4，它們分別取值0.75，1.5，其中δ0則需要根據被控量程以及數據計算與控制的精度等來抉擇，通常取值0.5.u0是在比例微分下來構造的，對此，則可以將參數β1，β2通過PID控制器來加以整定。

利用b0得出β1β2各自的初始數值，當b0上升，兩個參數值則變小。如果調節速度下降，則應該提升β1的值，相反，如果調節速度上升，則要控制β1。

3 串級控制的模擬

將爐溫控制作為實驗對象，首先測出被控制對象的階躍相應曲線，通過切線法算出傳遞函數，再依托于加熱爐模型，借助軟件系統來模擬仿真串級控制系統，得出了對應的單位階躍響應圖，觀察此圖能看到無論是串級控制、階躍響應曲線都未達到100秒，而且系統整體上也保持安全、穩定，沒有超調現象。選擇舊式的PID-P串級控制，則于將近200秒處，系統逐漸走向平穩態勢，而且，當時間達到600秒，系統也出現了階躍擾動問題，同普通的串級控制相比，ADRC串級控制系統則相對平穩，不會出現擾動問題。

4 總結

經過實驗模擬與仿真得出ADRC串級控制器在實際運轉過程中具有優勢的控制功能，在路溫度控制系統中可以發揮優勢作用，經過實驗證實這一方法能夠更加高效、快捷地發出反應，而且反應更加敏銳，擾動問題相對較小，無需過多的超調量，該控制器可以達到對爐溫的有效控制，系統的抗干擾能力大大增強。

[1]萬漢偉,龍偉,龐彪等.神經網絡預測控制在分段熱處理式電阻爐溫度控制中的應用[J].金屬熱處理,2012,35(8).

[2]劉川來,楊朋飛,寧通.基于Dalin-Smith預估補償的常壓加熱爐溫度控制系統[J].電子測量與儀器學報,2013,29(2)：89-93.

[3]羅及紅.基于PID算法的爐窯溫度串級控制系統設計.計算機測量與控制，2012，23(4/)：26-28.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.22.024