自抗擾控制技術在聚丙烯造粒裝置風送系統中的設計與實現

吳群群，陳郇，李大字

(1. 中國石化中原石油化工有限責任公司，河南 濮陽 457000；2. 北京化工大學 信息科學與技術學院，北京100029)

聚丙烯造粒裝置是工業中重要的生產裝置，其安全性和故障發生率等問題一直是業內研究的熱點[1]。某公司聚丙烯造粒裝置最初設計生產能力為4 t/h，現今提升到8.8 t/h。負荷的提高，使得設備故障發生率也大幅提高。造粒裝置是一個復雜的生產系統集合體，而風送系統是造粒裝置的核心，也是邏輯關系、控制關系都較為復雜的系統。由于靜電、物料濕度、溫度、物料形狀大小等的變化，使得風送系統經常會受到擾動，進而影響產品的品質。為了解決該問題，通過自抗擾控制技術來控制風機中電機頻率，使得壓力在恒定值附近的波動盡可能小。

1 聚丙烯造粒裝置風送系統簡介

聚丙烯造粒裝置主要功能是將聚合反應生成的粉料加工成易保存的便于運輸的高附加值的顆粒產品，包括風送系統和擠壓造粒系統兩個部分。在實際生產中，風送系統主要有粉料輸送系統(PK802)、添加劑計量系統、粒料輸送系統(PK901)三個子系統，其中PK802與PK901子系統所對應的風機為C804A/B和C902A/B，分別將聚丙烯粒料輸送到料倉D901A/B/C/D和D902中。風送系統流程如圖1所示。

圖1 風送系統流程示意

風送系統是聚丙烯造粒裝置中重要的部分，其控制性能在學術研究以及工業應用中都得到廣泛關注[2-3]。該系統由于受到溫度、靜電以及物料形狀大小等因素的影響，壓力會出現較大波動[4]。傳統的PID不需要了解對象具體模型，控制策略是根據控制目標與實際行為之間的誤差來確定并消除該誤差，但在外界影響較大時，控制目標的控制效果不佳，會出現較大波動。自抗擾控制技術在繼承PID優點的前提下，有很強的抗干擾能力，且已在多個場合得到應用與驗證[5-6]。

2 自抗擾控制技術簡介

自抗擾控制技術最早由韓京清教授提出[7]，高志強在該基礎上提出線性自抗擾控制技術，使得該技術在工業生產等實際過程中得到了廣泛的應用[8]。線性自抗擾控制器結構如圖2所示，主要由擴張狀態觀測器和線性狀態誤差反饋兩部分組成，其中擴張狀態觀測器是自抗擾控制器的核心，其作用是通過被控對象的輸入與輸出來估計系統的狀態和總擾動，并實時補償總擾動。

圖2 線性自抗擾控制器結構示意

考慮某單入單出被控對象：

(1)

式中：u，y，b，ω——被控對象的輸入、輸出、增益和擾動。

將式(1)轉化為積分串聯形式，得到式(2)如下：

(2)

(3)

根據式(3)的擴張狀態形式的被控對象設計得到擴張狀態觀測器如式(4)所示：

(4)

(5)

式中：u0=k1(r-z1)-k2z2-…-knzn；r——參考信號；k1，k2， …，kn——待調參數。

3 自抗擾控制技術的實現

在第2章中介紹了自抗擾控制器的設計，但在實際對象上并不能直接應用。在大多數PLC的上位機編程軟件中，都有關于PID控制算法的功能塊可以直接應用，但是對于自抗擾控制算法功能塊則需要另外單獨編寫。

3.1 自抗擾控制算法的離散化

由于在PLC中的計算都是以離散形式進行，所以要先對所設計的自抗擾控制器進行離散化。本文選用零階保持器離散化方法[9]，為了方便程序的編寫，采樣時間設置與PLC掃描周期一致。經過離散化后，可以得到以擴張狀態形式表現的被控對象，如式(6)所示：

x(k+1)=Φx(k)+Γu(k)

y(k)=Hx(k)+Ju(k)

(6)

該對象設計狀態觀測器可得公式如式(7)所示：

(7)

式中：Ld——觀測器增益，為待調參數。

為了在PLC中實現，將Ld替換為ΦLc，如此可以得到的表達式如式(8)所示：

(8)

3．2 自抗擾控制算法在PLC中的實現

該公司聚丙烯造粒裝置整體使用的是西門子300系列的PLC，編程軟件采用STEP7。該編程軟件可以使用LAD，STL和FBD三種語言進行編程，憑借直觀的可視化編程方式，梯形圖LAD在實際中應用比較廣泛。在對自抗擾控制器的LAD語言編程中，需要將自抗擾控制器功能塊編寫在循環中斷塊中。主要步驟如下：

1)首先編寫離散形式擴張狀態觀測器功能塊，將壓力變送器傳送的信號以及變頻器信號經轉化后送入該功能塊，經計算得到下一時刻的狀態，并保持到下一個掃描周期，以該形式來實現差分的計算。

2)在擴張狀態觀測器功能塊的基礎上，加入線性狀態誤差反饋控制律得到線性自抗擾控制器功能塊。

3)利用帶寬參數化方法[10]進行參數的調試并應用。

將圖1中換熱器1出口壓力在WinCC的過程值歸檔數據中導出，通過與傳統PID數據對比得出如圖3所示趨勢線。

圖3 換熱器1出口壓力采用自抗擾控制和PID控制效果對比示意

從圖3可以看出，相較于PID控制，換熱器1出口壓力在線性自抗擾控制器控制下波動更小。

4 結束語

雖然自抗擾控制在PLC中的應用，包括程序的實現以及參數的調整相較于經典PID控制技術較為復雜，但是該技術可以有效地減小風送系統壓力的波動，使得風送系統能更平穩地工作，以獲得更高的產品質量。如何將自抗擾控制技術更快更方便地應用于聚丙烯裝置風送系統的控制中是之后更需要關注與研究的一個方向。