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(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077; 2. 西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

氣體流量控制回路因其動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜、響應(yīng)速度受限等現(xiàn)象給控制器的設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)。文中在分析魚雷氣體燃料動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)流量控制特性的基礎(chǔ)上, 使用增量式比例-積分-微分(PID)算法來實(shí)現(xiàn)氣體流量的動(dòng)態(tài)控制, 給出了控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)描述。在氣體流量自適應(yīng)控制器的設(shè)計(jì)階段, 首先在Ziegler-Nichol初始化基礎(chǔ)上, 試湊出一組具有良好控制效果的PID參數(shù), 并通過階躍試驗(yàn)確認(rèn)了該控制器的性能。仿真試驗(yàn)證明了該控制器在動(dòng)態(tài)環(huán)境下的自適應(yīng)能力。

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

0 引言

氫、氧燃燒后無污染, 便于構(gòu)成高效能、無排放的閉式循環(huán), 其高效綠色的特點(diǎn)日益受到各方重視。氫氧能源作為重點(diǎn)發(fā)展的清潔高效能源, 該領(lǐng)域研究已被我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)扶持。由于粗糙的人工調(diào)節(jié)已無法在動(dòng)態(tài)過程中滿足燃燒系統(tǒng)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(shí), 有效協(xié)調(diào)2種燃料流量是決定燃燒效果的關(guān)鍵[1]。

基于自動(dòng)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(gè)多世紀(jì)里, 以其控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 易于操作調(diào)整, 良好的魯棒性等優(yōu)點(diǎn)在冶金、機(jī)械、熱加工等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí), 研究人員也在過程控制應(yīng)用中不斷發(fā)展PID控制器的設(shè)計(jì)方法, 從最早的理論整定方法計(jì)算控制參數(shù)技術(shù)(廣義頻率法、根軌跡法、BODE圖等), 到后來在工業(yè)界廣泛應(yīng)用的Zielger-Nichlos及其改進(jìn)整定法, PID技術(shù)隨著歷史進(jìn)程不斷進(jìn)步。近年來出現(xiàn)的智能PID控制更向著自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)等先進(jìn)方向快速發(fā)展, 同時(shí)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)、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(dá)式為

針對(duì)魚雷氣體燃料動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)流量控制特性, 文中設(shè)計(jì)了基于PID原理的自適應(yīng)控制器。為滿足工程需求, 文中從研究系統(tǒng)硬件執(zhí)行元件與被控量特性出發(fā), 認(rèn)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(diǎn)關(guān)注的當(dāng)前時(shí)間下的目標(biāo)量與輸出量之間偏差值[2], 采用增量式PID控制技術(shù)。針對(duì)流量供應(yīng)技術(shù)要求, 在經(jīng)驗(yàn)公式整定的基礎(chǔ)上“手工細(xì)調(diào)”得出了比例、積分、微分3個(gè)參數(shù)數(shù)值。在最后的模擬驗(yàn)證中, 使用所設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)器聯(lián)動(dòng)控制兩路氣體流量, 并對(duì)控制過程采集的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了進(jìn)一步的分析。

1 增量式比例-積分-微分算法

在實(shí)際工作中, 要想提高控制質(zhì)量, 就必須采用連續(xù)的調(diào)節(jié)方式, 比例控制環(huán)節(jié)作為最簡(jiǎn)單的方式能實(shí)現(xiàn)偏差的不斷檢測(cè)。然而在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)條件下, 總會(huì)存在穩(wěn)態(tài)偏差。為了解決這一問題, 同時(shí)避免使用過大的控制增益, 引入了積分環(huán)節(jié), 其特點(diǎn)是低頻增益很大, 穩(wěn)態(tài)(直流)增益可達(dá)無限大, 對(duì)消除穩(wěn)態(tài)誤差有較好的效果。這是由于當(dāng)穩(wěn)態(tài)誤差存在時(shí), 隨著時(shí)間的推移其積分項(xiàng)不斷累積, 導(dǎo)致控制器輸出不斷增大, 從而減小誤差, 最終當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)消除此誤差。顯然, 比例與積分都針對(duì)歷史偏差及當(dāng)前偏差做出控制策略, 限制了控制的應(yīng)用, 預(yù)估誤差微分項(xiàng)的引入則充分的解決了此問題[2]。

在計(jì)算機(jī)環(huán)境下, 由于只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量, 式中的積分項(xiàng)與微分項(xiàng)無法直接計(jì)算, 則對(duì)式(1)離散后的數(shù)字化PID表示為

式中:為采樣序號(hào), 且=0, 1, 2,;表示第次采樣時(shí)刻控制量;表示第次采樣時(shí)刻的偏差值;為積分項(xiàng)系數(shù), 且;為微分項(xiàng)系數(shù), 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(biāo)控制系統(tǒng)與參數(shù)設(shè)計(jì)

為提高燃燒效率, 燃燒過程中燃料的質(zhì)量流量應(yīng)滿足確定的比例關(guān)系。軟件系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)2路流量, 以氫路流量為基準(zhǔn), 通過電流反饋改變氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度, 調(diào)整氧氣流量動(dòng)態(tài)滿足比例要求。

在該控制回路中, 流量作為調(diào)整量與被調(diào)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(dòng)態(tài)特性是由可壓縮性的氣體與管道上控制閥的動(dòng)態(tài)特性共同作用產(chǎn)生的, 加之流量的延時(shí)性, 導(dǎo)致系統(tǒng)控制復(fù)雜度顯著上升。

調(diào)節(jié)閥是控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)執(zhí)行元件, 應(yīng)滿足能夠連續(xù)調(diào)節(jié)氣體流量的要求[4]。該控制系統(tǒng)選用了tescom生產(chǎn)的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥, 控制氣體流量達(dá)到目標(biāo)值, 并穩(wěn)定在設(shè)定的動(dòng)態(tài)區(qū)間內(nèi)。由于氣體流量受壓力、溫度、管路設(shè)置等多方面因素影響, 易產(chǎn)生流量波動(dòng)。此外, 流量與閥門的開度并不成線性關(guān)系, 這就給控制流量達(dá)到目標(biāo)設(shè)定值增加了難度, 系統(tǒng)組成示意圖如圖3所示。

根據(jù)增量式PID算法, 偏差值()由設(shè)定值與實(shí)時(shí)反饋的流量值計(jì)算得到, 控制增量則由相鄰的偏差量之差, 結(jié)合比例、積分、微分系數(shù)計(jì)算得到, 并最終對(duì)管路中的調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)控制。

2.1 被控對(duì)象

作為系統(tǒng)的被控對(duì)象, Tescome的Er3000是一種多用途氣動(dòng)調(diào)節(jié)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(shí)現(xiàn)氣體流量調(diào)節(jié)。當(dāng)開度反饋采用電壓輸出時(shí), 信號(hào)傳輸中產(chǎn)生的壓降較大, 所以使用了電流反饋方式。

在由NI公司開發(fā)的LabWindows環(huán)境下編寫的監(jiān)測(cè)控制程序, 能夠在監(jiān)測(cè)兩路氣體流量的同時(shí)控制管路中的閥門機(jī)構(gòu)。在設(shè)定目標(biāo)流量或聯(lián)動(dòng)控制模式下, 該軟件系統(tǒng)在PID控制算法調(diào)節(jié)下動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出電流, 控制氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度, 改變氧氣路流量達(dá)到目標(biāo)值。

2.2 控制參數(shù)

首先以氣體流量的目標(biāo)值為基準(zhǔn), 確定出系統(tǒng)振蕩和顯著延遲的比例系數(shù), 并以此為臨界參數(shù)確定該系統(tǒng)的取值區(qū)間。在保證系統(tǒng)穩(wěn)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(yīng)快, 超調(diào)小的響應(yīng)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

嚴(yán)格監(jiān)督款項(xiàng)的后期流向。眾籌由于涉及到資金往來，是否能夠真正用于公益是捐贈(zèng)者最為關(guān)心的問題。對(duì)于后臺(tái)審查通過的項(xiàng)目，在接受線上公開捐款后，應(yīng)實(shí)時(shí)在線公開反饋資金運(yùn)用信息并接受公眾的監(jiān)督。在平臺(tái)上線的項(xiàng)目，捐款均直接進(jìn)入指定銀行賬戶，之后再由平臺(tái)經(jīng)過審批流程分批撥發(fā)。同時(shí)，捐贈(zèng)者通過微信支付等方式捐贈(zèng)的款項(xiàng)也會(huì)自動(dòng)形成具體的資金明細(xì)在平臺(tái)公開。善款使用后，發(fā)起人需要上傳相關(guān)使用證明，將資金使用情況實(shí)時(shí)反饋給捐贈(zèng)者，讓捐贈(zèng)者知情，從而保證項(xiàng)目信息的公開透明，增強(qiáng)平臺(tái)的公信力。

由于研究對(duì)象為氣體流量控制系統(tǒng), 氣體的特殊力學(xué)特性導(dǎo)致控制中可能存在的滯后、跳動(dòng)等現(xiàn)象。結(jié)合實(shí)際工作環(huán)境, 文中重點(diǎn)闡述了調(diào)試過程中的參數(shù)試湊過程與響應(yīng)流量曲線特性。試驗(yàn)利用代用工質(zhì)氮?dú)狻錃饽M系統(tǒng)燃料比例變化條件下的控制特性, 構(gòu)建控制模擬試驗(yàn)系統(tǒng), 通過調(diào)節(jié)代用工質(zhì)流量, 實(shí)現(xiàn)流量的自適應(yīng)控制。

調(diào)節(jié)控制模擬試驗(yàn)的相關(guān)試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括以下幾方面。

1) 氦氣供應(yīng)與調(diào)節(jié)系統(tǒng): 主要包括氦氣瓶、減壓器、手動(dòng)調(diào)節(jié)閥、背壓閥。氦氣瓶經(jīng)減壓器提供一路氦氣, 手動(dòng)調(diào)節(jié)閥用來調(diào)節(jié)氦氣流量, 背壓閥用來模擬燃燒室的壓力。

2) 氮?dú)夤?yīng)與調(diào)節(jié)系統(tǒng): 主要包括氮?dú)馄?、減壓器、手動(dòng)調(diào)節(jié)閥、背壓閥。氮?dú)馄拷?jīng)減壓器提供一路氦氣用于模擬氧氣, 程控調(diào)節(jié)閥根據(jù)來自控制計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁? 背壓閥用來模擬燃燒室的壓力。

3) 測(cè)控系統(tǒng): 氦氣和氮?dú)夤?yīng)路上均設(shè)置有流量和壓力傳感器用以測(cè)量相應(yīng)參數(shù), 控制計(jì)算機(jī)采集傳感器的測(cè)量信號(hào), 經(jīng)PID算法后輸出控制電流信號(hào)操縱程控調(diào)節(jié)閥, 實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。

控制過程中, 流量計(jì)反饋電流通過A/D轉(zhuǎn)換處理得到數(shù)字量, 根據(jù)增量式控制原理, 計(jì)算目標(biāo)流量與的差值, 得到偏差量, 并根據(jù)算法控制變化量, 進(jìn)一步經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換, 執(zhí)行閥門開度調(diào)整動(dòng)作, 修正位置誤差。

3.1 階躍響應(yīng)試驗(yàn)

為了確定控制效果較好的PID參數(shù), 達(dá)到快速調(diào)整流量滿足目標(biāo)值的需求, 經(jīng)過多次參數(shù)計(jì)算與模擬調(diào)試, 獲得了較好的試驗(yàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)如圖4所示, 試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 階躍響應(yīng)試驗(yàn)參數(shù)

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知, 采用該組控制參數(shù), 氮?dú)饬髁康恼{(diào)節(jié)時(shí)間約為10 s, 超調(diào)僅為9%, 滿足系統(tǒng)的控制要求。

3.2 比例控制試驗(yàn)

試驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證該P(yáng)ID控制器流量比例控制的效果, 試驗(yàn)采用表1所示的PID參數(shù), 通過改變氦氣流量測(cè)試控制系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力, 對(duì)應(yīng)調(diào)整過程的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5所示。

通過操作手動(dòng)調(diào)節(jié)閥使氦氣流量從3.1 kg/h上升至3.8 kg/h, 隨后經(jīng)過3次下降最終穩(wěn)定在2.0 kg/h。再使用PID控制調(diào)節(jié)閥使氮?dú)饬髁扛S氦氣流量的變化趨勢(shì), 經(jīng)過1次上升和3次下降最終穩(wěn)定在16 kg/h。

平穩(wěn)段1(140~170 s)的流量比值控制精度

平穩(wěn)段2(210~240 s)的流量比值控制精度

平穩(wěn)段3(260~290 s)的流量比值控制精度

平穩(wěn)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(biāo)的要求。由上述試驗(yàn)結(jié)果可知, 通過PID控制調(diào)節(jié)閥可以使氮?dú)饬髁亢芎玫馗S氦氣流量的變化趨勢(shì), 二者的流量比例始終維持在目標(biāo)值附近。

通過系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制模擬試驗(yàn), 掌握了氣體流量調(diào)節(jié)的控制規(guī)律, 并通過兩路氣體流量的協(xié)調(diào)控制試驗(yàn)驗(yàn)證了比例控制精度, 試驗(yàn)結(jié)果表明, 流量比例控制精度達(dá)到0.65%, 滿足不超過5%的技術(shù)指標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中重點(diǎn)討論了魚雷動(dòng)力系統(tǒng)氣體流量自適應(yīng)控制器控制管路的流量PID控制方案。通過分析對(duì)比不同算法的特性, 在充分考慮氣體力學(xué)特性與系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)上, 選定增量式PID算法設(shè)計(jì)控制算法, 并將該算法結(jié)合控制元件應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中加以驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明, 使用此算法設(shè)計(jì)的控制器不論是在響應(yīng)階躍負(fù)載, 或是跟隨流量聯(lián)動(dòng)控制試驗(yàn)均具有較為理想的阻尼效果, 能夠快速控制氣體流量達(dá)到目標(biāo)值, 保證流量的動(dòng)態(tài)供應(yīng)滿足系統(tǒng)要求。

[1] 高育科, 彭博, 胡巍, 等．氫氧加濕燃燒過程一維數(shù)值仿真[J]．魚雷技術(shù), 2013, 21(2): 126-131.
Gao Yu-ke, Peng Bo, Hu Wei, et al. One-dimensional Numerical Simulation of Humidified Hydrogen-oxygen Combustion[J]. Torpedo Technology, 2013, 21(2): 126- 131.

[2] 趙勇, 何寶福, 余巍, 等．基于增量式 PID控制實(shí)現(xiàn)高精度跟蹤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J]．戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù), 2009(1): 66-69．
Zhao Yong, He Bao-fu, YuWei, et al. Design and Study of High Precision Tracking Mechanism Based on Incremental PID Control[J]. Tactical Missile Technology, 2009(1): 66-69．

[3] 宛傳平, 李慧．增量式PID控制在電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)中應(yīng)用研究[J]．中國(guó)農(nóng)機(jī)化, 2010(3): 84-87.
Wan Chuan-ping, Li Hui. Application Research of Incre- mental PID Control in the Electronic Throttle Control Sy- stem[J]. Chinese Agricultural Mechanization, 2010(3): 84-87.

[4] 劉勇, 馬建新, 計(jì)敏, 等．亞硝胺化學(xué)發(fā)光檢測(cè)系統(tǒng)氣體流量控制器設(shè)計(jì)[J]．自動(dòng)化與儀表, 2012, 31(7): 16-19.
Liu Yong, Ma Jian-xin, Ji Min, et al. Design of Gas Flow Controller for Chemiluminescence Detection System of Nitrosamines[J]. Automation & Instrumentation, 2012, 31(7): 16-19.

[5] 吳麒, 王詩(shī)宓．自動(dòng)控制原理[M]．北京: 清華大學(xué)出版社, 2006.

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

高慧中(1989-), 男, 助理工程師, 主要研究方向?yàn)樵肼暅y(cè)試與分析及特征提取方法.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)