基于MPCE装置的具有非线性的卧罐液位常规控制系统设计.docx
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基于MPCE装置的具有非线性的卧罐液位常规控制系统设计
基于MPCE装置的具有非线性的卧罐液位常规控制系统设计
摘要
在当代工业过程控制中,液位控制是一种典型的过程控制。
而在早期的的工业生产中,液位控制一般是采用简单的PID控制方法实现的。
常规PID控制器有许多的优点,例如算法简单,无余差,可靠性高等等。
PID控制器设计的核心在于参数的整定:
对于一个对象特性稳定的对象,通过调整三个参数可以达到较好的控制效果;但是对于一个对象特性变化较大的对象,由于固定的参数只适用于一种对象特性,所以达不到很理想的控制效果。
模糊控制方法是另一种过程控制方法,模糊控制器具有不依赖数学模型和适应能力强的优点,但是其控制精度较差。
根据这两种控制器的特点,人们提出一种新的控制策略:
模糊PID控制策略。
模糊PID控制器具有上述两种控制器的优点,同时克服了它们的缺点,使系统响应速度加快,并大大减少了过渡时间,具有较好的鲁棒性,在非线性液位系统中也具有很好的控制效果。
本文基于对MPCE1000装置的卧式槽罐液位的研究,介绍了模糊PID控制在非线性液位中的应用。
首先,简单介绍PID控制和模糊控制的特点和发展状况。
其次,对MPCE1000装置进行简单的介绍,并对卧式槽罐的液位的对象特性进行分析,同时对卧式槽罐的动态模型进行推到;再次,用VB语言设计常规PID控制器和模糊PID控制器,俩者进行比较后得出:
在非线性系统中,模糊PID控制器比常规PID具有更好的控制效果。
最后,总结全文,并对模糊PID控制的发展前景就行展望。
关键词:
液位对象;非线性系统;MPCE装置;PID控制;模糊PID控制
第1章前言
1.1课题研究的背景及意义
随着现代工业的快速发展,含有液位控制系统的生产领域越来越多,人们对液位控制系统的响应速度、控制精度、鲁棒性和适应能力的要求越来越严格。
而在实际的工业生产中,被控对象的对象特性一般都是具有非线性、大迟滞等的特点,常规的PID控制难以达到良好的控制效果。
因此,研究针对非线性、大迟滞的对象的先进控制方法,提高控制效果,具有重要的现实意义。
本文所研究的液位系统是MPCE1000装置中的卧式槽罐液位系统。
该装置包含非线性液位、离心泵、三级液位、连续间歇反应、气体压缩和热交换等多个在工业中常见的流程。
人们可以通过该设备完成常规PID系统的设计和参数整定,还具有和PLC、VB等软件设备实现通信的功能,可以用多种语言编写程序的目的,实现多元化教学研究的目的。
本文研究的模糊PID控制方法重点是过程控制策略的设计和实现,具有很强的适应性,可以应用于其他不同控制对象的系统。
1.2课题研究的任务
现实的液位系统存在许多干扰,例如温度、压力、出口流量等等,液位系统的许多参数不易确定,而且具有非线性、大迟滞、参数变化大等不利于控制的因素,因而液位控制系统要有较好鲁棒性,即对象特性发生变化时,控制器可以自动调节参数,使系统对该变化具有良好的鲁棒性。
故设计的控制系统的特点应包括:
(1)响应速度快,调节时间短,超调量小;
(2)能够快速消除外部干扰的影响;
(3)具有较强的鲁棒性。
1.3本文要做的工作
本文首先要熟悉MPCE1000实验平台的非线性液位系统的工艺流程,并对被控对象进行特性分析,随后用VB语言编写常规PID控制器和模糊PID控制器,分别对被控对象进行仿真实验,通过比较仿真结果得出结论,模糊PID控制器比常规控制器更具良好的控制效果。
第1章为绪论,介绍本课题的来源、研究意义及任务。
第2章为综述,介绍了非线性液位控制的研究现状,结合本文所研究的问题,介绍了模糊控制在现代工业生产中应用的情况
第3章为MPCE1000实验平台的简介和对被控对象的动态特性分析,并建立对象的数学模型。
第4章为常规PID控制算法的设计
第二章综述
2.1非线性液位控制的研究现状
液位控制是现代工业自动化生产中的一个重要的组成部分,在石油化工、制药、冶金等许多行业都有涉及。
目前,液位控制一般采用常规PID或串级、比例等构成的控制方案。
这些方案的参数一般是依靠人工经验法进行整定的,而常规控制器参数的整定是依靠较准确的对象模型的参数进行确定的。
但实际工业生产中,由于过程对象自身的机理复杂、各对象间关联严重等因素,控制对象一般都具有非线性、时变性、大迟滞等特性,常规的参数整定方法确定的参数并不能取得很好的控制效果。
近些年来,针对液位控制中存在的种种问题,许多研究机构纷纷提出了一些先进控制策略和优化算法来解决液位控制系统中的非线性、大迟滞、参数时变性等问题。
例如,浙江工业技术学院采用BP神经网络PID算法控制策略对液位进行控制,该控制系统的响应速度和鲁棒性都比常规PID控制系统有很大的提高。
但是,由于液位的调节时间较长,BP神经网络算法需要大量的训练,故该方案需要大量的工作,实施起来不够方便。
华北电力大学采用反馈线性化的方法对非线性的液位模型进行反馈线性化补偿,达到线性系统的控制效果,具有较高的控制精度。
但是,该算法依赖于准确的对象模型,由于许多对象的模型由于工艺复杂,对象变量关联太多,对象模型不易确定,和一些理论上的研究并未完备,因此该算法适应性不强。
中国科学技术采用一种非线性广义预测控制策略来对液位进行控制,该策略根据液位对象的机理模型,在工作点附近近似将其机理模型线性化,通过在线预测控制器的位置参数,从而达到控制目标。
这种控制策略能够很好的跟踪设定值,并且对设定值的变化和参数的的波动等,均具有良好的自适能力。
但是,这种策略只针对较弱的非线性系统有良好的控制效果。
同时,燕山石化公司采用非线性预测策略控制分馏塔的液位,对这种对象特性复杂和非线性特性时变的系统达到了较好的控制效果。
这种非线性模型的特征在于它包括了一般的黑盒形式中的过程非线性特性,这使得进一步的非线性控制器基于一种易于实现的线性迭代理论。
这种控制器可以自动操作工作单员的日常运行和提高抗干扰能力。
本文在控制算法上主要采用自整定参数模糊PID控制算法,能够根据对象模型的变化在线调整PID控制器的参数。
本文又采取了常规PID控制算法,通过两种算法的控制效果的比较得出结论:
参数自整定模糊PID控制器具有更强的自适应性和鲁棒性,具有比常规PID控制器更好的控制效果。
2.2PID控制器的应用及发展
在过去的四五十年里,PID控制器在工业生产中得到广泛的应用。
在科学技术快速发展和控制理论不断创新的今天,工业各部门生产中百分之九十以上的控制回路都含有PID结构,并且许多新提出的控制理论和算法不断的和PID控制算法相结合形成更加高级的控制系统。
PID控制器产生于二十世纪出。
尽管1940年后,许多先进的控制理论和算法不断被提出,但是PID控制器以其简便的结构,对准确模型的误差的鲁棒性、参数易整定及方便的操作等优点,仍广泛的应用于石油化工、冶金、电力等工业过程控制中。
PID控制理论的发展过程,归根究底就是其参数整定方法和参数自适应性的研究过程。
1942年,Nichols和Ziegler提出了被称为Z-N的PID参数整定公式,这是科学家首次提出PID参数的整定方法。
尽管已经过去70多年,但是这种方法让广泛的应用于工业过程控制中。
1953年,Cohen和Coon在Z-N整定公式的基础上进行发展创新,提出一种考虑被控对象时滞大小的Cohen-Coon整定公式。
自Z-N整定公式提出后,许多新技术和算法被引进到PID控制器参数的手动整定和自动整定里。
按发展阶段可以分为常规PID参数整定方法和智能PID参数整定方法;按被控对象的个数分为单变量PID参数整定方法和多变量PID参数整定方法;按照被控对象的组合形式划分为线性PID参数整定方法和非线性PID参数整定方法。
一边情况下,前者理论都已经很成熟,属于常规的PID参数整定方法。
后者都是随着现代工业和技术的发展,重新提出的用来满足日益复杂的控制要求的参数整定方法,是今后研究方向的重点。
2.3模糊控制理论的提出和发展
随着现代科学技术和先进工业的快速发展,生产系统越来越大,控制对象越来越多,控制变量间的关联性也越来越强,导致了控制器设计的任务和控制目标越来越复杂。
另外,自动化生产在现代工业生产中所占的比重越来越大,人们对自动控制的品质的要求越来越高,传统的自动控制原理难以满足日益复杂的控制系统的控制要求。
许多控制系统的复杂性不仅仅表现为多维性,还有以下集中特征:
(1)被控对象模型的不确定性和时变性;
(2)高度的非线性;
(3)系统采样信息的模糊性;
(4)控制目标的多样性、多层次性。
因此,建立一种新的控制策略来满足以上的控制要求显得十分重要。
1965年,美国加利福尼亚大学的教授Zadeh首次提出模糊集合理论,这是学术界首次提出模糊理论。
在1974年英国的教授E.H.Mamdani首次成功的将模糊控制策略应用于锅炉和蒸汽机的控制。
随后,模糊控制理论不断的被完善,由于模糊控制理论的良好的适应性,人们不断把模糊控制理论和其他的控制理论相结合,研究出适应现代化生产控制目标的控制策略,并取得了巨大的成功,模糊控制也得到了广泛的应用。
这取决于模糊逻辑本身就是根据提供的专家语句的信息进行策略推理的一种控制策略推理方法,所以可以解决许多复杂的无法得到准确数学模型的系统的控制品质问题。
模糊推理可以很好的解决控制系统和推理系统的不确定性和不准确性等问题。
从广义上来看,模糊控制原理基于模糊推理,可以模仿操作人员的思维形式,并对难以获得准确数学模型的控制系统就行控制。
它是模糊数学和现代控制理论相结合而提出的先进控制策略,同时也是现代智能控制的一个重要组成部分。
模糊控制的特征如下:
(1)控制系统的设计不要求获得被控对象的准确的数学模型,只需要有工作人员的工作经验知识和过往具体的操作参数等;
(2)控制系统具有较强的鲁棒性,可以应用于非线性、时变、大迟滞等常规控制策略难以解决的非线性系统;
(3)用语言变量代替常用的数学变量,更容易的生成“专家知识库”;
(4)模糊控制采用“不精准推理”(approximatereasoning),并在推理过程中模仿工作人员的思维方式,可以人性化的借代工作人员的经验,所以可以解决一些极端“病态”的系统。
近些年来,模糊控制在理论上不断取得重大突的同时,已经越来越多的应用到各工业生产现场中。
但是,跟常规控制方法相比,模糊控制的优势是什么呢?
许多研究机构研究表明,采用启发式规则的模糊控制器的性能优于常规控制器的性能的同时,是否进行了平等的对比,即用性能比较好的模糊控制器和性能比较差的常规PID控制器进行比较。
模糊控制算法在现实应用中取得很大的成功,它具有许多常规控制算法不具备的优点。
但是,在对一个未知对象进行观察和学习认识时,模糊控制就不能对该对象有一个很深刻的认识,需要工作人员认为的为模糊控制器输入规则策略,从而达到对该位置对象的全面深刻的认识。
因而,模糊控制器需要人工经验的输入才能进行模仿人的思维方式进行推理判断。
模糊控制要达到完全仿真人脑的智能效果,需要在工程中不断的向自适应、自学习、自组织的方向就行优化发展。
本文所设计的控制算法是将模糊控制与PID控制进行有效的结合。
通过仿真比较,结果表明,新的控制器既有PID控制的较快的响应速度、准确的控制品质,又有模糊控制的自适应性强、鲁棒性高的优点。
第3章MPCE1000装置的非线性卧罐液位系统
3.1MPCE1000装置简介
MPCE1000装置是北京化工大学研发的一种多功能过程和控制实验平台。
该试验平台通过将小型半实物过程系统、微机控制系统与全数字仿真技术结合,实现了集多种教学和实验功能于一身、真实感强、一机多用、无须物料、没有产物和副产物、维修简单、节能、安全、环保等理想实验系统的要求,具有很强教学实验作用。
MPCE-1000实验平台由小型流程设备盘台、数字式软仪表与接口硬件、系统监控软件及过程模型软件四部分组成。
四部分通过小型实时数据库、实时数字通信协调运行,完成复杂的化工过程与控制模拟实验。
图3-1MPCE1000实验平台
MPCE1000实验平台是有多种工艺过程组合而成。
该试验平台可以进行离心泵与液位系统开、停车实验,离心泵特性测试,故障实验和控制系统实验;三级液位系统可以进行串联容器物料平衡实验与计算,液位自衡实验及流体力学实验,多级液位控制训练;气体压缩系统可以进行管路阻力和压降试验,气体体积流量换算实验,透平式气体压缩机特性试验,气体压力与流量控制训练;列管式热交换器传热系统可以进行多工况对数温差测试与核算,多工况总传热系数测试与核算,列管式热交换过程温度控制训练。
连续反应过程选择工业常见的带搅拌的釜式反应器(CSTR)系统,同时又是高分子聚合反应,具有广泛的代表性。
该实验平台可以进行连续反应开、停车试验;多因素(进料量、冷却量、催化剂量、搅拌等)影响试验与分析;全混流连续反应平均停留时间测试与估算;全混流连续反应平均转化率测试与产量计算;多组分汽液平衡压力测试与估算;本实验系统还可以进行安全分析和过程控制训练。
间歇反应过程在精细化工、催化剂制备、制药业、溶剂与染料中间体等行业具有广泛的代表性。
间歇反应实验系统可以进行开、停车试验;多因素影响试验与分析;物料量的计量与核算;主、副反应竞争试验与分析;反应主产物浓度变化规律测试与分析;反应温度变化规律测试与分析;反应压力变化规律测试与分析等。
此外还可以进行安全分析、间歇过程控制、故障诊断和高级控制实验。
MPCE1000装置各流程部分如下图所示:
图3-2MPCE1000多种工艺过程组合
3.2离心泵与液位系统简介
图3-2所示为离心泵与液位系统的流程图。
液位系统为卧式储罐,其进口设双效阀(既可以设定为手动阀,又可以设定为控制阀)为V1,入口流量为F1,储罐液位为L1,储罐下边出口设快开阀S1(开关),离心泵,离心泵的入口压力为P2,离心泵的出口压力为P3,离心泵的出口流量为F2,离心泵高点排气阀S3(开关),排气完成指示灯D1,离心泵出口设双效阀V2。
通过离心泵与卧式储罐可以完成非线性液位的控制实验。
图3-3离心泵与液位系统流程图
3.3离心泵与液位系统的开车
3.3.1离心泵工作原理
离心泵一般由电动机带动,启动前须在离心泵的壳体内充满被输送的液体。
当电机通过联轴结带动叶轮高速旋转时,液体受到叶片的推力同时旋转,由于离心力的作用,液体从叶轮中心被甩向叶轮外沿,以高速流入泵壳,当液体到达蜗形通道后,由于截面积逐渐扩大,大部分动能变成静压能,于是液体以较高的压力送至所需的地方。
当叶轮中心的流体被甩出后,泵壳吸入口形成了一定的真空,在压差的作用下,液体经吸入管吸入泵壳内,填补了被排出液体的位置。
3.3.2离心泵在开启前为何要冲液、排气
离心泵若在启动前未充满液体,则离心泵的壳体内极易存在空气,由于空气密度很小,因而产生的离心力就很小。
这时在液体吸入口处形成的真空压力不足以将液体吸入到离心泵内,因而不能将液体输送到高处,这种现象为“气缚”。
少量的离心泵也会因为工作负荷过低,产生喘振现象,导致出口流量的大幅变化,也会引起机器的剧烈震荡,有损机器设备。
所以,在离心泵开启前,离心泵的壳体里必须充满液体。
3.3.3开车步骤
打开离心泵与液位系统的实验工程,将阀门V1、V2设定为程序控制,开度设为0,
其余各开关量均保持关闭状态。
启动工程,将控制阀V1的开度设为55%,液位L1
开始上升。
直至L1上升到30%时,开启出口开关和排气开关。
等到排气指示灯D1
亮起后,表明排气完成。
开启离心泵开关S2,低负荷启动离心泵电动机。
打开出口
阀V2,并手动调节V2开度,直至流量F2上升到5.5kg/s左右且稳定不变。
为了防
止离心泵开动后水罐液位上升的过高或下降的过低,手动操作V1使液位上升到50%
左右,然后调整阀门V1使F1流量达到5.5kg/s左右且稳定不变。
开车完成。
用VB语言编写的程序控制的开车过程各变量的变化情况如下图所示:
图3-4开车过程各变量数值变化
其中,红线代表液位L1,蓝线代表进口流量F1,浅绿色线代表出口流量F2,褐
色线代表罐底部开关S1,粉色线代表离心泵开关S2,深绿色线代表排气开关S3。
3.4非线性卧罐液位系统
3.4.1卧罐液位是非线性的原因
卧式圆储罐的容器形状特点是,L1=50%的高度横截面积最大,而L1从0%上升到50%,
容器横截面积从最小逐渐变化到最大。
L1从50%上升到100%,容器横截面积又从最
大变化到最小。
因此,在液位L1的中部,单位时间向容器注入相同容积的液体导致
液位上升的高度最小,在容器的底部或顶部,单位时间向容器注入相同容积的液体
导致液位上升的高度逐渐变大。
所记录的L1变化曲线呈倒“S”形,中间变化平缓,
两端变化逐渐加大。
故是由于容器的形状导致了液位变化的非线性。
图3-5卧罐液位特性测试曲线
卧罐内的水排空,进口阀V1满开度,出口阀V2关闭,进口流量F1=14.5kg/s,经
过300s卧罐充满水,液位曲线如图3-5所示,呈S行。
3.4.3非线性卧罐液位对象建模
图3-6卧罐液位截面
各符号表述如下:
——入口流量
——出口流量
H(t)——液位高度
——入口流量系数
α——出口流量系数
u(t)——控制器输出
v
(2)——出口阀开度
L--卧罐的长度
R--卧罐的横截面的半径
A--卧罐的横截面积
入口流量
=
*u(t)(3.1)
出口流量
=α*v
(2)(3.2)
则卧罐液位的变化率
(3.3)
卧罐的横截面积是一个可变量,且与液位H(t)有关。
由图3-4可知:
(3.4)
根据以上几个公式,可以将公式3.3改写为:
(3.5)
当出口流量恒定,控制入口流量时,上式可以改写为
(3.6)
其中
为一个常数。
第4章PID控制控制算法的研究
4.1PID控制算法简介
液位控制系统是以液位的大小为控制目标的控制系统,它在各个工业部门的生产流程中均有广泛的应用。
PID控制器以其结构简单、参数整定简单、操作简便和维护方便等优点,被广大的现场操作人员所接受认可。
在各种先进控制理论不断被提出的今天,工业生产领域的90%以上的控制回路还是采用PID结构的。
PID控制器是按偏差的比例P、积分I和微分D进行控制的,比例P、积分I、微分D三个参数分别代表偏差的现在、过去和将来的信息。
工业生产的控制回路要采用反馈控制时,因其累积的丰富的经验,工作人员通常也会首选PID控制回路进行实验。
由于上述的诸多优点,PID控制在工业生产过程控制中仍然占有主导地位。
4.2PID控制器的工作原理
反馈控制是自动控制原理中一项重要的概念。
现代的自动控制技术一般都是属于反馈控制。
反馈控制理论的三个关键要素是:
测量、比较、调节。
即把测量值跟设定值做比较,根据偏差的大小和方向来调节控制器的输出,使偏差不断减小,达到预期的控制效果。
PID控制器就是采用比例(现在)、积分(过去)、微分(将来)的关系来进行调节系统的自动控制器。
PID控制器是控制理论中最早提出的控制策略之一,发展到现在已有七十多年历史,以其结构简单、操作方便、可靠性高和鲁棒性好等优点,仍然被广泛的应用于工业生产过程控制中。
至今,90%以上的控制回路仍然包含PID结构。
当被控的液位对象的模型和参数很难得到准确的数学模型时,现有的控制理论和技术难以起作用,这就需要现场的经验来确定控制器的结构和进行参数整定。
PID控制器,包括PI控制器、PD控制器和PID控制器三种。
常规的PID控制器是一种线性的控制器,工作原理是:
根据设定值和测量值的偏差的大小和方向,将偏差根据比例、积分、微分进行线性组合后从控制器输出控制量,对被控对象实施控制的。
常规PID控制的原理图如图4-1所示:
图4-1常规PID控制系统原理图
常规PID控制原理图主要由PID控制器和被控对象两部分构成。
PID控制器是由比例P、积分I和微分D三个环节构成。
它是根据设定值r(t)与测量值y(t)比较后的偏差e(t),将偏差e(t)进行比例、积分、微分的线性组合计算出控制量,从而达到控制目标,故称其为PID控制器。
PID控制器的控制模型如下式所示:
(4.1)
上式中,u(t)是控制器的输出;e(t)为给定值与测量值的偏差,是控制器的输入;
是比例系数;
是积分时间;
是微分时间。
一般来说,PID控制器三个环节的控制作用如下:
(1)比例部分
由比例部分的表达式可以看出:
比例系数
可以加快系统的响应速度,并提高系统的控制精度。
的值越大,控制系统的响应速度越快,系统稳态误差越小。
但是,
的值过大时,会导致系统超调过大和震荡,使系统变得不稳定,因此,
的值不能过大;
的值过小时,则会导致系统响应速度,并降低系统的调节精度,使系统的动态、静态性能变坏。
故比例系数
必须选择适当的值,才能加快响应速度、增强控制精度和使系统稳定的控制品质。
(2)积分部分
由积分部分的表达是可以看出:
系统只要存在偏差,积分作用就会不断的累积增强。
只有偏差在e(t)=0的情况下,控制器的积分部分才是一个常数,同时控制器的作用为一个常数。
因此,积分部分可以消除系统的稳态误差。
积分时间
越大,积分作用越弱,这时,系统过渡过程不易产生震荡,但是消除稳态误差的时间比较长;积分时间
较小时,则积分作用较强,这时,系统过渡过程容易产生震荡,但是系统的调节时间会变短。
(3)微分部分
由微分部分的表达式可以看出,微分时间
越短,微分作用越弱;反之,越强。
微分部分主要是改善闭环系统的稳动态过程的响应速度和稳定性。
微分作用太强时,会导致控制超前,导致系统过渡过程不稳。
4.3增量式PID算法
数字PID控制算法是现代生产过程控制中一种最常见的控制算法,它通常分为位置式和增量式两种。
本文所设计的PID控制器采用是增量式PID算法,下面主要介绍增量式PID算法。
增量式PID控制算法就是数字控制器的输出是控制器输出量的增量
。
其控制系统如图4-2所示。
图4-2增量式数字PID算法
位置式PID算法公式为:
(4.2)
其中,
是控制器的初始值。
因为控制器输出增量为:
(4.3)
将(4.2)式带入(4.3)式中,得增量式PID算法公式:
(4.4)
其中,积分系数
,微分系数
,
为采样周期。
总的来说,增量式数字PID算法比位置式数字PID算法有如下优势:
(1)增量式数字PID算法不需要做累加运算,控制量的增量只与最近三次的误差有关,在计算误差或计算精度的问题时对控制量的计算影响比较小;而位置式算法每次的输出都与过去所有的状态有关,要用到过去所有偏差的累加和,容易导致很大的累加偏差。
(2)增量型数字PID算法得到的是控制器输出量的增量,误动作对整个系统的影响较小;位置式算法则是输出完整的控制量,误动作对系统的影响较大。
(3)采用增量式数字PID算法,容易实现手动到自动的无扰动切换。
因此,在过程控制中,增量式数字PID算法应用比位置式算法更加广泛。
数字控制器输出的控制增量
对应于执行结构的位置增量。
4.4PID控制器设计与仿真
4.4.1液位控制回路确定
本文所构建的PID回路的控制目标是液位L1,操纵变量是进口阀V1的开度,干扰变量是出口流量F2。
控制器的正反作用选择:
因为液位L1增大时,操纵量V01要减小,故选择反作用。
进口阀V01的开度作为操纵变量,其流量特性应选择百分比流量特性。
因为等百分比阀在开度小时,改变开度,流量变化小,控制灵敏;在开度较大时,改变开度,流量变化较大,控制及时。
出口阀V2作为干扰量,其流量特性应选择直线特性。
因为,V2阀位变化时,出口流量线性变化,有利于分析干扰对系统的影响。
4.4.2M
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