實(shí)驗(yàn)室過(guò)程控制裝置溫度對(duì)象邏輯控制的研究　　　　　　　　　　　　　　　　（南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，210094）　　摘要：化工過(guò)程控制有六大過(guò)程對(duì)象，即液位、流量、壓力、溫度、成分和物性 [１]，其中前四項(xiàng)又是實(shí)驗(yàn)室主要研究的過(guò)程對(duì)象。然而溫度對(duì)象的特性——具有較大的時(shí)滯常數(shù)，使得其控制實(shí)現(xiàn)變得較為困難[２]。文章提出了一種源于PLC梯形圖控制[３]邏輯思想的控制算法——邏輯控制，以及相應(yīng)的一個(gè)針對(duì)大時(shí)滯（或者溫度多容對(duì)象）的改進(jìn)控制方案。通過(guò)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的調(diào)試結(jié)果的分析和比較，知道其控制效果遠(yuǎn)好于常規(guī)的PID控制，而且實(shí)現(xiàn)起來(lái)也相對(duì)簡(jiǎn)單。關(guān)鍵字：溫度控制，大時(shí)滯對(duì)象，邏輯控制 0.前言　　溫度對(duì)象具有較大的時(shí)間滯后常數(shù)，采用單回路的PID控制往往很難取得相對(duì)理想的控制效果，即不容易滿足控制系統(tǒng)“穩(wěn)、快、準(zhǔn)”[４]的要求。在過(guò)程控制和控制理論發(fā)展的歷史過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)相對(duì)理想的控制，科研工作者們提出了各種改進(jìn)控制方案，如前饋反饋控制[５]，內(nèi)模控制[６]、Smith預(yù)估控制[７]和模糊控制[８]等先進(jìn)控制方案或者算法。但是先進(jìn)控制算法的編程工作量較大，在實(shí)驗(yàn)室實(shí)際操作過(guò)程中存在較大的困難。因此，作者結(jié)合可編程邏輯控制梯形圖的編成思想，提出了一種適合實(shí)驗(yàn)室過(guò)程控制裝置中溫度對(duì)象控制的簡(jiǎn)單控制算法，即邏輯控制算法?！?b>1.邏輯控制算法介紹　　由單回路PID控制的方框圖知道控制器的作用是使得控制信號(hào)根據(jù)輸入偏差的大小做出相應(yīng)的變化，然后作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使得系統(tǒng)的輸出能夠往預(yù)定的控制目標(biāo)發(fā)展。在這一章節(jié)中，就主要介紹邏輯控制算法的思想來(lái)源和具體的編程實(shí)現(xiàn)?！　√菪螆D編程中每一個(gè)通路有一個(gè)或者一系列觸點(diǎn)和相應(yīng)的線圈組成，當(dāng)這些觸點(diǎn)滿足一定條件時(shí)，則線圈做出相應(yīng)的動(dòng)作。利用這一個(gè)思想，文章將誤差分為幾個(gè)等級(jí)，如極大，大，小和極小等（類(lèi)似于模糊控制的模糊變量），不同的誤差等級(jí)對(duì)應(yīng)不同的控制輸出量，如極大，大，一般和正常（正常這個(gè)值跟經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)，一般取執(zhí)行器的加熱功率和對(duì)象的散熱功率近似時(shí)候的值）等。如圖1所示即為文章介紹的邏輯控制算法思想。
圖1 邏輯控制思想框圖　　圖中的ｒ表示系統(tǒng)的給定值，y表示系統(tǒng)的輸出值（或溫度的測(cè)量值），e=r-y 表示系統(tǒng)的誤差，u 表示控制器的輸出信號(hào)，在實(shí)際溫度控制中，往往不希望系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)，為此希望當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)時(shí)，控制器的輸出為零，即加熱管不工作。實(shí)驗(yàn)中，邏輯控制的算法是用浙江中控的AdvanTrol-Pro(V2.65)組態(tài)軟件中的圖形化編程方案實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)圖1的控制思想，得到如圖2所示的控制算法的功能塊圖編程。
圖2 邏輯控制算法的功能塊圖編程　　圖2中的各變量定義如表1中的介紹。圖2的工作過(guò)程或者原理如下介紹，第一行的三個(gè)模塊，起到一個(gè)初始化和保證系統(tǒng)安全停止的作用，即在控制方案沒(méi)有啟動(dòng)時(shí)，要求加熱管不工作，給定值與設(shè)定值相等，此時(shí)的偏差等于0。第二行即判斷系統(tǒng)是否出現(xiàn)超調(diào)，若超調(diào)則加熱管不工作。第三行用來(lái)判斷系統(tǒng)此刻的偏差狀態(tài)所在的范圍。第四行，第五行分別表示偏差“極小”和“小”時(shí)的控制器輸出為“正常”和“一般”的工作要求。最后一行判斷DE_03的情況若“是”則表示偏差大，控制器輸出為“大”；若“非”則表示偏差“極大”，控制器的輸出為“極大”。（在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)這段程序的運(yùn)行并不是很穩(wěn)定，偶爾出現(xiàn)T_MV與TV_01不能對(duì)應(yīng)的情況，但并不影響系統(tǒng)的控制效果，特此說(shuō)明。）表1 圖2中對(duì)應(yīng)各變量和功能塊圖的介紹變量名　變量意義　　變量類(lèi)型　變量名　變量意義　　　　　變量類(lèi)型STAR　控制啟動(dòng)變量 　邏輯變量　TT_01　加熱水箱溫度測(cè)量值　半浮點(diǎn)變量DE_01　偏差小于0.5℃　邏輯變量　T_SV 　溫度設(shè)定值　半浮點(diǎn)變量DE_02　偏差小于1.5℃　邏輯變量　T_MV 　控制器輸出值　半浮點(diǎn)變量DE_03　偏差小于3℃ 　邏輯變量　T_DE　溫度偏差值　半浮點(diǎn)變量DE_08　超調(diào)判斷變量　邏輯變量　TV_01　加熱管開(kāi)度　半浮點(diǎn)變量2.控制算法的調(diào)試實(shí)現(xiàn)　　實(shí)驗(yàn)室的過(guò)程控制裝置是浙江中控的CS4000過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置，溫度控制對(duì)象主要是五號(hào)水箱（加熱水箱）的出口溫度對(duì)象和六號(hào)水箱（純滯后水箱）的中部和尾部溫度對(duì)象[9]。由對(duì)象階躍響應(yīng)曲線知道，五號(hào)水箱的溫度對(duì)象時(shí)滯相對(duì)較小，而六號(hào)水箱的中部和尾部溫度對(duì)象的時(shí)滯常數(shù)就相對(duì)很大了，而且對(duì)加熱管的控制也不如五號(hào)水箱出口溫度對(duì)象的及時(shí)。文章首先考慮對(duì)五號(hào)水箱的出口溫度的控制，以及與常規(guī)PID的控制效果相比較。對(duì)于六號(hào)水箱的溫度控制，分析實(shí)際的控制效果，以及出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象的原因，并結(jié)合前饋控制中提前響應(yīng)的思想，給出了一個(gè)改進(jìn)的控制結(jié)構(gòu)方案。2.1 五號(hào)水箱出口溫度對(duì)象的邏輯控制實(shí)現(xiàn)　　如圖3所示即為邏輯控制得到的控制響應(yīng)曲線，圖中的A線為傳感器測(cè)量得到的值，B線為系統(tǒng)的給定值，C線為控制器的輸出值。而為了比較相關(guān)控制性能，文章給出在實(shí)驗(yàn)室實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，采用PID控制算法實(shí)現(xiàn)的一組相對(duì)比較好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的控制曲線，如圖4所示，圖中的A線為傳感器測(cè)量得到的值，B線為控制器的輸出值，C線為控制器的輸出值系統(tǒng)的給定值。
圖3 五號(hào)水箱出口溫度對(duì)象邏輯控制響應(yīng)曲線 圖4 五號(hào)水箱出口溫度對(duì)象PID控制響應(yīng)曲線　　圖3中有左右兩個(gè)縱坐標(biāo)，與左坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的是A、B兩曲線，單位為℃，右坐標(biāo)單位為%，對(duì)應(yīng)的是曲線C，圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間坐標(biāo)，該圖中每一格的時(shí)間跨度為64（s）。在測(cè)量值為29.7℃時(shí)，給定溫度設(shè)定值為35℃，由圖3可以清楚地看到控制器的作用規(guī)律，隨著誤差的由大變小，控制器的控制作用也有強(qiáng)變?nèi)?，直至出現(xiàn)了超調(diào)，控制器的輸出即為零，此時(shí)，水箱對(duì)象僅有散熱作用導(dǎo)致水溫下降，又出現(xiàn)了正偏差。由圖可以知道，采用邏輯控制時(shí)系統(tǒng)的超調(diào)量為0.3℃左右，調(diào)節(jié)時(shí)間為192（s）左右，基本達(dá)到了“穩(wěn)快準(zhǔn)”的要求?！　D4中的左坐標(biāo)仍然是給定值和測(cè)量值的坐標(biāo)，右坐標(biāo)是控制器輸出的坐標(biāo)，每一格的時(shí)間也是64（s）。該圖是在PID控制器三個(gè)參數(shù)分別為 ，以及時(shí)（這一組參數(shù)為多次整定以及試湊的結(jié)果）取得的單回路控制效果還算比較好的一組曲線。由圖4知道在原穩(wěn)定狀態(tài)（測(cè)量值為26.7℃）時(shí)，給定溫度設(shè)定值為32℃（這樣就與圖三中的階躍量保持了一致），可以看到系統(tǒng)的響應(yīng)曲線最終沒(méi)能達(dá)到設(shè)定值，最終的余差在1.5℃左右?！　∮纱丝梢灾?，文章介紹的邏輯控制具有以下特點(diǎn)，首先沒(méi)有PID控制算法中復(fù)雜的參數(shù)整定，其次相對(duì)于其它先進(jìn)控制算法而言，其編程實(shí)現(xiàn)也是比較容易，最后就是能取得一個(gè)相對(duì)比較滿意的控制效果。2.2 純滯后水箱溫度對(duì)象的控制實(shí)現(xiàn)　　在介紹控制算法之前需要介紹一下六號(hào)水箱的溫度對(duì)象，該水箱是一個(gè)純滯后水箱，在中部和尾部都安裝了一個(gè)溫度傳感器，對(duì)應(yīng)的溫度對(duì)象分別叫做中部溫度對(duì)象和尾部溫度對(duì)象。由于沒(méi)有直接安裝加熱管，故而，叫做純滯后溫度對(duì)象，類(lèi)似于多容水箱的液位對(duì)象[10]，所以文章中也稱(chēng)其為多容溫度對(duì)象，其時(shí)間滯后常數(shù)是相對(duì)比較大的?！　∈紫?，仍然采用單回路的邏輯控制，要求對(duì)純滯后水箱的尾部溫度實(shí)現(xiàn)控制，其控制效果如圖5所示。圖中有A、B、C和D四根線，分別表示純滯后水箱尾部溫度測(cè)量值、尾部溫度給定值，控制器輸出值以及加熱水箱的測(cè)量值。
圖5 純滯后水箱尾部溫度對(duì)象邏輯控制響應(yīng)曲線　　曲線中的坐標(biāo)說(shuō)明與前面幾個(gè)圖中的介紹一樣，右坐標(biāo)只對(duì)應(yīng)控制器的輸出值，橫向每一格對(duì)應(yīng)的時(shí)間是128（s）。在初始穩(wěn)定狀態(tài)為28℃的情況下，給定溫度設(shè)定值為33℃，由圖5可以明顯地看出，系統(tǒng)產(chǎn)生了嚴(yán)重的超調(diào)，而且也遠(yuǎn)不能達(dá)到控制系統(tǒng)“穩(wěn)快準(zhǔn)”的要求。分析其原因主要是由于過(guò)程對(duì)象的大時(shí)滯所致，即當(dāng)加熱水箱的水溫遠(yuǎn)高于尾部溫度給定值的時(shí)候，尾部溫度的測(cè)量值還沒(méi)有怎么發(fā)生變化，反應(yīng)極其滯后。而且隨著時(shí)間的延續(xù)，圖5將出現(xiàn)反復(fù)的震蕩過(guò)程，出現(xiàn)一種新的“穩(wěn)態(tài)”。　　為了能夠及時(shí)地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的定值控制，需要對(duì)控制方案（控制結(jié)構(gòu)或者控制算法）做出相應(yīng)的調(diào)整。文章在不改變邏輯控制算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合前饋控制的思想（提前控制的思想），現(xiàn)給出如圖6所示的控制結(jié)構(gòu)框圖，以期實(shí)現(xiàn)相對(duì)及時(shí)地控制，具體的控制實(shí)現(xiàn)在本文中暫不作介紹。
圖6 純滯后水箱尾部溫度對(duì)象邏輯控制改進(jìn)方框圖3.總結(jié)　　文章針對(duì)實(shí)驗(yàn)室CS4000過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置的兩個(gè)溫度對(duì)象，即加熱水箱的出口溫度對(duì)象和純滯后水箱的尾部溫度對(duì)象，實(shí)現(xiàn)定值控制的控制算法或者方案作了一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。由于簡(jiǎn)單PID控制參數(shù)整定對(duì)于溫度對(duì)象比較復(fù)雜，而智能控制算法，如模糊控制等，其編程實(shí)現(xiàn)又是極其復(fù)雜，為此作者結(jié)合了所學(xué)控制知識(shí)，提出了一種簡(jiǎn)單的邏輯控制算法。同時(shí)對(duì)算法的實(shí)際控制效果與常規(guī)PID控制效果作了一個(gè)比較，而且針對(duì)純滯后水箱控制效果的不理想提出一個(gè)控制回路結(jié)構(gòu)的變更方案。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際操作和調(diào)試，可以知道邏輯控制算法具有思路清晰、控制實(shí)現(xiàn)也比較容易的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)然也存在一定的問(wèn)題，如當(dāng)偏差極小時(shí)控制量應(yīng)該取多少為最合適的問(wèn)題，以及算法的魯棒性和穩(wěn)定性等也沒(méi)有理論的分析，不過(guò)，作為實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)單的控制實(shí)現(xiàn)，其效果還是很理想的。參考文獻(xiàn)[1] 何衍慶，俞金壽，蔣慰孫. 工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.2[2] 胡林文，王啟志，騰達(dá). 基于一類(lèi)時(shí)滯對(duì)象控制方法的探討[J]. 化工自動(dòng)化及儀表，2010，37（5）[3] 李冰，劉富強(qiáng)等. 零基礎(chǔ)學(xué)西門(mén)子S7-300/400PLC[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.6[4] 胡壽松. 自動(dòng)控制原理（第四版）[M]. 北京：科學(xué)出版社，2001.1[5] 翁維勤，孫洪程. 過(guò)程控制系統(tǒng)及工程（第二版）[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.7[6] 王樹(shù)青. 先進(jìn)過(guò)程控制技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京化學(xué)工業(yè)出版社，2001.7[7] 尉穎，白珍龍. 新型的Smith自適應(yīng)辨識(shí)控制算法[J]. 自動(dòng)化儀表，2010，31（2）[8] 韋巍. 智能控制技術(shù) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005[9] CS4000高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)備使用說(shuō)明書(shū)[Z]. 浙江中控科教儀器設(shè)備有限公司[10] 邵裕森. 過(guò)程控制及儀表（修訂版）[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1999.7