隧道加熱爐串級(jí)控制系統(tǒng)分析

（許昌學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 許昌 461000）趙正印，王 武

趙正印（1980-）男，河南淅川人，講師，碩士，主要從事高能物理和電工電子方向研究。

1 引言

隧道爐加熱設(shè)備位置分散，數(shù)據(jù)點(diǎn)眾多，為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的管理和發(fā)展，快速、便捷地掌握各電阻爐的實(shí)時(shí)狀況，提高管理質(zhì)量和效益[1]。因此可以采用集中控制監(jiān)視系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制，很多人在系統(tǒng)的構(gòu)建方面進(jìn)行了大量研究工作[2]。

隧道加熱爐的溫度控制系統(tǒng)具有較大的容量滯后，采用單回路控制往往會(huì)出現(xiàn)較大的動(dòng)態(tài)偏差，很難達(dá)到好的控制效果，為提高系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷變化較大或其他擾動(dòng)比較劇烈時(shí)的控制質(zhì)量，采用串級(jí)控制方法往往應(yīng)用到系統(tǒng)控制中。串級(jí)控制系統(tǒng)中含有主副調(diào)節(jié)器以及兩個(gè)閉合回路，特別是副調(diào)節(jié)器能夠快速及時(shí)地消除內(nèi)回路擾動(dòng)的影響，同時(shí)副回路的作用又相當(dāng)于改善了調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，因此，論文通過(guò)系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)的角度來(lái)研究隧道加熱爐溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析，并結(jié)合串級(jí)控制有效地限制被調(diào)量的動(dòng)態(tài)偏差，從而達(dá)到良好的性能，為整個(gè)系統(tǒng)順利投產(chǎn)運(yùn)行做前期設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作。

2 加熱爐系統(tǒng)分析

隧道加熱爐溫度控制系統(tǒng)如圖1所示，原料在加熱管中從入口到出口過(guò)程中被加熱到指定的溫度。該系統(tǒng)從燃油燃燒到原料出口溫度有三個(gè)容量環(huán)節(jié)：爐膛、管壁和被加熱的原料。

圖1 加熱爐溫度控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的基本擾動(dòng)來(lái)自兩個(gè)方面，一是原料側(cè)的擾動(dòng)及負(fù)荷擾動(dòng)，二是燃燒側(cè)的擾動(dòng)，諸如燃油壓力、配風(fēng)量等。由于該系統(tǒng)容量滯后較大，如采用以原料出口溫度為被控量的單回路控制系統(tǒng)，當(dāng)燃料側(cè)擾動(dòng)產(chǎn)生時(shí)，系統(tǒng)不能立即感知，直至經(jīng)過(guò)較大的容量滯后反映到原料溫度發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)控制作用才開始反應(yīng)，但為時(shí)已晚。同樣，控制器的動(dòng)作必須經(jīng)過(guò)較大容積滯后才能開始對(duì)輸出的改變進(jìn)行調(diào)整。這樣感知慢、調(diào)整慢，控制系統(tǒng)的品質(zhì)不可能很高。對(duì)于負(fù)荷側(cè)的擾動(dòng)，雖然感知較早，但是控制過(guò)程較慢。為此可增設(shè)爐膛溫度作為另一個(gè)被控參量，構(gòu)成一個(gè)如圖1所示的串級(jí)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。

圖2 加熱爐溫度控制系統(tǒng)的原理框圖

3 控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)

3.1 串級(jí)控制系統(tǒng)的性能分析

串級(jí)控制系統(tǒng)的性能可歸納如下：① 可以顯著提高系統(tǒng)對(duì)二次擾動(dòng)的抑制能力，甚至在二次擾動(dòng)對(duì)主被控量尚未產(chǎn)生明顯影響時(shí)就被副回路克服了。由于副回路調(diào)節(jié)作用的加快，整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用加快了，對(duì)一次擾動(dòng)的抑制能力也提高了。② 提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。由于副回路顯著改善包括控制閥在內(nèi)的副對(duì)象的特性，減小其時(shí)間常數(shù)和相位滯后，使得整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有明顯的改善。③ 提高系統(tǒng)的工作頻率。由于副回路性能的改善，使得主控制器的比例帶可以更窄，從而提高系統(tǒng)的工作頻率。④ 有一定的自適應(yīng)能力。在副回路作用下，包括控制閥在內(nèi)的副對(duì)象在操作條件和負(fù)荷變化時(shí)，其特性變化對(duì)系統(tǒng)的影響顯著地削弱了，需要注意當(dāng)副回路是流量環(huán)節(jié)時(shí)流量檢測(cè)線性化[3]。

3.2 主、副回路設(shè)計(jì)

串級(jí)系統(tǒng)對(duì)二次擾動(dòng)的抑制效果最好，所以副回路應(yīng)包含盡可能多的擾動(dòng)，特別是把變化最劇烈、幅值最大最頻繁的主要擾動(dòng)包括在副回路內(nèi)。由副回路先把擾動(dòng)克服到最低程度，減小其對(duì)主變量的影響，從而提高控制質(zhì)量，因此，在設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)之前，要對(duì)生產(chǎn)工藝中的各種擾動(dòng)的來(lái)源進(jìn)行分析。

在隧道加熱爐溫度控制系統(tǒng)中，如果燃料油的閥前壓力波動(dòng)是主要擾動(dòng)，當(dāng)加熱物料的流量和入口溫度(負(fù)荷側(cè)擾動(dòng))相對(duì)比較穩(wěn)定時(shí)，采用燃料油流量——原料出口溫度的串級(jí)控制比較合適，這時(shí)主要擾動(dòng)就包含在副回路中，而副回路的控制通道又很短。

圖3 串級(jí)控制系統(tǒng)的Simulink模型

3.3 主、副控制器設(shè)計(jì)

一般說(shuō)來(lái)主變量是控制的主要參數(shù)，其狀態(tài)是生產(chǎn)工藝的主要指標(biāo)，而只有對(duì)主變量控制要求較高的條件下才考慮采用串級(jí)控制方式，在要求不高時(shí)采用單回路控制就可以了。因此主控制器通常采用PI控制器，在某些容量滯后較大的系統(tǒng)，如隧道加熱爐溫度控制系統(tǒng)中采用PID控制[4]。

至于副控制器，其情況有所不同，如果副被控量的控制范圍從工藝上要求不是太嚴(yán)格，那么副控制器就可以只采用比例控制，這時(shí)引入積分控制可能反而會(huì)降低副回路的響應(yīng)快速性，降低串級(jí)控制的效果。從另一方面來(lái)說(shuō)，不必要的副控制器積分作用的引入，會(huì)使副回路的諧振峰值加大、諧振頻率降低，從而加大了主副回路之間共振的可能。如果生產(chǎn)工藝對(duì)副被控量的控制要求也較高，不允許副被控量偏離期望值太大，在加熱爐的溫度控制，采用爐膛溫度作為副被控量，顯然爐膛溫度過(guò)分偏離設(shè)定值嚴(yán)重影響了爐子的安全運(yùn)行，這種情況下副控制器也可以采用PI控制，但是注意到副回路的設(shè)定值是主控制器的輸出，如果主控制器的輸出在動(dòng)態(tài)過(guò)程中大幅度地變化，即使副控制器采用PI控制也避免不了副被控量的大幅度變化，因此在主副控制器參數(shù)整定時(shí)也應(yīng)該考慮這種情況，此處副回路控制器采用比例控制。

4 控制系統(tǒng)仿真分析

4.1 控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型

隧道加熱爐系統(tǒng)中，考慮將燃燒室溫度作為副變量，燒成溫度為主變量，串級(jí)控制系統(tǒng)中主、副對(duì)象的傳遞函數(shù)和 分別為：

主、副控制器的傳遞函數(shù) 和 為：

采用傳遞函數(shù)描述的串級(jí)控制時(shí)系統(tǒng)的Simulink模型如圖3所示：q1為一次擾動(dòng)，取階躍信號(hào)；q2為二次擾動(dòng)，取階躍信號(hào)；PID C1為主控制器，采用PID控制；PID C2為副控制器，采用PID控制； 為副對(duì)象； 為主對(duì)象；r為系統(tǒng)輸入，取階躍信號(hào)；c為系統(tǒng)輸出，它連接到示波器上，可以方便地觀測(cè)輸出。

4.2 PID參數(shù)整定

采用逐次逼近法整定PID控制器的參數(shù)，并給出整定后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)特性曲線[5]。按照逐次逼近法，先主回路開環(huán)，按單回路方法整定副控制器，不斷地試驗(yàn)，當(dāng) 時(shí)，副回路階躍響應(yīng)如圖4所示。

圖4 副回路階躍響應(yīng)曲線

此時(shí)衰減比約為4:1，進(jìn)入主回路閉環(huán)，開始整定主控制器，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，當(dāng)場(chǎng) ， ， 時(shí)，系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖5所示[6]。

圖5 主回路階躍響應(yīng)曲線

由圖5可知，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)效果比較理想，此時(shí)整定的主、副回路的參數(shù)比較合適。

4.3 控制性能分析

當(dāng)傳輸延遲位于主回路中時(shí)，按上文中提到的PID整定參數(shù)，并設(shè)延遲時(shí)間為10s，加上二次階躍擾動(dòng)，此時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖6所示[7]。

圖6 主回路二次階躍擾動(dòng)響應(yīng)曲線

當(dāng)傳輸延遲位于副回路中時(shí)，按照前文所述方法整定主副回路的PID參數(shù)，當(dāng) ， ， 時(shí)，系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖7 副回路二次階躍擾動(dòng)響應(yīng)曲線

對(duì)比延遲位于主回路中時(shí)系統(tǒng)對(duì)二次擾動(dòng)的響應(yīng)曲線圖以及延遲位于副回路中時(shí)系統(tǒng)對(duì)二次擾動(dòng)的響應(yīng)曲線，可以明顯地看出，延遲位于主回路中時(shí)通過(guò)串級(jí)控制可以很好地消除其影響[8]。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以某隧道加熱爐的溫度控制系統(tǒng)為工程背景，通過(guò)采用串級(jí)PID對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過(guò)在MATLAB環(huán)境下仿真，說(shuō)明針對(duì)該系統(tǒng)，串級(jí)控制可以取得很好的控制效果，本論文的相關(guān)結(jié)論可有效地應(yīng)用到其他帶有干擾、耦合和復(fù)雜環(huán)境和強(qiáng)干擾的系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)有效地控制提供理論基礎(chǔ)。

其它作者：王武（1978-），男，甘肅蘭州人，講師，碩士，主要從事控制理論與控制工程、智能控制方向的研究

[1] 王法杰，杜京義. HMIBuilder組態(tài)軟件在隧道加熱爐控制中的應(yīng)用[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2008，(6): 18-21.

[2] 夏春榮. 基于PLC的FBT隧道爐設(shè)計(jì)[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2006，5: 71-72.

[3] 金以慧. 過(guò)程控制[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社. 1993.

[4] 俞金壽. 過(guò)程控制系統(tǒng)和應(yīng)用[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社. 2003.

[5] F. G. Shinskey著，蕭德云，呂伯明譯. 過(guò)程控制系統(tǒng): 應(yīng)用、設(shè)計(jì)與整定[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社，2004.

[6] 黃忠霖. 控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算及仿真[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社，2004.

[7] 邵裕森，戴先中. 過(guò)程控制工程[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[8] 陳曉平，李長(zhǎng)杰. MATLAB及其在電路和控制理論中的應(yīng)用[M]. 北京: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2004.