變工況條件下Bang-Bang控制與常規PID控制的集成設計與分析

李明駿 羅雄麟 谷明章

(1.中國石油大學(北京)地球物理與信息工程學院，北京 102249；2.中國石油遼河石化公司，遼寧 盤錦 124000)

變工況條件下Bang-Bang控制與常規PID控制的集成設計與分析

李明駿1羅雄麟1谷明章2

(1.中國石油大學(北京)地球物理與信息工程學院，北京 102249；2.中國石油遼河石化公司，遼寧 盤錦 124000)

將Bang-Bang控制與常規PID控制集成，研究了一種適用于大范圍工況變化的變工況控制方法。對于非線性二階系統，采用相軌跡法求解Bang-Bang控制的一次最優切換點；通過設置切換動作的最短響應時間來計算變工況控制的啟動閾值。實例仿真結果表明：以變工況控制作為補充的集成控制方案，對全范圍的工況變化具有良好的控制效果。

變工況控制 Bang-Bang控制 PID 一次最優切換點 啟動閾值 二階非線性模型

在實際工業生產過程中，由于常規PID控制具有控制原理簡單、使用方便、適應性強及魯棒性強等優點，因此仍占據著主導地位。然而，實際的控制對象，尤其是熱工、電力對象的動態特征會隨著工況的變化而變化，表現出較強的非線性特性[1,2]。現階段的PID控制器的設計?；谔囟üぷ鼽c，僅能夠滿足工作點附近的控制要求。因此當出現大范圍工況變化時，常規PID控制無法勝任。控制過程的優劣不僅關系企業的經濟效益，更與生產安全直接掛鉤，所以需要尋求更好的控制方法。另一方面，由于常規PID控制的應用已經十分成熟，如果能繼續使用PID的小范圍調節能力，并針對大范圍工況變化進行改進，就能以較低的成本實現對控制對象的全工況控制。

對于單輸入單輸出系統，如果超調量處于合理范圍內，通?？梢哉J為過渡時間越短切換成本越低[1]。由于Bang-Bang控制具有快速響應的特性，因此被廣泛應用于求解時間最優問題。但是Bang-Bang控制在應用時對切換時刻和切換次數有嚴格要求，選取不當會導致整個控制過程紊亂。對于非線性系統，Bang-Bang控制切換次數與切換點的計算仍是一個難點，大多依靠數值方法求解，如優化算法[3～6]、基于專家經驗判斷切換時機[7]、預測算法預測切換點[8,9]及近似一階線性傳函求取切換點[10]等。為此研究者們提出將Bang-Bang控制與常規PID控制集成[11～13]，二者的集成結合了二者的優點，彌補了各自的不足，是對常規PID控制的一種有效改進。在此，筆者將Bang-Bang控制與常規PID控制集成，以常規PID控制處理小范圍工況變化，以變工況控制作為補充控制策略，應對大范圍的工況調節，提高對非線性系統大范圍工況的控制效果。

1 變工況控制

常規PID控制可以完成小范圍內設定值的調節，但大范圍調節控制效果不佳，原因有3點：對于一般控制過程，PID控制的超調量會隨著調節時間的縮短而增大；對于線性系統，超調量是一個固定百分比，其絕對值會隨著設定值變化量的增大而增大，非線性系統亦存在這種情況；PID參數的在線整定常受到限制，無法保證達到最優參數。Bang-Bang控制與PID控制的效果對比如圖1所示。根據圖1可將Bang-Bang控制與PID控制集成(變工況控制)，對于小范圍設定值的變化，在超調量滿足要求的情況下常規PID控制與Bang-Bang控制效果接近，常規PID控制完全能夠勝任；而當設定值大范圍變化時，常規PID控制出現超調量過大或者調節時間過長的問題，此時Bang-Bang控制的優勢更加顯著。

圖1 Bang-Bang控制與PID控制效果對比

筆者采用的變工況控制與文獻[2]中的切換結構相同，其總體方案流程如圖2所示?？梢钥闯觯児r控制是對常規PID控制的補充，且變工況控制的最后階段仍要切換到常規PID控制。變工況控制方案實現的關鍵在于兩點：一是Bang-Bang控制最優切換點的求??；二是變工況控制啟動閾值的計算。

圖2 變工況控制總體方案流程

2 Bang-Bang控制最優切換點的求取

對于線性定常系統，若系統正常工作，則可應用極小值原理求得時間最優控制的最優軌線簇[10]，當初始狀態和終止狀態確定時，可以得到確定的最優軌線。當切換次數N=1時，最優控制的切換點必然是兩條最優軌線的交點。文獻[14]分析了加熱爐的最快速升溫過程，指出最優切換點為相軌跡的交點，但未給出具體的求解方法。對于非線性系統，如果可以求得滿足初始狀態和終止狀態的最優軌線，進而求得交點，就可以得到Bang-Bang控制的一次最優切換點。以穩定的二階非線性系統為例，系統方程為：

(1)

(2)

設f2(t,x1(t),x2(t),u(t))≠0，將式(2)變形代入式(1)，消去dt可得：

(3)

Bang-Bang控制中，u的取值為最大值和最小值，即umax和umin，將兩者分別代入式(3)即可得到兩個微分方程：

(4)

(5)

假設控制過程先輸入最大值后輸入最小值。以初始狀態x0為起始條件，采用微分方程數值解法求解式(4)，即可得到輸入為umax時的相軌跡曲線(圖3中的曲線L1)。但是，式(5)并沒有起始條件，僅已知終止條件，為此筆者仍采用微分方程的一般數值解法來近似求解，以歐拉法離散化求解為例。

圖3 Bang-Bang控制一次最優切換點的求取示意圖

則有：

反向求解的關鍵在于用F2(x1(i),x2(i))來近似F2(x1(i-1),x2(i-1))，數值方法可以驗證，只要求解步長足夠小，反向求解的精度可以滿足要求。據此求得的相軌跡為圖3中的曲線L2。相軌跡曲線L1與L2的交點即為Bang-Bang控制的最優切換點。同理，可以做出以原終端狀態為起點、原初始狀態為終點的反向過程，其相軌跡曲線為L3、L4。正向與反向過程的相軌跡構成一組閉合曲線，L1、L2、L3、L4分別稱為全幅上升、緩沖上升、全幅下降與緩沖下降。

3 變工況控制啟動閾值的計算

考慮到設備損耗、執行誤差等因素，設置變工況控制的最短響應時間為tδ，即全幅階段的最短持續時間，同時也是 Bang-Bang控制的切換最短響應時間。為了更好地描述啟動閾值的確定方法，筆者對文獻[5]中的實驗室加熱爐模型做了改進，擴展為二階非線性模型。其輸入電壓最大值umax=220V，對應全幅升溫階段；最小值umin=0V，對應自然升溫階段。具體模型如下：

圖4 最短響應時間下的升溫情況

4 案例分析

經典的范德波爾方程為[4]：

圖5 范德波爾方程相軌跡曲線

以改進的實驗室加熱爐模型為對象，分別做單次升溫與連續升溫曲線。400～500℃的升溫與降溫控制效果如圖6所示，得到升溫過程交點坐標為(451.22，2560.71)，切換溫度為93.35℃，切換時刻為4.560 0min。相同條件下采用文獻[5]的方法優化得到切換時刻為4.540 3min，二者相差0.4%；降溫過程交點坐標為(401.96，12.84)，切換溫度為401.96℃。當溫度降至401.96℃左右時，切入umax，持續大約27s后即達到400℃。相比于升溫過程，降溫過程的緩沖階段持續時間很短，充分體現了加熱爐動態響應的不對稱性。圖6a中虛線為不同起止溫度的升降溫相軌跡簇；L5由加熱爐穩態工作點組成，所以在穩態工況間切換時，升降溫相軌跡的起止點必落在此線上。

圖6 400～500℃的升降溫控制效果A、C點——加熱爐分別在400℃與500℃時的穩態工作點；B、D點——升溫與降溫時的Bang-Bang控制切換點

對加熱爐對象實施連續的升溫與降溫操作，起始溫度為20℃，目標溫度分別為150、160、100、300、200、180℃。圖7為不同控制方式下實驗室電加熱爐模型的控制效果，通過對比可以看出，在設定值多次連續變化的情況下，尤其是大幅升溫過程，PI控制的效果較差；在大幅降溫的情況下，兩種控制方案的控制效果相差并不明顯，這是因為加熱爐動態響應具有很強的不對稱性。即使沒有使用最優的PI參數，以變工況控制作為補充的集成控制方案仍然能夠在全工況范圍內保持優秀的控制效果。

圖7 實驗室電加熱爐模型的控制效果

5 結束語

筆者將Bang-Bang控制與常規PID控制集成為變工況控制，用來應對大范圍工況變化。針對實現變工況控制所需的兩個切換條件，提出兩種處理方法：利用相軌跡圖解法，求解二階非線性對象的Bang-Bang控制一次最優切換點；以切換動作的最短響應時間為條件，計算并設置變工況控制的啟動閾值。實例仿真結果表明，以變工況控制作為補充的集成控制方案，具有計算時間可控、精度高和適于在線使用的特點，對全范圍的工況變化具有良好的調節效果。

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IntegratedDesignandAnalysisofBang-BangControlandGeneralPIDControlunderVariableWorkingConditions

LI Ming-jun1, LUO Xiong-lin1, GU Ming-zhang2

(1.CollegeofGeophysicsandInformationEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;2.CNPCLiaohePetrochemicalCorporation,Panjin124000,China)

Through having Bang-Bang control integrated with PID control, a variable working condition-oriented control method was proposed. As for the quadratic nonlinear system, the phase locus graphic method was adopted to solve optimal switching points of Bang-Bang control; and through setting the shortest response time of the switch operation, the start threshold for controlling the variable working conditions was calculated. The simulation results show that, the integrated control scheme which taking variable working condition control as a supplementary has good control effect on full range of variable operating conditions.

control of variable working conditions, Bang-Bang control, PID, optimal switching point, start threshold, quadratic nonlinear model

TH865

A

1000-3932(2016)09-0901-05

2016-01-27(修改稿)