ADRC串級(jí)控制在爐溫控制中的應(yīng)用

梅德俊

（江蘇豐東熱技術(shù)股份有限公司,江蘇 鹽城 224000）

ADRC串級(jí)控制在爐溫控制中的應(yīng)用

梅德俊

（江蘇豐東熱技術(shù)股份有限公司,江蘇 鹽城 224000）

電加熱爐溫度變化相對(duì)復(fù)雜，無(wú)法通過(guò)特定的數(shù)學(xué)模型來(lái)分析，對(duì)此將ADRC串級(jí)控制應(yīng)用其中，用來(lái)仿真溫控系統(tǒng)。本文首先簡(jiǎn)單介紹了加熱爐溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，然后，探究了ADRC串級(jí)控制在爐溫控制中的應(yīng)用。

ADRC串級(jí)控制;爐溫控制;應(yīng)用

馬弗爐因其溫度均勻性優(yōu)于常規(guī)的工業(yè)爐，但由于其溫度控制較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的PID控制不僅不準(zhǔn)確，可能還存在一定的偏差，使得控制功能無(wú)法有效發(fā)揮，無(wú)法達(dá)到預(yù)期的控制效果。對(duì)此引入ADRC串級(jí)控制系統(tǒng)，用來(lái)發(fā)揮對(duì)爐溫控制作用。

1 加熱爐溫度控制設(shè)備

該設(shè)備的結(jié)構(gòu)為：溫度測(cè)量元件以及控制部分，選用熱電偶對(duì)爐溫進(jìn)行檢測(cè)，并且選用高精度信號(hào)隔離器，使得溫度信號(hào)更加穩(wěn)定可靠，不受外界干擾。在完成數(shù)模轉(zhuǎn)換之后，ADRC串級(jí)控制對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)應(yīng)得到控制結(jié)果，對(duì)應(yīng)調(diào)整熱風(fēng)閥的開度，從而控制風(fēng)道中的熱風(fēng)量。人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)溫度設(shè)定、溫度顯示、超溫報(bào)警等功能。該設(shè)備結(jié)構(gòu)完成了從爐度檢測(cè)、數(shù)據(jù)輸入、處理、運(yùn)算以及數(shù)據(jù)輸出，最終實(shí)現(xiàn)爐溫精確控制的全過(guò)程。

串級(jí)控制系統(tǒng)的運(yùn)行流程為：通過(guò)設(shè)置被控制對(duì)象的參數(shù)，例如：爐內(nèi)膽溫度，夾套溫度等分別為主控參數(shù)、副控參數(shù)。將主調(diào)節(jié)器的輸出數(shù)值，充當(dāng)副調(diào)節(jié)器的給定值，由此形成了內(nèi)膽與夾套的串級(jí)控制系統(tǒng)。

f1,f2各自代表內(nèi)干擾與外干擾，其中f1可以通過(guò)主控制回路來(lái)逐步控制，與此對(duì)應(yīng)的f2則通過(guò)副溫度調(diào)節(jié)器所形成的副回路來(lái)抑制，串級(jí)控制的一大好處就是能夠有效控制擾動(dòng)，有效控制主控與被控參數(shù)，調(diào)整參數(shù)誤差。

2 ADRC控制器的設(shè)計(jì)

2.1 ADRC控制原理

控制的主體結(jié)構(gòu)為：微分跟蹤器TD,擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器ESO,以及非線性狀態(tài)誤差反饋律NLSEF。每一部分都發(fā)揮不同功能，TD----過(guò)渡過(guò)程的規(guī)劃，同時(shí)獲得微分?jǐn)?shù)據(jù)。ESO-----每時(shí)每刻估算對(duì)象狀態(tài)，同時(shí)預(yù)測(cè)一切充滿變化的內(nèi)外干擾總和，并負(fù)責(zé)補(bǔ)償。NLSEF-----主要利用非線性函數(shù)來(lái)組合、分析來(lái)自于前兩部分的數(shù)據(jù)、信息以及狀態(tài)估算值，最終得出一個(gè)控制量u.

2.2 微分器TD

假設(shè)輸入信號(hào)是v,TD則對(duì)應(yīng)提供跟蹤信號(hào)v1,與微分信號(hào)v2,得出兩個(gè)關(guān)系式：

上式中，fst(·)是非線性函數(shù)

v1------過(guò)渡過(guò)程，一般取決于v和過(guò)渡過(guò)程時(shí)間T,

v2-----過(guò)渡過(guò)程的微分信號(hào)

h------積分步長(zhǎng)

r-------速度

2.3 ADRC參數(shù)的設(shè)定方法

其所涉及的參數(shù)主要有：TD中的h,r.ESO對(duì)應(yīng)的α1、α2、δ、β01以及NLSEF中的β1，β2、α3、α4、δ0

以上參數(shù)中，部分參數(shù)屬于非線性參數(shù)，也就是這部分參數(shù)的任何細(xì)微變化都可能干擾到與之相關(guān)參數(shù)的變化，通常要保持穩(wěn)定不會(huì)隨便變化。其中α1-α4則是fal的自變量，通常要對(duì)其進(jìn)行特殊取值，從α1-α3都取（0,1）范圍，這樣才能達(dá)到小誤差大增益的目標(biāo)。要想達(dá)到微分誤差小時(shí)，增益也對(duì)應(yīng)減小，需要對(duì)α4特殊取值，一般大于1為合理，其他參數(shù)需要以在線的形式加以修改。

（1）TD的參數(shù)設(shè)定。參數(shù)選擇的一大目標(biāo)就是控制超調(diào)，預(yù)防信號(hào)發(fā)出過(guò)大噪音，r---跟蹤速度因子，通常情況下跟蹤速度會(huì)隨著參數(shù)值變大而加快，這其中需要參考過(guò)渡需求，以及系統(tǒng)的承受力。

（2）ESO的參數(shù)設(shè)定。ESO是自抗擾控制器的中心部件，一般憑借擴(kuò)張的方式對(duì)系統(tǒng)的總和擾動(dòng)，也就是估計(jì)、測(cè)算施加在系統(tǒng)的加速度值，憑借此估計(jì)信號(hào)來(lái)使系統(tǒng)補(bǔ)償為一個(gè)線性系統(tǒng)，達(dá)到對(duì)各種變化性因素的高效處理。其中涉及到七大參數(shù)，積分步長(zhǎng)h同跟蹤微分器一樣，一般對(duì)α1，α2各自取值，分別為：0.5和0.25。其中，被控對(duì)象的性質(zhì)與特征在一定程度上影響著b0參數(shù)，然而，在系統(tǒng)模型不能明確、準(zhǔn)確的情況下，該參數(shù)則能夠被變化、調(diào)整。同時(shí)，一些關(guān)鍵參數(shù)β01-β03會(huì)對(duì)大時(shí)滯系統(tǒng)的性能帶來(lái)一定影響，通常來(lái)說(shuō)參數(shù)β01-β03會(huì)隨著系統(tǒng)時(shí)滯二變大，其中β03影響到擾動(dòng)估計(jì)速度，二者成正相關(guān)。當(dāng)來(lái)自于系統(tǒng)的振蕩過(guò)大，則要控制β03的值。線性ESO參數(shù)能夠通過(guò)特殊方法加以整定。

（3）NLSEF的參數(shù)設(shè)定。該系統(tǒng)中依然涉及到一席參數(shù)的選定，例如：α3與α4，它們分別取值0.75，1.5，其中δ0則需要根據(jù)被控量程以及數(shù)據(jù)計(jì)算與控制的精度等來(lái)抉擇，通常取值0.5.u0是在比例微分下來(lái)構(gòu)造的，對(duì)此，則可以將參數(shù)β1，β2通過(guò)PID控制器來(lái)加以整定。

利用b0得出β1β2各自的初始數(shù)值，當(dāng)b0上升，兩個(gè)參數(shù)值則變小。如果調(diào)節(jié)速度下降，則應(yīng)該提升β1的值，相反，如果調(diào)節(jié)速度上升，則要控制β1。

3 串級(jí)控制的模擬

將爐溫控制作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，首先測(cè)出被控制對(duì)象的階躍相應(yīng)曲線，通過(guò)切線法算出傳遞函數(shù)，再依托于加熱爐模型，借助軟件系統(tǒng)來(lái)模擬仿真串級(jí)控制系統(tǒng)，得出了對(duì)應(yīng)的單位階躍響應(yīng)圖，觀察此圖能看到無(wú)論是串級(jí)控制、階躍響應(yīng)曲線都未達(dá)到100秒，而且系統(tǒng)整體上也保持安全、穩(wěn)定，沒(méi)有超調(diào)現(xiàn)象。選擇舊式的PID-P串級(jí)控制，則于將近200秒處，系統(tǒng)逐漸走向平穩(wěn)態(tài)勢(shì)，而且，當(dāng)時(shí)間達(dá)到600秒，系統(tǒng)也出現(xiàn)了階躍擾動(dòng)問(wèn)題，同普通的串級(jí)控制相比，ADRC串級(jí)控制系統(tǒng)則相對(duì)平穩(wěn)，不會(huì)出現(xiàn)擾動(dòng)問(wèn)題。

4 總結(jié)

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M與仿真得出ADRC串級(jí)控制器在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中具有優(yōu)勢(shì)的控制功能，在路溫度控制系統(tǒng)中可以發(fā)揮優(yōu)勢(shì)作用，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)這一方法能夠更加高效、快捷地發(fā)出反應(yīng)，而且反應(yīng)更加敏銳，擾動(dòng)問(wèn)題相對(duì)較小，無(wú)需過(guò)多的超調(diào)量，該控制器可以達(dá)到對(duì)爐溫的有效控制，系統(tǒng)的抗干擾能力大大增強(qiáng)。

[1]萬(wàn)漢偉,龍偉,龐彪等.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制在分段熱處理式電阻爐溫度控制中的應(yīng)用[J].金屬熱處理,2012,35(8).

[2]劉川來(lái),楊朋飛,寧通.基于Dalin-Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)某杭訜釥t溫度控制系統(tǒng)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2013,29(2)：89-93.

[3]羅及紅.基于PID算法的爐窯溫度串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012，23(4/)：26-28.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.22.024