基于LADRC的A3000過程控制實驗系統探究

周宣征， 張公永

(濱州學院 電氣工程系，山東 濱州 256600)

基于LADRC的A3000過程控制實驗系統探究

周宣征， 張公永

(濱州學院 電氣工程系，山東 濱州 256600)

利用LADRC對A3000過程控制系統進行改造，運用實驗計算出被控對象數學模型，設計自抗擾控制系統，進而按照A3000控制系統實際參數搭建仿真模型，求取控制參數，實驗結果驗證了對實驗系統改造的可行性，該次實驗設備的改造適應了工業控制技術的發展對高校實驗教學的新要求，促進了過程控制實驗項目的開放性、創新性，教學模式的改革，有利于我校創新型與應用型人才的培養，節約了高校實驗設備更新成本，為我校實驗設備更新提出新思路。

線性自抗擾控制； 過程控制實驗系統； 改造研究

0 引 言

工業過程控制與自動化儀表實驗是電氣工程及自動化專業的專業核心課程，在培養應用型人才方面起著非常重要作用[1-2]。作為專業核心實驗課程，需要有部分開放性、研究性實驗，另外隨著工業控制技術的發展，作為控制核心課程的實驗教學設備亟需更新創新[3-5]。基于以上理念，本文通過自抗擾控制技術對過程控制實驗的A3000控制系統進行改造，為實驗項目的開放性、創新性，教學模式的改革提供了有利條件，節約了我校實驗設備更新成本。

ADRC(自抗擾控制)技術是適應數字控制時代潮流、吸收現代控制理論成果、發揚并豐富PID思想精髓(“基于誤差消除誤差”)、開發運用特殊非線性效應來發展的新型實用技術。自抗擾控制技術的核心是把系統的未建模動態和未知外擾作用都當作對系統的“總擾動”，并對它們進行估計并給予補償。其優點在于對系統內、外擾的魯棒性好，動態響應快且無超調，具有較高的使用推廣價值。美國克利夫蘭州大學的高志強教授對ADRC進行多年研究，指出了正常運行時，ADRC基本運行在線性區，提出了線性自抗擾控制技術LADRC(Linear Auto Disturbance Rejection Control technique),簡化了參數整定，應用性較強[6-11]。

A3000控制系統包括A3000現場系統，控制柜，上位機組成，其中現場系統包括3個水箱，1個鍋爐，1個強制換熱器，2個水泵，2個流量計，1個電動調節閥。其他還包括加熱管，大水箱，如圖1所示。 A3000控制系統(A3000-CS)包括了傳感器執行器I/O連接板、3個可換的子控制系統板，第三方控制系統接口板，上位機主要裝有組態王。

圖1 A3000現場系統結構圖

1 實驗系統的改造方法與步驟

(1) 通過實驗的方法獲取被控對象的傳遞函數。

(2) 自抗擾控制系統設計。

(3) 根據自抗擾原理及自抗擾控制器的數學模型，搭建simulink仿真模型。

(4) 通過仿真驗證，獲取控制器的控制參數。

(5) ADAM-5510EKW/TP控制器調試。

2 被控過程傳遞函數求取

通過對下水箱做階躍響應實驗，記錄階躍響應曲線，根據數學模型結構，處理階躍響應曲線數據，得出模型參數[12-13]。

設定調節閥的開度為u，水箱的液位高度為h，根據動態平衡關系，并進行拉式變換后，可以得到被控過程的傳遞函數為

(1)

通過上位機組態王軟件設置電動調節閥的開度35%，固定水箱擋板的位置不變，上電后待水箱里面的水位穩定后記錄相應的液位高度與穩定時間，響應曲線如圖2所示。其中PV代表液位高度h。

圖2 響應曲線圖

由h(s)反拉式變換知，h(T)=0.632h(∞),由圖得T=1 s，故

3 自抗擾控制系統設計

根據上述所求傳遞函數及存在擾動情況下，被控對象的微分方程為：

(3)

(4)

構造系統結構如圖3所示，主要由被控對象，擴張狀態觀測器(ESO),KP環節及b環節構成。

圖3 LADRC系統圖

上式中，令式(3)、(4)x1=y,x2=f，由式(3)得：

對象的輸入輸入輸出關系方程：

(5)

觀測器的方程為：

(6)

觀測器利用對象輸入輸出的數據估計出對象的狀態方程為：

(7)

(8)

(9)

系數矩陣為：

參數l1、l2通過系數矩陣A的特征根求得：

4 仿真分析

根據上述原理，建立自抗擾控制系統的仿真模型，如圖4仿真模型所示，擾動信號模擬水泵1的流量，設置wo=40,wc=150，其他參數依據A3000控制系統的實際參數設置。仿真結果圖5中y為系統輸出，yhat為擴張狀態觀測器對輸出的估計量，target為系統理想輸出值，圖6中為擾動信號及擴張狀態觀測器對擾動信號的估計量。從仿真結果可以得到如下結論。

(1) 圖5仿真結果可以看到系統的輸出值存在較高的動態性能和準確性，只是在擾動出現的瞬間存在超調，大約持續0.2s時間，系統輸出趨于穩定，也說明LADRC技術可以很好對擾動給與補償，消除擾動。

(2) 從圖5中yhat及y的曲線與圖6擾動及擾動估計曲線可看出，擴張狀態觀測器能夠較好對系統輸出與擾動進行觀測，為控制器對擾動信號進行補償提供有利條件。

圖4 仿真模型

圖5 系統仿真結果1

圖6 仿真結果2(f及f估計)

5 實驗驗證

通過對ADAM-5510EKW/TP控制器編程并與組態王連接，實驗結果如圖7所示，其中SP為設定值，

圖7 實驗結果

PV為液位值，實驗結果具有良好的動態性能，體現出對設備改造的可行性與有效性。

6 結 語

利用LADRC技術對A3000過程控制系統進行改造研究，通過仿真與實驗分析具有良好的實驗效果。該實驗設備的改革適應了高校實驗教學對工業控制技術對新技術發展的要求，促進了過程控制實驗項目的開放性、創新性，教學模式的改革，有利于我校創新型與應用型人才的培養，節約了高校實驗設備更新成本，為我校實驗設備更新提出新思路。

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The Research on A3000 Process Control Experimental System Based on LADRC

ZHOU Xuanzheng, ZHANG Gongyong

(Department of Electrical Engineering, Binzhou University， Binzhou 256600, Shandong, China)

The LADRC is used to modify the A3000 process control system. Mathematical model of the object is calculated by experiments. An ADRC system is designed, simulation model is built according to the actual A3000 control system parameters, and these control parameters are calculated. Experimental results show the feasibility of the modification experiment system. The experimental equipment reformation is to fit the new requirements of experimental teaching in university and the development of industrial control technology, and promotes the openness and innovativeness process control experiment reform of teaching mode. It is beneficial to cultivate creative and applied talents in our school, saves the cost of updating the experimental equipment at university, and puts forward new ideas for updating experimental equipment.

linear auto disturbance rejection control technique(LADRC); process control experimental system; modification research

2016-11-28

國家安監局2015年重大事故防治關鍵技術科研項目(shandong-0056-2015AQ);濱州學院青年教師創新項目(BZXYQNLG2011)

周宣征(1982-),男，山東濱州人，碩士，講師，研究方向為電力電子和電力系統自動化。

Tel.：15169979606；E-mail：tjlgaoyun@163.com

TP 301

A

1006-7167(2017)08-0052-03