基于功率脈寬驅動的高頻電磁感應鍋爐控制算法設計

鄭貴林, 楊九魁

(武漢大學電氣與自動化學院,武漢 430072)

高頻電磁感應加熱鍋爐具有體積小、加熱效率高、啟停速度快、易于實現自動控制、安全等特點,在熱處理、金屬焊接等工業領域應用廣泛[1-3]。鍋爐的控制系統,多采用固定參數的比例積分微分(PID)控制,其難以適應系統大范圍的時變、時滯等特性[4-5]。而且隨著應用鍋爐的工業過程自動化和智能化的不斷發展,使得測控過程中的傳感器數據和閉環控制環節越來越多,參數數量不斷增長,PID算法則會由一階函數變成極為復雜的高階函數,并且由于PID算法中參數之間的耦合,致使系統難以保持最優設定,需要人工輔助調整參數[6]。

目前,國內外對于鍋爐控制算法的研究,大體可以分為三大類:模糊控制算法、集散控制系統(distributed control system, DCS)技術和智能控制理論。在模糊控制算法中,劉麗桑等[7]設計了FUZZY-PID控制器,對PID控制器參數進行了整定,改善了控制效果,使控制系統具有更好的動態特性。但是設計控制器時,仍需使用衰減曲線法對主副控制器的參數進行整定,且模糊控制沒有對系統進行解耦,非常依賴專家經驗和現場調試。對于DCS技術,嚴緒安[8]以個人計算機(personal computer, PC)局域網為對象,構建了鍋爐控制系統,充分發揮了局域網的實時性、突出性和可靠性,實現了鍋爐運行效率的顯著提升、能源消耗的有效降低。但是在應用時,也需要對系統中的每個部分進行參數調試和參數整定。對于智能控制理論,Muravyova等[9]使用神經網絡對鍋爐系統進行了訓練,并進行了仿真測試,獲得了良好的控制效果和控制精度。孫宇貞等[10]使用反向傳播(back propagation, BP)神經網絡對系統進行解耦,然后使用遺傳算法PID對解耦后的近似獨立對象進行控制,系統具有良好的控制效果和魯棒性。雖然以上算法,能夠在設定的參數范圍內自動尋找最優值,避免煩瑣的試湊。但是隨著工業智能化要求的提高,系統會變得愈加復雜,依賴專家經驗和人工參數整定越來越難以保證系統的穩定性和可靠性,參數整定的工作量也變得非常繁重。

為了順應工業智能化的發展,解決系統解耦困難,參數整定需要依賴專家經驗且十分煩瑣的問題,本設計將鍋爐系統劃分為若干閉環區塊,從而使系統扁平化,使用功率脈寬控制算法,使系統完全由邏輯表達式控制,不引入需要人工調節的非邏輯參數,來實現多傳感反饋、多控制對象下的鍋爐系統控制。最終將該算法通過嵌入式實現,應用于高頻電磁感應鍋爐上,使鍋爐系統在只預設目標參數的條件下,能夠持續穩定的運行。

1 功率脈寬驅動控制算法

功率脈寬驅動控制,是通過對功率驅動裝置進行脈寬調制輸出進行控制,驅動裝置根據設定的目標參數運行,不引入需要人工輔助調節的系統參數。

在控制系統中,設計有多個控制器和多個功率脈寬驅動裝置。每個脈寬驅動裝置調整一個或多個被控對象的反饋參數。其中每個控制器預存有能使被控對象處于特定狀態的目標參數,且其單獨控制一個功率脈寬驅動裝置。

然后,將每個控制器及其所單獨控制的功率脈寬驅動裝置設置為一個閉環區塊。每個閉環區塊內的控制器,依據其預存的目標參數,檢測區塊內被控對象的反饋參數是否達到目標狀態[11-12]。如果沒達到,則控制器控制功率脈寬驅動裝置實施驅動,使區塊內被控對象達到設定狀態；如果達到了,則停止驅動。如此反復檢測并控制驅動,使區塊內控制對象始終保持在設定的目標參數范圍內[13]。

通過對系統內所有區塊進行功率脈寬驅動控制,使其被控對象都保持在設定的目標參數的容許范圍內,最終實現整個閉環控制系統基于目標參數的穩定輸出。不論系統中控制對象和反饋參數的數量多么龐大,算法都能實現閉環控制系統在目標參數上的穩定可靠運行。在此控制系統中,沒有非邏輯算法的參數,因此不需要人工輔助調節控制參數[14-15]。

功率脈寬驅動控制的方程為

(1)

式(1)中：D為系統的多個最終目標；M為系統內功率驅動裝置的數量；J為系統中第m個閉環區塊內的反饋參數數量；Kmj為第m個閉環區塊內的第j個反饋參數；Δtmj為第m個控制區塊的第j個反饋參數的檢測周期；ΔT為最終目標參數檢測周期。其中,最終目標參數檢測周期需大于各個閉環區塊反饋參數的檢測周期,以保證在最終目標一個檢測周期內,所有區塊的反饋參數都已進行了至少一次檢測控制。

2 高頻電磁感應鍋爐系統設計

2.1 高頻電磁感應鍋爐結構設計

高頻電磁感應鍋爐的外觀如圖1所示,內部結構如圖2所示。左側為已安裝的一臺加熱單元控制器,上方還可安裝兩臺,右側為電磁加熱管道,管道為Z字形,分為3級對管道內的水進行加熱,加熱功率為120 kW。

圖1 鍋爐外觀Fig.1 Boiler appearance

圖2 鍋爐內部結構Fig.2 Boiler internal structure

高頻電磁感應鍋爐的結構如圖3所示,鍋爐通過水泵驅動冷水在系統中運轉,冷水經過凈水器和壓力傳感器后,分別被三級鍋爐加熱,最終從出口輸出。整個系統中的傳感器、水泵、電磁閥等驅動執行機構,均由核心控制器負責采集和控制。

圖3 鍋爐結構示意圖Fig.3 Boiler structure diagram

高頻電磁感應鍋爐控制系統結構如圖4所示,溫度傳感器選用的是競速電子科技公司的RS15 PT100溫度變送器,有四個探頭,測量范圍為0～800 ℃;壓力傳感器選用的是天賀HS-MPV-2M數字壓力變送器,測量范圍為0～2.5 MPa；流量傳感器為上海威爾太儀表有限公司的I.WYD-25渦輪流量計,量程為0.2～1.2 m3/h；水表選用的是水門子電子的SM-10遠傳水表；三相電表選用DTSD102型三相四線電子電能表；變頻器選用森蘭SB200變頻器；智能負荷控制器為廣州三川智控有限公司設計制造的單相十通道控制器和三相兩通道控制器；加熱單元控制器也是由廣州三川智控設計制造的,主要負責對高頻電磁感應加熱的電源控制和安全檢測。

圖4 控制系統結構示意圖Fig.4 Control system structure diagram

2.2 鍋爐控制系統布爾表達式

鍋爐控制的最終目標是出口的溫度和壓力,根據鍋爐內的功率驅動裝置和反饋參數,將控制系統劃分為6個區塊,其布爾表達式如下：

(1)水泵區塊：

Dpump=(Ppj

(2)

式(2)中：Dpump為水泵驅動狀態；Ppj為水泵出口壓力；Pimax為水泵出口壓力上限；Pimin為水泵出口壓力下限；Psmax為水泵出口壓力安全保護上限。

通過周期性檢測水泵出口壓力PPj,運算出水泵驅動狀態Dpump,調整水泵出口壓力到參數范圍內：

(2)一級鍋爐區塊：

Dstump1=[(Tt1

(3)

式(3)中：Dstump1為一級鍋爐驅動狀態；Tt1為一級鍋爐溫度；Tt2為二級鍋爐溫度；Tt1set為一級鍋爐的設定溫度；Tsmax1為一級鍋爐安全保護上限溫度；Dmain為快速驅動狀態；Spumpstate為水泵電源狀態。

該區塊中,預存一級鍋爐的設定溫度Tt1set即可,且該設定值也可以由目標溫度、進水溫度和每一級鍋爐的加熱功率實時計算自動給定。通過周期性檢測一級鍋爐溫度Tt1,運算得出一級鍋爐地驅動狀態。另外,為保障運行安全,一級鍋爐在啟動加熱前,需要確保水泵電源狀態Spumpstate開啟,防止干燒。布爾表達式中還引入二級鍋爐的溫度作為一項控制條件,當出現一級溫度高于二級時,說明出現了異常情況,應停止加熱。

另外引入了快速驅動狀態Dmain,該狀態由快速驅動區塊運算得出,用于某些特殊情況下,使輸出快速達到目標值附近。

(3)二級鍋爐區塊：

Dstump2=[(Tt2

(4)

式(4)中：Dstump2為二級鍋爐驅動狀態；Tt2為二級鍋爐溫度；Tt3為三級鍋爐溫度；Tt2set為二級鍋爐的設定溫度；Tsmax2為二級鍋爐安全保護溫度。

二級鍋爐與一級鍋爐的布爾表達式和控制邏輯相同。

(4)三級鍋爐區塊：

Dstump3=[(Tt3

(5)

式(5)中：Dstump3為三級鍋爐驅動狀態；Tt3為三級鍋爐溫度；Tt3set為三級鍋爐的設定溫度；Tsmax3為三級鍋爐安全保護溫度。

三級鍋爐沒有下一級鍋爐,不需要考慮與下一級的溫差控制邏輯。其他邏輯與前兩級鍋爐相同。

(5)快速驅動區塊：

Dmain=(Tout

(6)

式(6)中：Dmain為快速驅動狀態；Tout為出口溫度；Tmin為出口溫度設定下限；Pout為出口壓力；Pmin為出口壓力設定下限。

該區塊預存出口溫度設定下限Tmin和出口壓力設定下限Pmin兩個設定值,當輸出遠低于目標溫度和目標壓力允許的誤差下限時,控制器會驅動鍋爐使用最大功率加熱,使爐內溫度快速上升,從而減少特殊情況下的調節時間。

(6)最終目標輸出區塊：

Ddevice=[(Tend>Tsetmin)(TendPsetmin)(Pend

(7)

式(7)中：Ddevice最終目標輸出狀態；Tend為輸出溫度；Tsetmin為最終目標溫度下限；Tsetmax為最終目標溫度上限；Pend為輸出壓力；Psetmin為最終目標壓力下限；Psetmax為最終目標壓力上限；Tsmax為輸出溫度保護上限；Psmax為輸出壓力保護上限。

該區塊預存出口溫度設定下限Tmin和出口壓力設定下限Pmin兩個設定值,當輸出遠低于目標溫度和目標壓力允許的誤差下限時,控制器會驅動鍋爐使用最大功率加熱,使爐內溫度快速上升,從而減少特殊情況下的調節時間。

最終目標輸出狀態是對整個系統的狀態檢測,即出口溫度和壓力均達到設定目標值允許的誤差范圍內。

綜合系統中所有區塊的控制算法總式為

DΔT≥Δtmax=(1∈Apump)(1∈Astump1)(1∈Astump2)×(1∈Astump3)

(8)

式(8)中：Apump為Dpump在ΔT時間內,多次檢測的狀態集合，Apump={Dpump|Δtpump?ΔT}；ΔT為目標狀態檢測周期；Δtmax為所有區塊檢測周期的最大值；Astump1為一級鍋爐的狀態集合，Astump1={Dstump1|×Δtstump1?ΔT}；Astump2為二級鍋爐的狀態集合，Astump2={Dstump2|Δtstump2?ΔT}；Astump3為三級鍋爐的狀態集合，Astump3={Dstump3|Δtstump3?ΔT}。

在目標檢測周期內,設計每個區塊至少要有一個周期其控制對象的反饋參數達到設定目標參數要求,由此確保整個系統輸出的準確和穩定。

2.3 控制系統的計算機實現

高頻電磁感應鍋爐采用一塊EMW3166 WiFi芯片作為主控,其核心為STM32F4單片機,運行FreeRTOS操作系統。主控芯片通過兩個串口與兩塊STM32F4從芯片進行通訊,波特率高達138 000。每個從芯片設計有4路485,波特率為9 600。從芯片緩沖和透傳主芯片下發給控制器的控制指令和發送給傳感器的采集指令,并緩沖采集到的傳感器數據。核心控制器如圖5所示。

圖5 核心控制器Fig.5 Core controller

主控芯片以多線程的方式實現上述閉環區塊內獨立的控制器設計,并在對整個系統實現控制的同時,通過WiFi將數據傳送到服務器,存儲在數據庫中。

3 應用效果

本設計的鍋爐應用于香雪制藥公司的中藥生產流程中,為藥物萃取裝置加熱。應用場景如圖6所示。

圖6 應用場景Fig.6 Application scenario

圖6的左側為高頻電磁感應鍋爐,圖6的右側開始第一個容器為真空濃縮器,第二個裝置為加熱器。鍋爐加熱的熱水從管道進入加熱器的換熱器中為藥液加熱,藥液通過熱動力學原理在加熱器和濃縮器中的循環,藥液中的水分受熱蒸發被抽往后續容器中冷卻排出,達到藥液濃縮的效果。

高頻電磁感應鍋爐中,主要的功率驅動裝置為3個鍋爐,重要的反饋參數為各級鍋爐出口的溫度和最終輸出的壓力。

在最終目標溫度設定為155 ℃、目標壓力設定為0.55 MPa時,三級鍋爐預存的溫度設定參數分別為90、140、155 ℃,最終輸出溫度的允許誤差為±5 ℃。一級鍋爐的溫度曲線如圖7所示,一級鍋爐的工作狀態如圖8所示,值為1表示鍋爐處于加熱狀態,為0表示鍋爐處于停止狀態。因功率脈寬驅動控制是相對目標參數的上下限控制,因此控制的結果是在設定范圍內不斷波動的。

在一級鍋爐的區塊中,進水溫度為71 ℃,一級鍋爐在19：18：54時啟動加熱,經過20 s的加熱,一級鍋爐就達到了設定溫度。從圖8中可以看出,一級鍋爐在某些時刻超過了最終輸出的允許誤差的,但是最終的輸出還有兩級鍋爐在后續調節,且其控制檢測周期小于最終輸出的周期,所以并不會影響最終的輸出精度。

圖7 一級鍋爐溫度曲線Fig.7 First stage boiler temperature curve

圖8 一級鍋爐工作狀態Fig.8 Working state of the first stage boiler

在二級鍋爐的區塊中,鍋爐從19：18：54啟動開始加熱,其溫度曲線如圖9所示,最初啟動時,循環泵就已經開啟,因此進水溫度與一級鍋爐基本相等,經過322 s的加熱,二級鍋爐達到設定溫度。由于部分液體在二級鍋爐中會汽化,且二級鍋爐受到前后兩級鍋爐加熱效果的影響,其溫度的波動范圍較大,但其達到目標溫度之后的溫度均值為137.75 ℃,且其相對最終目標輸出擁有更短的檢測控制周期,因此該區塊能為下一級鍋爐提供滿足需求的溫度輸出。二級鍋爐的工作狀態如圖10所示,可以看到其狀態切換相對一級鍋爐減少了52%,前一個閉環區塊的控制,能夠使后一個區塊更長時間的保持在目標參數范圍內。

圖9 二級鍋爐溫度曲線Fig.9 Seconed stage boiler temperature curve

圖10 二級鍋爐工作狀態Fig.10 Working state of the second stage boiler

圖11 三級鍋爐溫度曲線Fig.11 Third stage boiler temperature curve

圖12 三級鍋爐工作狀態Fig.12 Working state of the third stage boiler

圖13 最終壓力輸曲線Fig.13 Final pressure output curve

在三級鍋爐的區塊中,鍋爐啟動加熱后420 s達到了目標溫度,其輸出溫度曲線如圖11所示,三級鍋爐的輸出已經完全滿足最終輸出的溫度要求,且輸出波動很小。最終溫度的輸出即為三級鍋爐出口溫度。三級鍋爐的工作狀態如圖12所示,其狀態變化相對二級鍋爐減少了45%,在前兩個區塊控制的基礎上,三級鍋爐的狀態變化頻率更低,輸出也更穩定。圖13為出口壓力的曲線,由于出口直接安裝在目標容器上,輸出壓力很容易受到需求側的干擾,因此會出現波動,但是本算法仍然可以通過對各個閉環區塊的調節,使輸出保持穩定,具有很高的魯棒性。

最終輸出的溫度和壓力,是系統中多個閉環區塊以遠小于最終目標檢測周期的速度,多次檢測和驅動控制的結果。

4 結論

對于高頻電磁感應鍋爐的控制中存在的解耦困難,參數整定需要依賴專家經驗并且需要大量人工輔助的問題,提出了基于功率脈寬驅動的控制方法,經過實際的鍋爐應用測試,得出以下結論。

(1) 將高頻電磁感應鍋爐依據功率驅動裝置和反饋參數劃分為多個閉環區塊,為每個區塊設定目標參數,在每個區塊內使用功率脈寬驅動控制算法控制,使每個區塊在整個系統的輸出檢測周期內,多次進行檢測和控制。對不同的控制對象進行獨立的閉環區塊控制,使系統扁平化,耦合性降低,控制更易實現。

(2) 通過實際的鍋爐應用,表明了功率脈寬驅動自動控制算法在不引入非邏輯參數的情況下,依據預存的目標參數能夠實現對每個閉環區塊反饋參數的穩定控制,并最終實現了整個閉環控制系統輸出的穩定。

(3) 相比傳統的PID控制算法和國內外目前的其他算法,本設計沒有引入非邏輯參數,不需要人工調整系統參數,節約了大量的人工調試成本。

(4) 本控制算法依據邏輯表達式設計,易于實現和維護,在多目標、多參數的非線性復雜系統中,有廣闊的應用前景和價值。

(5) 本控制算法具有多區塊的分布式特性,且在鍋爐應用中實現了物聯網的控制和監測,符合未來工業控制研究的發展方向。