基于增量式PID算法的气体流量控制方法

高慧中, 路 骏, 2, 马小录



基于增量式PID算法的气体流量控制方法

高慧中1, 路 骏1, 2, 马小录1

(1. 中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077; 2. 西北工业大学 航海学院, 陕西 西安, 710072)

气体流量控制回路因其动态特性复杂、响应速度受限等现象给控制器的设计带来了挑战。文中在分析鱼雷气体燃料动力系统动态流量控制特性的基础上, 使用增量式比例-积分-微分(PID)算法来实现气体流量的动态控制, 给出了控制系统动态特性的数学描述。在气体流量自适应控制器的设计阶段, 首先在Ziegler-Nichol初始化基础上, 试凑出一组具有良好控制效果的PID参数, 并通过阶跃试验确认了该控制器的性能。仿真试验证明了该控制器在动态环境下的自适应能力。

鱼雷动力系统; 气体流量控制; 增量式比例-积分-微分(PID)算法; 自适应

0 引言

氢、氧燃烧后无污染, 便于构成高效能、无排放的闭式循环, 其高效绿色的特点日益受到各方重视。氢氧能源作为重点发展的清洁高效能源, 该领域研究已被我国能源产业重点扶持。由于粗糙的人工调节已无法在动态过程中满足燃烧系统的高燃烧率、高热值需求, 在组织氢、氧燃烧的过程中, 如何在兼顾效率与热值的同时, 有效协调2种燃料流量是决定燃烧效果的关键[1]。

基于自动控制原理提出的比例-积分-微分(proportional integrative derivative, PID)控制自问世至今的半个多世纪里, 以其控制结构简单, 易于操作调整, 良好的鲁棒性等优点在冶金、机械、热加工等多个领域得到了广泛应用。同时, 研究人员也在过程控制应用中不断发展PID控制器的设计方法, 从最早的理论整定方法计算控制参数技术(广义频率法、根轨迹法、BODE图等), 到后来在工业界广泛应用的Zielger-Nichlos及其改进整定法, PID技术随着历史进程不断进步。近年来出现的智能PID控制更向着自学习、自适应等先进方向快速发展, 同时具备结构简单、鲁棒性强、可靠性高的特性。

图1 比例-积分-微分控制原理

Fig. 1 Principle of proportional integrative derivati- ve(PID) control

其表达式为

针对鱼雷气体燃料动力系统的动态流量控制特性, 文中设计了基于PID原理的自适应控制器。为满足工程需求, 文中从研究系统硬件执行元件与被控量特性出发, 认为气体流量控制过程中的迟滞性与压缩性已无法满足高精度控制, 提出重点关注的当前时间下的目标量与输出量之间偏差值[2], 采用增量式PID控制技术。针对流量供应技术要求, 在经验公式整定的基础上“手工细调”得出了比例、积分、微分3个参数数值。在最后的模拟验证中, 使用所设计的调节器联动控制两路气体流量, 并对控制过程采集的相关数据进行了进一步的分析。

1 增量式比例-积分-微分算法

在实际工作中, 要想提高控制质量, 就必须采用连续的调节方式, 比例控制环节作为最简单的方式能实现偏差的不断检测。然而在系统稳态条件下, 总会存在稳态偏差。为了解决这一问题, 同时避免使用过大的控制增益, 引入了积分环节, 其特点是低频增益很大, 稳态(直流)增益可达无限大, 对消除稳态误差有较好的效果。这是由于当稳态误差存在时, 随着时间的推移其积分项不断累积, 导致控制器输出不断增大, 从而减小误差, 最终当系统稳定时消除此误差。显然, 比例与积分都针对历史偏差及当前偏差做出控制策略, 限制了控制的应用, 预估误差微分项的引入则充分的解决了此问题[2]。

在计算机环境下, 由于只能根据采样时刻的偏差值计算控制量, 式中的积分项与微分项无法直接计算, 则对式(1)离散后的数字化PID表示为

式中:为采样序号, 且=0, 1, 2,;表示第次采样时刻控制量;表示第次采样时刻的偏差值;为积分项系数, 且;为微分项系数, 且。

将式(2)与式(3)相减, 可得2次相邻PID控制量之差, 即增量式PID算法

2 目标控制系统与参数设计

为提高燃烧效率, 燃烧过程中燃料的质量流量应满足确定的比例关系。软件系统实时监测2路流量, 以氢路流量为基准, 通过电流反馈改变气动调节阀开度, 调整氧气流量动态满足比例要求。

在该控制回路中, 流量作为调整量与被调量虽然同属一种变量, 但其线性程度有所差异。此外, 控制回路的动态特性是由可压缩性的气体与管道上控制阀的动态特性共同作用产生的, 加之流量的延时性, 导致系统控制复杂度显著上升。

调节阀是控制系统的调节执行元件, 应满足能够连续调节气体流量的要求[4]。该控制系统选用了tescom生产的气动调节阀, 控制气体流量达到目标值, 并稳定在设定的动态区间内。由于气体流量受压力、温度、管路设置等多方面因素影响, 易产生流量波动。此外, 流量与阀门的开度并不成线性关系, 这就给控制流量达到目标设定值增加了难度, 系统组成示意图如图3所示。

根据增量式PID算法, 偏差值()由设定值与实时反馈的流量值计算得到, 控制增量则由相邻的偏差量之差, 结合比例、积分、微分系数计算得到, 并最终对管路中的调节阀实现控制。

2.1 被控对象

作为系统的被控对象, Tescome的Er3000是一种多用途气动调节阀, 工作气压为0~0.689 MPa, 通过外部24 V供电, 采用4~20 mA控制电流, 实现气体流量调节。当开度反馈采用电压输出时, 信号传输中产生的压降较大, 所以使用了电流反馈方式。

在由NI公司开发的LabWindows环境下编写的监测控制程序, 能够在监测两路气体流量的同时控制管路中的阀门机构。在设定目标流量或联动控制模式下, 该软件系统在PID控制算法调节下动态调整输出电流, 控制气动调节阀开度, 改变氧气路流量达到目标值。

2.2 控制参数

首先以气体流量的目标值为基准, 确定出系统振荡和显著延迟的比例系数, 并以此为临界参数确定该系统的取值区间。在保证系统稳定的条件下增大能够有效减小静差, 提高控制精度, 得到反应快, 超调小的响应。

3 试验结果及分析

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由于研究对象为气体流量控制系统, 气体的特殊力学特性导致控制中可能存在的滞后、跳动等现象。结合实际工作环境, 文中重点阐述了调试过程中的参数试凑过程与响应流量曲线特性。试验利用代用工质氮气、氢气模拟系统燃料比例变化条件下的控制特性, 构建控制模拟试验系统, 通过调节代用工质流量, 实现流量的自适应控制。

调节控制模拟试验的相关试验系统主要包括以下几方面。

1) 氦气供应与调节系统: 主要包括氦气瓶、减压器、手动调节阀、背压阀。氦气瓶经减压器提供一路氦气, 手动调节阀用来调节氦气流量, 背压阀用来模拟燃烧室的压力。

2) 氮气供应与调节系统: 主要包括氮气瓶、减压器、手动调节阀、背压阀。氮气瓶经减压器提供一路氦气用于模拟氧气, 程控调节阀根据来自控制计算机的控制信号调节氮气流量, 背压阀用来模拟燃烧室的压力。

3) 测控系统: 氦气和氮气供应路上均设置有流量和压力传感器用以测量相应参数, 控制计算机采集传感器的测量信号, 经PID算法后输出控制电流信号操纵程控调节阀, 实现流量调节。

控制过程中, 流量计反馈电流通过A/D转换处理得到数字量, 根据增量式控制原理, 计算目标流量与的差值, 得到偏差量, 并根据算法控制变化量, 进一步经过D/A转换, 执行阀门开度调整动作, 修正位置误差。

3.1 阶跃响应试验

为了确定控制效果较好的PID参数, 达到快速调整流量满足目标值的需求, 经过多次参数计算与模拟调试, 获得了较好的试验动态调整数据如图4所示, 试验参数如表1所示。

表1 阶跃响应试验参数

由上述试验结果可知, 采用该组控制参数, 氮气流量的调节时间约为10 s, 超调仅为9%, 满足系统的控制要求。

3.2 比例控制试验

试验的主要目的是验证该PID控制器流量比例控制的效果, 试验采用表1所示的PID参数, 通过改变氦气流量测试控制系统的自适应调节能力, 对应调整过程的数据结果如图5所示。

通过操作手动调节阀使氦气流量从3.1 kg/h上升至3.8 kg/h, 随后经过3次下降最终稳定在2.0 kg/h。再使用PID控制调节阀使氮气流量跟随氦气流量的变化趋势, 经过1次上升和3次下降最终稳定在16 kg/h。

平稳段1(140~170 s)的流量比值控制精度

平稳段2(210~240 s)的流量比值控制精度

平稳段3(260~290 s)的流量比值控制精度

平稳段4(320~350 s)的流量比值控制精度

平均流量比值控制精度

故流量比值控制精度高于5%, 满足考核指标的要求。由上述试验结果可知, 通过PID控制调节阀可以使氮气流量很好地跟随氦气流量的变化趋势, 二者的流量比例始终维持在目标值附近。

通过系统调节控制模拟试验, 掌握了气体流量调节的控制规律, 并通过两路气体流量的协调控制试验验证了比例控制精度, 试验结果表明, 流量比例控制精度达到0.65%, 满足不超过5%的技术指标。

4 结束语

文中重点讨论了鱼雷动力系统气体流量自适应控制器控制管路的流量PID控制方案。通过分析对比不同算法的特性, 在充分考虑气体力学特性与系统构成的基础上, 选定增量式PID算法设计控制算法, 并将该算法结合控制元件应用到实际系统中加以验证。试验结果表明, 使用此算法设计的控制器不论是在响应阶跃负载, 或是跟随流量联动控制试验均具有较为理想的阻尼效果, 能够快速控制气体流量达到目标值, 保证流量的动态供应满足系统要求。

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Incremental PID Algorithm Based Gas Flow Control Method

GAO Hui-zhong1, LU Jun1,2, MA Xiao-lu1

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710077, China; 2. School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

Design of gas flow controller is of great challenge due to complicated dynamic performances and delayed response of the Gas flow control system. In this study, the dynamic flow control characteristics of the gas fuel for torpedo power system were analyzed, the incremental proportional integrative derivative(PID) algorithm was adopted to achieve dynamic control of gas flow, and the dynamic performances of the flow control system were described mathematically. In design of an adaptive gas flow controller, Ziegler-Nichols principle was utilized to realize initialization, then a set of PID parameters with better control behaviour were achieved through trial and error method. Step test was conducted to validate the performance of the controller. Eventually, the adaptability of the controller under dynamic condition was verified by simulation test.

torpedo power system; gas flow control; incremental proportional integrative derivative(PID) algorithm; adaptability

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.02.010

TJ630.32; TP214.8

A

1673-1948(2016)02-0132-05

2015-10-19;

2015-12-27.

国家自然科学基金(61403306), 中国博士后科学基金特别资助(2015T81062), 中国博士后科学基金(2014M552503).

高慧中(1989-), 男, 助理工程师, 主要研究方向为噪声测试与分析及特征提取方法.

(责任编辑: 杨力军)