变工况条件下Bang-Bang与常规控制集成的选择性控制工程设计与运行

冯爱祥 李明骏 罗雄麟

(中国石油大学(北京)信息工程学院)

变工况条件下Bang-Bang与常规控制集成的选择性控制工程设计与运行

冯爱祥 李明骏 罗雄麟

(中国石油大学(北京)信息工程学院)

对常规控制加以改进，以变工况控制作为补充控制策略来处理大范围设定值的变化。重点介绍该集成控制方案的设计与实现。使用选择控制结构实现切换控制效果；对PI控制的输出进行随动限幅；针对实际操作中可能遇到的非稳态起点控制设计相应的处理措施；采用Visual Basic构建控制系统主程序，通过调用Matlab/Simulink完成相关计算。实验结果表明：以变工况控制作为补充的集成控制方案能够较好地实现对非线性对象大工况变化的调节。

变工况 Bang-Bang控制 选择控制

符号说明

A——控制响应速度；

B——石棉瓦升温的动态响应速度；

C——温度模型的稳态值参数；

Cp——钢段的比热值；

e1——被控变量与设定值之差；

e2——被控变量与Bang-Bang控制切换值之差；

T——当前加热炉的实际测量温度；

Tatm——初始环境温度；

U——控制输入电压值；

umax——Bang-Bang控制最大输出值；

umin——Bang-Bang控制最小输出值；

u1——Bang-Bang控制输出值；

u2——PI控制输出值；

u3——被控对象输入值；

usp——设定值对应的稳态输入值；

V——钢段体积；

Ysp——被控变量设定值；

Ysw——Bang-Bang控制切换值；

Yth——选择控制阈值；

δ——PI控制器输出区间参数；

ρ——钢段的密度；

ω——石棉瓦的总能量。

随着科学技术的发展，实际工业对象越来越复杂，控制难度有所增加；同时，对经济效益的追求促使企业不断改进生产流程，对过程控制效果的要求也越来越高。常规PID控制在实际工业现场中已经被广泛应用，但在处理大范围的工况变化时极易出现超调量过大或调节时间过长的问题，如果不加以改进，不仅影响企业的经济效益，还会对安全生产造成隐患。

各类控制方法虽然取得了长足的发展，但受制于对象模型的准确度、测量精度及干扰因素等的影响，理论的控制效果与实际效果必然会存在差距。而且，在实际控制系统中，控制方案的实现不能过于复杂，如果因为控制方案部署复杂而对整个系统的稳定性造成影响则得不偿失。另一方面，常规PID控制的工业应用已经非常成熟。对此，笔者提出了变工况集成控制方案[1]，继续使用常规PID控制处理小范围设定值的变化，采用集成了Bang-Bang与PID的变工况控制来处理大工况变化。文献[1]主要解决了Bang-Bang控制切换点和WRC控制启动阈值的求取，仿真实验结果验证了控制方案的可行性。在此基础上的主要工作是采用选择性控制结构，来完成变工况集成控制方案的工程实现。

通常来说，凡是在控制回路中引入选择器的系统都称为选择控制系统。选择器实现的是逻辑运算，把逻辑运算引入控制算法，丰富了自动化的内容和范围，使生产中更多的实际控制问题得以很好地解决[2]。选择性控制早在单元组合仪表时代就已经产生，如今已被广泛应用于工业控制过程，如直线双倒立摆[3]、阀位选择控制系统[4]、电站循环流化床锅炉的燃烧控制[5]、有源电力滤波器[6]及轴流压缩机的防喘振控制[7]等。

文章主要内容为变工况集成控制方案[1]的工程实现，使用选择性控制结构实现切换控制效果。讨论控制方案在实际控制过程中可能遇到的问题，并提出相应的措施。通过仿真实验验证该控制方案的可行性，并将它应用到实验室加热炉的控制中。

1 集成控制方案实现的设计与分析

1.1 集成控制方案的结构

文献[1]将Bang-Bang控制与常规PI控制集成，即变工况控制(Wide Running Control，WRC)。常规PI控制处理小范围工况变化，变工况控制作为补充控制策略应对大范围的工况调节。如图1所示，在实施变工况控制的过程中，除了Bang-Bang控制自身的切换点①外，还存在另一个切换点②(即Bang-Bang控制与PI控制的切换点)，二者选取不当都会劣化整体的控制效果。文献[1]以加热炉升温过程为例，给出了切换点①的计算方法，但没有详细讨论切换点②，原因是基于对象模型的理论计算几乎不存在误差，当升温惯性完全消失时(即温度达到最高点)恰好是温度设定值，二者几乎不存在差值，PI控制发挥的作用极小。但在实际控制过程中，要达到以上效果几乎不可能，PI控制起到消除稳态误差的作用。

图1 变工况控制的理论与实际控制效果对比

笔者提出使用选择性控制实现切换控制效果。如图1所示，由文献[1]方法求得WRC控制启动阈值Yth，以此阈值为界将整个控制过程分为两部分：当被控变量当前值Y与设定值Ysp的差值e1大于阈值Yth时，Bang-Bang控制作用；当e1小于Yth时，PI控制介入，因此也称Yth为选择控制阈值。为了实现分区域控制，设计一个带有低值选择器的数字逻辑电路。在控制过程初期，选择控制器的输出等同于Bang-Bang控制，此时PI控制虽无作用效果，但由于控制回路始终存在，PI控制仍可以快速调节输出值的偏差。PI控制输出值的调节贯穿于整个控制过程，这样PI控制切入作用后不会对它自身产生冲击，并且切入作用后其输出值的偏差已较小，能大幅缩短后续调节所需时间。需要注意的是，PI控制算法必须防止抗积分现象，笔者采用增量型PI算法，控制方案结构框图如图2所示，采用低选器、逻辑电路与模块化的实现方案具有结构简单且易于组态的特点。

图2 变工况控制的工程实现结构框图

图3 控制器输出曲线

1.2 非稳态起点的控制过程分析

对实际工业对象的控制往往是将它由一个稳态调整到另一个稳态，但是由于调节过程会持续一定的时间，可能会遇到在调节过程中临时改变目标值的情况，即由一个非稳态状态为起点调节到稳态状态。以文献[1]中的加热炉模型为例，升温过程分为全副升温和缓冲升温两个阶段。令旧设定值为Tsp，新设定值为Tsp′，输入时刻为t′，输入新设定值时加热炉状态为(T′,ω′)，在输入时刻令输入电压为零，经惯性升温后能达到的最高温度为Tmax′。以非稳态状态为起点输入新设定值的情况可以分为4类：全副升温阶段Tsp′>Tmax′，全副升温阶段Tsp′Tmax′，缓冲升温阶段Tsp′

首先令Tsp=350℃，t′=5.5min，Tsp′=400℃，因Tsp′>Tmax′，所以在t′时刻需要立刻输入最大电压，相当于以点A(T′，ω′)为起点计算一次升温过程的控制路径，如图4所示。再令Tsp=350℃，t′=5.5min，Tsp′=320℃，因Tsp′Tth，则再按上述4类情况进行控制。

a. 相轨迹曲线 b. 加热炉温度 c. 加热炉输入电压

a. 相轨迹曲线 b. 加热炉温度 c. 加热炉输入电压

2 工程实现

电加热炉温度控制系统的硬件(型号见表1)包括：电加热炉、主控计算机、信号采集卡、K型热电偶和可控硅调压器[9]。热电偶采集实时炉温并将所采集的数据传送到主控机，经A/D转换为数字信号，控制程序根据拟定的控制算法计算出调压器的输出电压作为电加热炉的控制输入，如图6所示[10]。

表1 电加热炉系统硬件名称和型号

图6 电加热炉温控系统框图

加热炉是典型的大滞后、大惯性、不对称性非线性对象。文献[10]分析了实验室加热炉的结构(图7)，将输入电压作用到炉内温度上升的过程分为两个部分：电阻丝驱动石棉瓦升温和石棉瓦驱动钢段升温，构成的二阶非线性模型如下：

其中，A=ρVCp，温度模型的稳态值参数C通过拟合得到，钢段的比热值Cp根据它在不同温度下的比热值通过数据拟合得到，ω为系统模型的中间变量。出于对实验器材的保护考虑，将加热炉最大输入电压限制在115V，加热炉的最高温度限制在500℃。

2.1 Simulink仿真

变工况控制的仿真结构如图8所示。加热炉起始温度T0为25℃，设定值依次为t=0min，Tsp1=200℃；t=9.5min，Tsp2=230℃；t=25.0min，Tsp3=350℃；t=45.0min，Tsp4=500℃；t=70.0min，Tsp5=400℃，控制效果如图9所示。在9.5min时温度尚未达到200℃，控制系统判断当前缓冲的最高温|Tmax′-Tsp2|>Tth，需再次启动WRC控制完成调节过程。变工况控制与PI控制采用相同的PI参数，从图9可以看出，给定的工况变化较为剧烈，使用固定PI参数的WRC控制在较短时间内完成了调节过程，而纯PI控制在连续的工况变化中表现较差，不能在有限的时间里达到控制要求。

图7 实验室电加热炉内部示意图

2.2 实验室加热炉实验

加热炉控制系统以Visual Basic为平台，通过ActiveX调用Matlab/Simulink完成相关的计算功能，包括Bang-Bang控制切换值Tsw、目标值稳态电压usp与选择控制阈值Yth。在相同的工况变化情况下，WRC控制在加热炉上的控制效果如图10所示。

图8 变工况控制器的Simulink仿真结构

图9 加热炉系统仿真控制效果对比

图10 加热炉系统实际控制效果

3 结束语

笔者介绍了变工况集成控制方案的工程实现。首先，采用选择控制结构，通过设置选择控制阈值实现分区域的切换控制效果；通过稳态模型计算出设定值对应的稳态输入值，以此对PI控制的输出进行随动限幅；讨论了实际操作中可能遇到的非稳态起点控制的几种具体情况，设计了相应的控制算法；采用Visual Basic构建控制系统主程序，通过调用Matlab/Simulink完成相关计算。实验结果表明，基于选择控制结构的变工况控制方案简化了控制流程，具有结构简单易于组态实现的特点。

[1] 李明骏,罗雄麟,谷明章.变工况条件下Bang-Bang控制与常规PID控制的集成设计与分析[J].化工自动化及仪表,2016,43(9):901～905.

[2] 蒋慰孙,俞金寿.过程控制工程[M].北京:中国石化出版社,2004:240～242.

[3] 刘坤,陈今润,吕郁青,等.直线双倒立摆的双闭环选择型模糊控制系统[J].重庆工学院学报(自然科学版),2009,23(6):87～89.

[4] 逯建权,郑龙.PMK调节器实现阀位选择复杂控制系统[J].化工自动化及仪表,2010,37(6):101～103.

[5] 牛培峰,朱铁一,李国胜,等.循环流化床燃烧过程自适应双环选择控制系统[J].青岛海洋大学学报(自然科学版),2003,33(3):462～468.

[6] 史丽萍,孙晋璐,翟福军.有源电力滤波器控制延时补偿方法研究[J].电气传动,2013,43(4):70～73.

[7] 陈晗,刘飞跃.轴流压缩机的防喘振控制[J].化工机械,2010,37(3):287～291.

[8] 罗雄麟,左瑞香,冯爱祥.化工过程非稳态开工的缓冲升温修正切换控制[J].化工学报,2015,66(2):647～654.

[9] 冯爱祥.基于Petri网的电加热炉温度控制系统[J].化工自动化及仪表,2011,38(10):1168～1170.

[10] 徐宝昌,蔡胜清,冯爱祥,等.变工况切换过程的Petri网自主预测与控制[J].化工学报,2016,67(3):839～845.

DesignandImplementationofSelectiveControlEngineeringBasedonBang-BangandRoutineControlIntegrationunderVariableWorkingConditions

FENG Ai-xiang, LI Ming-jun, LUO Xiong-lin
(CollegeofInformationEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing))

An integrated control scheme for variable working conditions was proposed which has routine control improved and takes control of variable working conditions as a complementary strategy to manage the changes of wide-range setting values. Both design and implementation of this integrated control scheme was discussed, in which, having selective control structure adopted to achieve two-stage switching control; and having the output of PI control carried out with the dynamic limit; and aiming at non-steady starting point control occurred in actual operation, the corresponding measures were designed; and having Visual Basic employed to build main control program and calling Matlab/Simulink to obtain relevant calculation. The experimental results show that, the integrated control strategy can be used to adjust wider working conditions of nonlinear objects.

variable working condition, Bang-Bang control, selective control

TQ021.8

A

1000-3932(2017)02-0119-06

2016-03-22，

2016-12-30)

冯爱祥(1974-)，讲师，从事智能控制方面的研究。

联系人罗雄麟(1963-)，教授，从事控制理论与过程控制、化工系统工程及机器学习等领域的研究，luoxl@cup.edu.cn。