混合煤气管道多变量系统自抗扰解耦控制.pdf
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1、第 1 期 ( 总 第 1 7 0期) 2 0 1 2年 2月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL ENGl NEE R】 NG & AUT( ) MATI ON NO 1 Fe b 文章 编号 : 1 6 7 2 - 6 4 3 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 0 1 0 3 混合煤气管道多变量系统 自抗扰解耦控制鬻 陈至坤 ,张瑞成 ,武 旭 ( 河北联合大 学 电气工程 学院,河北 唐 山0 6 3 0 0 9 ) 摘要 :针对煤 气混合蝶 阀串联系 统具有强 耦合、不确 定性 、干 扰 因素 多、 非线性 等特点 ,应 用 自抗 扰控 制 ( A DR C
2、)静态解耦和 扩 张状 态观 测器 ( E S O) 动态解 耦技 术,给 出一 种适 用 于煤 气混 合蝶 阀 串联 系统 的 AD R C角 军 耦设计方案。为提高系统 的响应速度 ,减少计 算量 控制 系统 去掉跟 踪微分器( T D) 并且 E S O 和 N F ( :非线性反馈)采用线 性函数 的 AD R C。仿 真结果 表 明,该控 制方案 不仅 解耦效果优 良。而且具有 较 好 的跟踪性能和抗 扰动能力。 关键 词 :煤气混合; 自抗扰控制 ;扩张状态观测器 ;解耦 ;多变量 系统 中图分类号 :T P 2 7 3 文献标识码 :A 0 引言 煤气是钢铁和有色 金属冶炼企 业
3、的重要生 产原 料 ,来 自高炉和焦炉的煤气分别经过 两道蝶 阀后混 合 ,再经过加压机加压后成为生产应用的混合煤气 。 在煤气混合 的过程中,蝶阀的开度不仅影响流量 ,而 且 影 响压 力 ,流量 调节 与压力 调 节之 间存在 着严 重 的 耦合 ,同时 4道蝶阀之间 的调节也互 相影响 ,由此 说 明系统存 在着强烈 的耦 合现象 。目前 ,煤气混合 过程的控制 方法 主要有压力 和热值 双 回路调节 、前 馈补偿解耦 以及智能解耦 3种。前两种控 制方法 由 于存在局 限性 ,控制 效果 比较差 1 。随 着智 能控 制理论的发 展 ,任海龙 等 3 , 4 3 提 出了煤气 混合智
4、能 解耦控制策略 。但由于串联在高炉煤气 管道上 的两 个 阀和 串联在焦炉煤气管道上 的两个阀之间的距离 很近 ,因此 ,这 是 一 个 典 型 的强 耦 合 系 统。文 献 3 ,4 对此没j 进行详细设计 ,文献 1 虽 然根 据前馈补偿方法对两个蝶 阀系统进行 了解耦 ,但 系 统存在高炉煤气压力的变化 、焦炉煤气压力 的变化 以及用户流量的变化 等扰动 ,所以此系统抑制扰 动 的能 力 不 强 。 为此 ,本文将 自抗扰控制技术引入到蝶阀串联控 制系统 ,建立了煤气混合的多变量 自抗扰控制( AD RC )系统,实现了对两道串联蝶阀的解耦控制。 1 煤 气 混合 过程 双蝶 阀 串联
5、 系统 数学 模型 由于焦炉 阀门和高炉阀门压力分配的基本思想一 致 ,本文以焦炉阀门组为例 ,蝶阀串联系统如图 1 所 示。图中 P 。 为 1 号阀门前焦炉煤气压力 ,P 为 2号 阀门前焦炉煤气压力 ,P 为 2号 阀门后焦炉煤气压 力, 、“ 分别为 l 号阀门和 2号阀门的开度 ,Q为 管道 内 焦炉煤 气 的流量 。 p 0 p 口 p 2 u , u 2 图 l焦炉煤气蝶 阀串联系统 依据文献 E 5 3 ,压力一流量过程可以表述为 : Q一 甜 ( 户 。一 ) 一 。 ( 户 一 ) : U I U 2 ( 。 一 2 )。 ( 1 ) 两个回路都处于开环时,被调流量 Q对
6、“ 的增 益 即第 一 放大 系数 为 : 一( ) 。 ( 。 ( 2 a “ 1 l 。 = 。 5I 甜 l + 2 、 。 。 、 压力 回路闭合时,Q对 的偏导数即第 二放 大 系数为 : 赛 = P o - P l 一 c ) 。 ( 3 ) 根据 相对 增 益的 定 义有 : _ 河北省 自然科学基金资助项 目 ( F 2 O O 9 O O O 7 9 6 ) 收稿 日期 2 0 1 】 一 0 8 1 6 ,修 回日期 :2 0 1 1 一 O 9 2 3 作者简介 。陈至坤( 1 9 6 1 一 ) , 男 , 河北景县人 , 教授 , 硕士 , 主要研究方向为智能检测技术
7、、 控 制理论及应用 等。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 机 械 工 程 与自 动 化 2 O l 2年 第 l期 l 一 一 。 4 ) 一瓦丌一U l - H U 2。 一( 4 ) O u J : 。 从式( 1 )中解出 和 “ 。 并代人式( 4 ) ,就可 以用压力来表示增益,即: 一 P0 - Pl。( 5 ) 同样可以求出 “ 对流量 Q的相对增益 l 2 = 。 ( 6 ) 如果 改 用 P 来描 述此 压力 一 流量系 统 ,得 : Pl 一 -Q = pz + U 2一 。( 7 ) 同理 ,则可确定另 一增益 。对式( 7 )求取偏
8、导 数,就可分别推导出 “ 、 。 对 P 的两个通道的相对 增 益 2 l 和 2 2 。经 过推证 , 1 l = = = 2 2 , l 2 一 2 1 。 这 时 ,压 力一 流 量 系 统 的输 入一 输 出 关 系 可 表 示 为 : 。 f ! = 妻 二坌 以 一 一 二 L P o P 2 一P o 一; 已知某系统焦炉煤气管道压力为 P 。 一6 2 k P a , P 一5 5 k P a,P 2 5 0 k P a ,则增 益 矩阵 为 : 以 一 4 2 。0 5 8 。 L 21 22 J L O J 由于 十分接近 0 5 ,表 明系统存在严重耦合。 由式( 8
9、)可得控制系统的数学模型,即: - y 。 2 ( ) J L “ 2 ( ) J 其 中 : 1 ( s ) 一Q( s ) ; Y 2 ( s ) 一 P 1 ( ) ; G( s ) 为被 控 对 象 的传递函数, G( ) 一d i a g G ( s ) , G ( s ) ) 。 在调 试 过 程 中经 反 复 试 验 , 得 G。 ( ) 一 。 nS十1 其 中,K 为被控对象的增益, 为被控对象 的时间 常数 ,取 K一2 ,T o =1 5 。 2蝶 阀串联 系统 的 A D R C解耦 控 制器设 计 2 1 AD RC静 态解耦 AD R C静态解耦可 用常规 的控制器
10、来 实现。由 于实际运行过程中,静态耦合矩 阵 A具有不确定性 , 所 以在其变化范围内取粗略估计值 A 。 A,近似误差 可归结为扰动量。 利用静态解耦补偿器对被控对象进行解耦,令 : v l (s ) ul( s ), 。 其 中: ( ) 为各通道的虚拟控制量。则 : N F v (s) 。 则静态解耦补偿器 N 为: N : 以_。 。 (1 2) 静 态解 耦补偿 后 ,式 ( 9 )可 以描 述 为 : , 。 ( 13L y L v 2 ( ) J 2 ( ) J 2 2 自抗 扰控 制 器设计 如 果应 用 自抗 扰 控 制 技 术 , 需 要 将 对 象 模 型 ( 1 3
11、)转化 为 AD R C常用 的形 式 ,即 : f= ( f , df , )+ b o f f。 ( 1 4 ) 其 中: 为每个通道的总扰动 ; 为测量量 ; d 为外扰 输入 ; b 。 为可调节参数 ; 为控制量。 解 耦 以后 的两 个 通 道 可 分 别 按 常 规 的 S I S O ( 单 输 入单 输 出 )系统 进 行 AD R C 的设 计 。常 规 自抗 扰 控制 器 由扩张 状态 观测 器 、跟踪微 分 器 和非线 性 反馈 控 制 3部 分组 成 。因为此 被 控对 象反 应迟 缓 ,因此 考 虑去掉跟踪微分器 TD,希望能借助最初的大误差控 制信号把对象 “ 激
12、励”起来 ,让输 出尽快上升 。 为了降低系统的复杂程度,减小计算量,本系统采 用线性反馈控制率( L F ) 和线性扩张状态观测器( L E S O) 。 改进后 的 A DR C系统结构 如图 2所示 。线性扩 张状 态观 测器 的 作用 是根 据 系统 的 控 制 量 和 测 量 量 Y , 估计出每个通道总扰动 。每个子系统的二 阶 L E S O 可设计 为 : s f = = = l - yf 。 ( 1 5) f 之 1 f 一2 2 f 一 e f +b 仇 。 ( 1 6) f 乏 2 一一 其中: 为观测值 与实际输 出的误差 ; 、 分 别 为 L E S O 的输 出
13、, 为 每 个通 道 的 观测 状 态 Y , 为每个通道总扰动 f ; 为 L E S O的增益 , 一1 ,2 , = =l ,2 。选取适 当的参数 和 b 。 。 使 L E S O快速 收 敛 ,从 而形 成线性 误 差反馈 控 制律 : 一( 一 2 j +71 0 ) b o 。 ( 1 7 ) 其中:7 - 0 为 L S E F的输 出。 线性状态误差反馈控制律 ( L S E F )为 : f e 一 i 一 ; = = = f 。 ( 1 8 ) I I7 ) O = 是 P f “ - k d i e o i 其中:r f 为系统给定值;e i 为误差项 ;e o 为误
14、差变化 率;k 为控制器的比例增益; 为控制器的微分增益。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m2 0 1 2年第 1期 陈至坤 等:混合煤 气管道 多变量 系统 自抗 扰解耦控刺 3 3仿真 实验 研究 为了验证所设计控制方案的可行性,根据图 2所 示的方 框 图进行 了仿 真实 验研 究 。两 个子 通 道 的 L S E F和 L E S O参数相同。AD RC控制器 的参数设置 如下:L E S O参数 : 1 =8 0 , l 一2 0 0 0 ,b o :4 3 ; L S E F参数 :k 一l 5 ,k =8 5 。 图 2蝶 阎 串联 系统 ADRC
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- 关 键 词:
- 混合 煤气管道 多变 系统 抗扰解耦 控制
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