實驗室過程控制裝置溫度對象邏輯控制的研究　　　　　　　　　　　　　　　　（南京理工大學自動化學院，210094）　　摘要：化工過程控制有六大過程對象，即液位、流量、壓力、溫度、成分和物性 [１]，其中前四項又是實驗室主要研究的過程對象。然而溫度對象的特性——具有較大的時滯常數，使得其控制實現變得較為困難[２]。文章提出了一種源于PLC梯形圖控制[３]邏輯思想的控制算法——邏輯控制，以及相應的一個針對大時滯（或者溫度多容對象）的改進控制方案。通過對實際系統(tǒng)的調試結果的分析和比較，知道其控制效果遠好于常規(guī)的PID控制，而且實現起來也相對簡單。關鍵字：溫度控制，大時滯對象，邏輯控制 0.前言　　溫度對象具有較大的時間滯后常數，采用單回路的PID控制往往很難取得相對理想的控制效果，即不容易滿足控制系統(tǒng)“穩(wěn)、快、準”[４]的要求。在過程控制和控制理論發(fā)展的歷史過程中，為了實現相對理想的控制，科研工作者們提出了各種改進控制方案，如前饋反饋控制[５]，內?？刂芠６]、Smith預估控制[７]和模糊控制[８]等先進控制方案或者算法。但是先進控制算法的編程工作量較大，在實驗室實際操作過程中存在較大的困難。因此，作者結合可編程邏輯控制梯形圖的編成思想，提出了一種適合實驗室過程控制裝置中溫度對象控制的簡單控制算法，即邏輯控制算法?！?b>1.邏輯控制算法介紹　　由單回路PID控制的方框圖知道控制器的作用是使得控制信號根據輸入偏差的大小做出相應的變化，然后作用于執(zhí)行機構，使得系統(tǒng)的輸出能夠往預定的控制目標發(fā)展。在這一章節(jié)中，就主要介紹邏輯控制算法的思想來源和具體的編程實現?！　√菪螆D編程中每一個通路有一個或者一系列觸點和相應的線圈組成，當這些觸點滿足一定條件時，則線圈做出相應的動作。利用這一個思想，文章將誤差分為幾個等級，如極大，大，小和極小等（類似于模糊控制的模糊變量），不同的誤差等級對應不同的控制輸出量，如極大，大，一般和正常（正常這個值跟經驗數據相關，一般取執(zhí)行器的加熱功率和對象的散熱功率近似時候的值）等。如圖1所示即為文章介紹的邏輯控制算法思想。
圖1 邏輯控制思想框圖　　圖中的ｒ表示系統(tǒng)的給定值，y表示系統(tǒng)的輸出值（或溫度的測量值），e=r-y 表示系統(tǒng)的誤差，u 表示控制器的輸出信號，在實際溫度控制中，往往不希望系統(tǒng)出現超調，為此希望當系統(tǒng)出現超調時，控制器的輸出為零，即加熱管不工作。實驗中，邏輯控制的算法是用浙江中控的AdvanTrol-Pro(V2.65)組態(tài)軟件中的圖形化編程方案實現的，根據圖1的控制思想，得到如圖2所示的控制算法的功能塊圖編程。
圖2 邏輯控制算法的功能塊圖編程　　圖2中的各變量定義如表1中的介紹。圖2的工作過程或者原理如下介紹，第一行的三個模塊，起到一個初始化和保證系統(tǒng)安全停止的作用，即在控制方案沒有啟動時，要求加熱管不工作，給定值與設定值相等，此時的偏差等于0。第二行即判斷系統(tǒng)是否出現超調，若超調則加熱管不工作。第三行用來判斷系統(tǒng)此刻的偏差狀態(tài)所在的范圍。第四行，第五行分別表示偏差“極小”和“小”時的控制器輸出為“正常”和“一般”的工作要求。最后一行判斷DE_03的情況若“是”則表示偏差大，控制器輸出為“大”；若“非”則表示偏差“極大”，控制器的輸出為“極大”。（在實際調試過程中發(fā)現這段程序的運行并不是很穩(wěn)定，偶爾出現T_MV與TV_01不能對應的情況，但并不影響系統(tǒng)的控制效果，特此說明。）表1 圖2中對應各變量和功能塊圖的介紹變量名　變量意義　　變量類型　變量名　變量意義　　　　　變量類型STAR　控制啟動變量 　邏輯變量　TT_01　加熱水箱溫度測量值　半浮點變量DE_01　偏差小于0.5℃　邏輯變量　T_SV 　溫度設定值　半浮點變量DE_02　偏差小于1.5℃　邏輯變量　T_MV 　控制器輸出值　半浮點變量DE_03　偏差小于3℃ 　邏輯變量　T_DE　溫度偏差值　半浮點變量DE_08　超調判斷變量　邏輯變量　TV_01　加熱管開度　半浮點變量2.控制算法的調試實現　　實驗室的過程控制裝置是浙江中控的CS4000過程控制實驗裝置，溫度控制對象主要是五號水箱（加熱水箱）的出口溫度對象和六號水箱（純滯后水箱）的中部和尾部溫度對象[9]。由對象階躍響應曲線知道，五號水箱的溫度對象時滯相對較小，而六號水箱的中部和尾部溫度對象的時滯常數就相對很大了，而且對加熱管的控制也不如五號水箱出口溫度對象的及時。文章首先考慮對五號水箱的出口溫度的控制，以及與常規(guī)PID的控制效果相比較。對于六號水箱的溫度控制，分析實際的控制效果，以及出現這個現象的原因，并結合前饋控制中提前響應的思想，給出了一個改進的控制結構方案。2.1 五號水箱出口溫度對象的邏輯控制實現　　如圖3所示即為邏輯控制得到的控制響應曲線，圖中的A線為傳感器測量得到的值，B線為系統(tǒng)的給定值，C線為控制器的輸出值。而為了比較相關控制性能，文章給出在實驗室實際調試過程中，采用PID控制算法實現的一組相對比較好的實驗數據得到的控制曲線，如圖4所示，圖中的A線為傳感器測量得到的值，B線為控制器的輸出值，C線為控制器的輸出值系統(tǒng)的給定值。
圖3 五號水箱出口溫度對象邏輯控制響應曲線 圖4 五號水箱出口溫度對象PID控制響應曲線　　圖3中有左右兩個縱坐標，與左坐標對應的是A、B兩曲線，單位為℃，右坐標單位為%，對應的是曲線C，圖中橫坐標為時間坐標，該圖中每一格的時間跨度為64（s）。在測量值為29.7℃時，給定溫度設定值為35℃，由圖3可以清楚地看到控制器的作用規(guī)律，隨著誤差的由大變小，控制器的控制作用也有強變弱，直至出現了超調，控制器的輸出即為零，此時，水箱對象僅有散熱作用導致水溫下降，又出現了正偏差。由圖可以知道，采用邏輯控制時系統(tǒng)的超調量為0.3℃左右，調節(jié)時間為192（s）左右，基本達到了“穩(wěn)快準”的要求?！　D4中的左坐標仍然是給定值和測量值的坐標，右坐標是控制器輸出的坐標，每一格的時間也是64（s）。該圖是在PID控制器三個參數分別為 ，以及時（這一組參數為多次整定以及試湊的結果）取得的單回路控制效果還算比較好的一組曲線。由圖4知道在原穩(wěn)定狀態(tài)（測量值為26.7℃）時，給定溫度設定值為32℃（這樣就與圖三中的階躍量保持了一致），可以看到系統(tǒng)的響應曲線最終沒能達到設定值，最終的余差在1.5℃左右。　　由此可以知道，文章介紹的邏輯控制具有以下特點，首先沒有PID控制算法中復雜的參數整定，其次相對于其它先進控制算法而言，其編程實現也是比較容易，最后就是能取得一個相對比較滿意的控制效果。2.2 純滯后水箱溫度對象的控制實現　　在介紹控制算法之前需要介紹一下六號水箱的溫度對象，該水箱是一個純滯后水箱，在中部和尾部都安裝了一個溫度傳感器，對應的溫度對象分別叫做中部溫度對象和尾部溫度對象。由于沒有直接安裝加熱管，故而，叫做純滯后溫度對象，類似于多容水箱的液位對象[10]，所以文章中也稱其為多容溫度對象，其時間滯后常數是相對比較大的?！　∈紫龋匀徊捎脝位芈返倪壿嬁刂?，要求對純滯后水箱的尾部溫度實現控制，其控制效果如圖5所示。圖中有A、B、C和D四根線，分別表示純滯后水箱尾部溫度測量值、尾部溫度給定值，控制器輸出值以及加熱水箱的測量值。
圖5 純滯后水箱尾部溫度對象邏輯控制響應曲線　　曲線中的坐標說明與前面幾個圖中的介紹一樣，右坐標只對應控制器的輸出值，橫向每一格對應的時間是128（s）。在初始穩(wěn)定狀態(tài)為28℃的情況下，給定溫度設定值為33℃，由圖5可以明顯地看出，系統(tǒng)產生了嚴重的超調，而且也遠不能達到控制系統(tǒng)“穩(wěn)快準”的要求。分析其原因主要是由于過程對象的大時滯所致，即當加熱水箱的水溫遠高于尾部溫度給定值的時候，尾部溫度的測量值還沒有怎么發(fā)生變化，反應極其滯后。而且隨著時間的延續(xù)，圖5將出現反復的震蕩過程，出現一種新的“穩(wěn)態(tài)”?！　榱四軌蚣皶r地實現系統(tǒng)的定值控制，需要對控制方案（控制結構或者控制算法）做出相應的調整。文章在不改變邏輯控制算法的基礎上，結合前饋控制的思想（提前控制的思想），現給出如圖6所示的控制結構框圖，以期實現相對及時地控制，具體的控制實現在本文中暫不作介紹。
圖6 純滯后水箱尾部溫度對象邏輯控制改進方框圖3.總結　　文章針對實驗室CS4000過程控制實驗裝置的兩個溫度對象，即加熱水箱的出口溫度對象和純滯后水箱的尾部溫度對象，實現定值控制的控制算法或者方案作了一個簡單的介紹。由于簡單PID控制參數整定對于溫度對象比較復雜，而智能控制算法，如模糊控制等，其編程實現又是極其復雜，為此作者結合了所學控制知識，提出了一種簡單的邏輯控制算法。同時對算法的實際控制效果與常規(guī)PID控制效果作了一個比較，而且針對純滯后水箱控制效果的不理想提出一個控制回路結構的變更方案。最后，通過實驗室的實際操作和調試，可以知道邏輯控制算法具有思路清晰、控制實現也比較容易的優(yōu)點，當然也存在一定的問題，如當偏差極小時控制量應該取多少為最合適的問題，以及算法的魯棒性和穩(wěn)定性等也沒有理論的分析，不過，作為實驗室簡單的控制實現，其效果還是很理想的。參考文獻[1] 何衍慶，俞金壽，蔣慰孫. 工業(yè)生產過程控制[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2004.2[2] 胡林文，王啟志，騰達. 基于一類時滯對象控制方法的探討[J]. 化工自動化及儀表，2010，37（5）[3] 李冰，劉富強等. 零基礎學西門子S7-300/400PLC[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2010.6[4] 胡壽松. 自動控制原理（第四版）[M]. 北京：科學出版社，2001.1[5] 翁維勤，孫洪程. 過程控制系統(tǒng)及工程（第二版）[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2002.7[6] 王樹青. 先進過程控制技術及應用[M]. 北京化學工業(yè)出版社，2001.7[7] 尉穎，白珍龍. 新型的Smith自適應辨識控制算法[J]. 自動化儀表，2010，31（2）[8] 韋巍. 智能控制技術 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2005[9] CS4000高級過程控制實驗裝置設備使用說明書[Z]. 浙江中控科教儀器設備有限公司[10] 邵裕森. 過程控制及儀表（修訂版）[M].上海：上海交通大學出版社，1999.7