摘 要： 介紹了一種應(yīng)用于無(wú)毒提金新工藝中反應(yīng)液PH值控制的智能復(fù)合控制算法。
關(guān)鍵詞： 反應(yīng)液PH值 智能復(fù)合控制
隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)ψ詣?dòng)控制的要求不斷提高，以單純數(shù)學(xué)解析結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的控制理論，其局限性日益明顯，對(duì)于一些大型、復(fù)雜和不確定的對(duì)象，難以用精確的數(shù)學(xué)模型描述。即使一些對(duì)象能夠建立起數(shù)學(xué)模型，結(jié)構(gòu)也往往十分復(fù)雜，難于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)有效控制。近年來(lái)十分熱門的自適應(yīng)、自校正控制雖然能在一定程度上解決不確定性問(wèn)題，但其本質(zhì)上仍然要求對(duì)象模型的在線辨識(shí)，故算法復(fù)雜、運(yùn)算量大，應(yīng)用范圍受到限制。實(shí)際上，任何一個(gè)有效的工業(yè)控制設(shè)計(jì)，都不能由控制理論單獨(dú)解決，都隱含著人的直覺(jué)推理。原有控制理論單純的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)難以處理有關(guān)對(duì)象的一些定性信息，而單純運(yùn)用人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、技巧和直覺(jué)推理，也難以滿足對(duì)復(fù)雜控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。
假如將人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、技巧和直覺(jué)推理與控制理論相結(jié)合，把它作為控制理論解決復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程的一個(gè)補(bǔ)充手段，將使控制理論解決復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程有一個(gè)突破性進(jìn)展。這種將人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)直接參與生產(chǎn)過(guò)程的控制系統(tǒng)，稱為智能控制系統(tǒng)。
無(wú)毒提金工藝過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，由于這一工藝過(guò)程千變?nèi)f化，干擾不同，對(duì)各個(gè)參數(shù)的要求不盡相同。如果控制模型過(guò)于簡(jiǎn)單，則導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)量大、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，造成各個(gè)參數(shù)不穩(wěn)定，這些都嚴(yán)重影響無(wú)毒提金工藝的生產(chǎn)效率的提高。因而，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)無(wú)毒提金工藝及設(shè)備的自動(dòng)控制曾做了大量工作，以期能實(shí)現(xiàn)低能耗和高效率的目標(biāo)。常用的控制方案歸結(jié)起來(lái)不外乎以下幾種：
(1)自適應(yīng)控制(包括模型參考自適應(yīng)控制和自校正控制)方案；
(2)最優(yōu)控制方案；
(3)PID控制(包括各種變型PID控制)方案。
自適應(yīng)控制方案從理論上講是較先進(jìn)的控制方案，但它基本上適用于工況比較穩(wěn)定的工藝過(guò)程。而無(wú)毒提金工藝過(guò)程各參數(shù)相對(duì)很難穩(wěn)定，各參數(shù)將在某一值附近頻繁變化，最需要有效的控制。否則，對(duì)無(wú)毒提金攪拌設(shè)備控制的經(jīng)濟(jì)效果并不明顯，控制將無(wú)多大的意義。
最優(yōu)控制方案是用得最多的一種方案，它是在已知系統(tǒng)高階狀態(tài)方程后通過(guò)線性化和降階處理，得出一個(gè)較精確的低階狀態(tài)方程，然后以快速性和系統(tǒng)超調(diào)作為控制性能指標(biāo)，應(yīng)用最大值原理，得出最佳控制規(guī)律。這種控制策略在系統(tǒng)狀態(tài)方程精確已知時(shí)，控制效果很好。
PID控制雖然控制方法較簡(jiǎn)單，但它在無(wú)毒提金攪拌設(shè)備各個(gè)控制參數(shù)變化比較頻繁的控制系統(tǒng)中較為實(shí)用、可靠。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在參數(shù)選擇合適的情況下，PID控制性能幾乎同最優(yōu)控制效果一樣，有些性能甚至更好些。PID控制需要檢測(cè)的參數(shù)全是電量，而電量的檢測(cè)遠(yuǎn)比熱量、溫度和化學(xué)成分的檢測(cè)容易得多，亦容易實(shí)現(xiàn)。但PID控制具有超調(diào)大、參數(shù)較難確定、對(duì)擾動(dòng)恢復(fù)慢等缺點(diǎn)。
綜合上述分析的種種情況，針對(duì)無(wú)毒提金工藝過(guò)程的工況要求和各個(gè)參數(shù)的特點(diǎn)及存在的各種干擾情況，在深入分析其機(jī)理的基礎(chǔ)上，將最優(yōu)控制、模糊控制、PID控制結(jié)合在一起，作者提出一種具有快速性和靈敏性的智能復(fù)合控制方案。
該控制方案既對(duì)PID算法加以了改進(jìn)保留，如在傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)中加入新的微分積分作用，對(duì)給定值與測(cè)量值變化造成的偏差分別采用不同的調(diào)節(jié)方式等，又加入了一些模糊調(diào)節(jié)算法的規(guī)則。在偏差大時(shí)，希望攪拌設(shè)備控制系統(tǒng)各控制參數(shù)能快速跟隨調(diào)整，而對(duì)控制精度要求相對(duì)降低，所以擬采用快速PID控制方案；當(dāng)偏差趨小時(shí)，為了減小超調(diào)量，提高系統(tǒng)的控制精度，擬采用模糊控制為主、最優(yōu)控制為輔的控制方案。該控制方案具有超調(diào)小、控制精度高、參數(shù)確定簡(jiǎn)單、對(duì)復(fù)雜對(duì)象控制效果較好等特點(diǎn)。
這就是智能復(fù)合控制的基本出發(fā)點(diǎn)，由此形成了圖1所示的閉環(huán)控制系統(tǒng)。功率控制實(shí)現(xiàn)功率曲線的自動(dòng)跟蹤，智能控制實(shí)現(xiàn)各控制參數(shù)的升降。圖中ys、yp分別為各被控參數(shù)的設(shè)定值和實(shí)測(cè)值，e為被控參數(shù)偏差，e＝y(tǒng)s－yp。
各被控參數(shù)設(shè)定值由上位機(jī)或下位機(jī)給出，具體方式有兩種：(1)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出；(2)根據(jù)無(wú)毒提金工藝要求計(jì)算確定。
1 智能控制器的實(shí)現(xiàn)
智能控制器的結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖2，圖中ys為被控參數(shù)的設(shè)定值，yp為被控參數(shù)的實(shí)測(cè)值，規(guī)則集用來(lái)判斷復(fù)合控制算法的轉(zhuǎn)換，偏差信號(hào)e(k)＝y(tǒng)s(k)－yp(k),它作為智能控制器的輸入信號(hào)。
限于篇幅，這里僅以PID控制為例，簡(jiǎn)單說(shuō)明各控制算法的設(shè)計(jì)過(guò)程。
按偏差的比例(proportional)、積分(integral)、微分(differential)控制(簡(jiǎn)稱PID控制)，是過(guò)程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制算法。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及理論分析表明，這種控制算法對(duì)于大量的工業(yè)對(duì)象，具有較好的調(diào)節(jié)性能和魯棒性，能夠達(dá)到符合原則的控制性能指標(biāo)。
在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，一般采用兩種控制算法：一種是含有理想微分的PID控制；另一種是含有實(shí)際微分的PID控制。它們的控制原理、實(shí)現(xiàn)方法、編程手段大同小異。計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，因此需要將連續(xù)PID調(diào)節(jié)理想化。
1.1 位置式PID控制算法
計(jì)算機(jī)按該式算出的是控制量的絕對(duì)數(shù)值，即對(duì)應(yīng)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)每次所應(yīng)達(dá)到的位置。在這種算法中，如果前一次的輸出與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)e(i)進(jìn)行累加，計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)起來(lái)不夠方便，不僅要占用較多的存儲(chǔ)單元，而且不便于編程。鑒于此，對(duì)(1)式要進(jìn)行改進(jìn)。
1.2 增量式PID控制算法
A、B、C是與采樣周期T、比例系數(shù)kp、積分時(shí)間Ti、微分時(shí)間Td有關(guān)的系數(shù)，增量式算法只需要保持現(xiàn)時(shí)以前兩個(gè)時(shí)刻的偏差值即可。
對(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)而言，上述兩種算法并無(wú)本質(zhì)上的區(qū)別，只是所采用的執(zhí)行元件的特性不同。增量式算法中將計(jì)算機(jī)的一部分任務(wù)：u＝∫△u分給了其它部件去承擔(dān)，即由執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成。增量式控制雖然只是在算法上做了一點(diǎn)改進(jìn)，但它帶來(lái)了不少優(yōu)點(diǎn)：
(1)計(jì)算機(jī)每次只輸出控制增量，故機(jī)器出現(xiàn)故障時(shí)，影響范圍小。
(2)控制從手動(dòng)到自動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)，由于算法中不含有u0項(xiàng)，因此沖擊小。此外，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)裝置本身有鎖存作用，故仍然能保持原值。
(3)算式中無(wú)需累加，增量只是與最近幾次采樣值有關(guān)，編程簡(jiǎn)單，歷史數(shù)據(jù)可以遞推使用，且占用存儲(chǔ)單元少，運(yùn)算速度快，容易獲得較好的控制效果。
但是，微分作用容易引入高頻干擾，導(dǎo)致調(diào)節(jié)性能的不穩(wěn)。因此，在大量的工業(yè)控制系統(tǒng)中，往往采用在微分調(diào)節(jié)器上串聯(lián)一個(gè)低通濾波器來(lái)抑制高頻干擾。低通濾波器的傳遞函數(shù)為：
也就是說(shuō)，利用實(shí)際微分來(lái)代替理想微分，輸出波形如圖3所示。
這樣，(2)式所示的增量式PID控制算式變?yōu)椋?BR> 
基于上述分析，在實(shí)際控制中，增量式PID算法要比位置式PID算法應(yīng)用更為廣泛。本攪拌設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)就采用這種帶有低通濾波器的增量式PID控制算法，即：
上式適合于計(jì)算機(jī)處理，但式中的待定系數(shù)混合了PID控制的比例、積分、微分加權(quán)系數(shù)，這將給系統(tǒng)調(diào)試階段，依據(jù)運(yùn)行結(jié)果分析整定系數(shù)的習(xí)慣做法帶來(lái)諸多不便。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為了兼顧調(diào)試和運(yùn)行兩方面的需要，仍以Kp、Ti、Td為待整定參數(shù)。調(diào)試階段改變Kp、Ti、Td的取值后，將新的一組Kp、Ti、Td值輸入計(jì)算機(jī)，然后由計(jì)算機(jī)程序利用有關(guān)公式計(jì)算出相應(yīng)的待定系數(shù)A、B、C。算法流程圖如圖4所示。
1.3 PID參數(shù)的整定
對(duì)于一個(gè)結(jié)構(gòu)和控制算法形式已定的控制系統(tǒng)，控制質(zhì)量的好壞主要取決于選擇的參數(shù)是否合理。因此，PID控制中三個(gè)參數(shù)的選擇就顯得十分重要了，整定PID參數(shù)的方法各式各樣，有臨界比例度法、標(biāo)準(zhǔn)傳遞函數(shù)優(yōu)化法等等。下面敘述兩種典型的整定方法。
1.3.1 擴(kuò)充臨界比例度法
用實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行函數(shù)整定時(shí)，最常用的是擴(kuò)充臨界比例度法，它是整定模擬調(diào)節(jié)器參數(shù)的臨界比例度法的擴(kuò)充。具體做法如下：
①選擇好采樣周期T0;
②用與模擬調(diào)節(jié)器相同的臨界比例度法求出臨界比例系數(shù)Kk及臨界振蕩周期Tk;
③根據(jù)所選的控制度，按經(jīng)驗(yàn)參數(shù)值表求出Kp、Ti、Td。
1.3.2 Ziegler－Nichols整定規(guī)則
這是Roberts.P.D于1974年提出的，它只需整定一個(gè)參數(shù)，對(duì)于PID算式：
T0＝0.1Tk;Ti＝0.5Tk;Td＝0.125Tk(Ziegler－Nichols條件)，代入PID算式中，得：
u(k)＝u(k－1)+Kp[2.45e(k)－3.5e(k－1)+1.25e(k－2)]
整定時(shí)，改變Kp的大小，觀察控制效果，直到滿意為止。當(dāng)然，上述兩種方法只能提供一個(gè)粗略的范圍，實(shí)現(xiàn)過(guò)程中還得在這些數(shù)值的附近進(jìn)一步試探，這樣才能找到最佳值。
2 控制規(guī)則集的確定
由攪拌設(shè)備智能復(fù)合控制框圖可知，規(guī)則集用來(lái)判斷復(fù)合控制算法的轉(zhuǎn)換。根據(jù)偏差ei(ei＝y(tǒng)s－yp)的變化組成控制規(guī)則集來(lái)實(shí)現(xiàn)智能控制。具體控制規(guī)則可以按以下描述實(shí)現(xiàn)：
IF ei＞ε THEN uc＝PID控制算法輸出；
IF ei＜－ε THEN uc＝PID控制算法輸出；
IF 0.5＜ei≤ε THEN uc＝模糊控制算法輸出；
IF －ε≤ei＜－0.5 THEN uc＝模糊控制算法輸出；
IF 0.1＜ei≤0.5 THEN uc＝－UM，最優(yōu)控制算法
輸出；
IF －0.5≤ei＜－0.1 THEN uc＝+UM，最優(yōu)控制算法
輸出；
IF －0.1≤ei≤0.1 THEN uc＝0。
以上算法可用圖5表示。
實(shí)現(xiàn)任何一種控制規(guī)則的算法，可控性分析是至關(guān)重要的。任何控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在應(yīng)用之前，其控制規(guī)則算法是否可行必須進(jìn)行驗(yàn)證，但是對(duì)于具有時(shí)變性、非線性特性的系統(tǒng)，要分析其可控性是相當(dāng)困難的。因而，人們通常是對(duì)控制對(duì)象作一定的假設(shè)，以便進(jìn)行分析。然而，這種假設(shè)只適合于特定的環(huán)境和范圍，對(duì)于控制對(duì)象的特性不完全了解或被控對(duì)象具有不確定的因素，分析起來(lái)有一定的困難。
本文提出的控制算法及其所采取的規(guī)則集，要定量分析也是不容易的，只能根據(jù)被控對(duì)象的具體特點(diǎn)，結(jié)合算法作一些說(shuō)明。
在各被控參數(shù)偏差較大時(shí)，采用快速PID控制方案，即希望控制系統(tǒng)快速調(diào)整，以期減少擾動(dòng)的影響，同時(shí)考慮了對(duì)控制精度要求較低。對(duì)于偏差相對(duì)較小時(shí)，希望兼顧快速性和精度；當(dāng)偏差很小時(shí)，工況相對(duì)平穩(wěn)，希望有較高的控制精度，故此，在大偏差范圍內(nèi)采用模糊控制，在小偏差范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換成最優(yōu)控制，這樣做從理論上來(lái)講可以獲得較為滿意的控制效果。由于采用的控制規(guī)則集符合二次滿映射條件，因此這種規(guī)則控制的系統(tǒng)是完全可控的。
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