自抗扰控制器技术在啤酒发酵罐温控中的应用.pdf

E I E C T R 1 C D R I VE 2 0 1 0 Vo 1 4 0 No 3 电气传 动 2 0 1 0年 第 4 O卷 第 3期 自抗扰控制器技术在啤酒发酵罐温控中的应用 李忆 ( 漳州师范学院 物电系， 福建 漳州 3 6 3 0 0 O ) 摘要 ： 为进一步提高啤酒发 酵过程 的温控质量并 实现节 能降耗 ， 应用 了 自抗扰控制 器( A D R C) 技术 于啤 酒发酵温控调节系统 中。通过对 AD R C方程的局部调整 和其参数 的优选 ， 实现 了发 酵罐温控 过程既抑制 温 度的超调量又缩短调整 时间 ， 从 而减轻 了啤酒发酵罐罐壁结 冰量 ， 提 高了控制质量并 节约了能源及减 少了消 耗。还给 出了应用 的参数变化规律 。 关键词 ： 超调量 ； 节能 ； 控制 系统 中图分类号 ： T P 2 3 文献标识码 ： A Ap p lica t io n o f t h e Au t o Dis t u r b a n ce Re j e ct io n Co n t r o lle r o n t h e Te mpe r a t u r e Co nt r o l o f Be e r Fe r me nt ing Ja r LI Yi ( De p t o f Ph y s ， Zh a n g z h o u T e a ch e r s C o lle g e ，Zh a n gz h o u 3 6 3 0 0 0 ，F ia n，C h i n a ) Ab s t r a ct ： F o r f u r t h e r r a is in g t h e t e mp e r a t u r e co n t r o l q u a lit y a n d t h e s a v in g e n e r g y a n d r e d u cin g a d r a in o n b e e r f e r me n t in g t h e a p p lica t io n o f t h e t e mp e r a t u r e co n t r o l s y s t e m b a s e d o n ADRC in b r e win g b e e r wa s in t r o d u ce d Ad j u s t in g a mi n o r p a r t o n ADRC e q u a t i o n a n d ch o o s in g mo r e s u i t a b l e p a r a me t e r s ，it r e a l i z e s r e a ll y b o t h r e s t r a in in g t h e ma x imu m p e r ce n t o v e r s h o o t o f t e mp e r a t u r e a n d s h o r t e n in g t h e r e g u la t e d t ime o n t h e co u r s e o f t e mp e r a t u r e co n t r o 1 Th e i ci n g i n b e e r f e r me n t in g j a r i s r e d u ce d Th e co n t r o l q u a li t y i s i mp r o v e d a n d t h e e n e r g Y is s a v e d a n d a d r a in is r e d u ce d Th e p a r a me t e r ch a n g in g r e g u la r it y in t h e a p p lica t io n is g iv e n Ke y wor d s： ov e r s ho ot ；s a v ing en e r gy；cont r o l s y s t e m 在低 温控制过程 中， 为 了节能 和 良好 的温控效 果， 除了要考虑各设备运行过程中每个环节的硬件 状况 ， 也应注意考虑不 同温控对象 的温控系统 软功 能指标即动态运行指标 ， 这些指标 同样 直接关 系到 温控和节能效果的好坏。本文以啤酒发酵罐 的温 控效果为例对温控及其节能进行探讨。 由于种种 原 因 ， 目前 其 温控 大 多采 用 比例 积 分 微分 ( P I D )自整 定 控 制 器 进 行 控 制 ； 用 该 控 制 方 法对大 惯性 和大 时 滞 温控 对 象 进 行控 制 ， 控 制 的效果 不甚 理想 1 ， 其动 态运 行指标 ： 最 大超调 量 和调 整时 间也难 于兼顾 。有 关该类 问题 的探讨 也 有 许 多 ， 如 ： 模 糊 P I D 技 术 、 S mit h预 估 器 技 术 等l2 ， 也有 人 提 出基 于 二 次 型 优化 控 制 器 P I D 参数 的方 法 即控制 动 态指标 又 有利 于 系统 节 能l _ 4 。本文重点运用 自抗扰控制技术对该问题进 行一些 探 讨 。 自抗 扰 控 制 器 是 在 改 进 经 典 P I D 控制器 固有 缺陷 基 础 上形 成 的 一种 新 型 控 制器 。 该控制器的参数适应 范围广， 它对温控过程 中系 统的内外扰动可进行估计并 给予补偿 ， 当被控对 象 参数发 生变 化或 遇到不确 定性 扰动 时仍能 得到 较好 的控 制效 果 ， 具 有 较 强 的适 应 性 、 鲁 棒性 5 。 特别 是针 对像 啤酒 发 酵 罐这 样 具 有 大惯 性 、 大 时 滞 、 不 确定 干扰 的被控 对象 特别有效 。 1 基本原理及参数 的选择 自抗扰控制器是由非线性跟踪微分器( T D) 、 扩张状态观测器( E S O) 和非线性状态误差反馈控 制律 ( NL S E F )3部分组 成 。 啤酒发酵罐的温控可视为二阶被控对象 。图 1 为二 阶 自抗 扰控制器 的结 构图 ， 其 中 为系统 作者简介： 李忆( 1 9 6 0 一) ， 男， 硕士 ， 副教授 ， E ma i l一_ l n y y a h o o co m cn 图 1 自抗扰控制算法结构 图 Fig 1 Th e f r a me o f ADRC co nt r o l me t h o d 6 3 电气传动 2 0 1 0年 第 4 O卷 第 3 期 李忆 ： 自抗扰控 制器技 术在 啤酒发酵罐温控 中的应 用 设定的温度值 ， 是安排的过渡过程， z 。 是 的 微分， ， 钝 ， 锄 是估计量 ， 为控制量 ， 为系统 实际输出， W是所有扰动的综合。 二 阶 自抗 扰控 制器方 程如下 。 TD方程 为 l 1( 最+ 1 )一 1 l( 忌 )+ hz 1 2 ( 尼) z 1 2 ( k+ 1 )= z l2 ( k) ( 1 ) h f s t z 1 1 ( 志 ) 一 ， 1 2 ( ) ， ， - ， h 式中： h为步长 ， 其大小直接影响控制系统 内部的 运算量和设备 的运行精度 ； 速度因子 r的大小决 定着过渡过程的快慢 ， r 越小， 其超调越小 ； f s t 函 数 用来安 排过 渡过程 。 E S O 方程 为 一 Zll Y 2 1( 是 +1 ) 一2 2 】 ( 忌 ) +h E z 2 2 ( 足 ) 一k I 2 2( +1 ) 一 2 2 ( 走 ) +矗 2 3 一 k 2 f a l( ， n 1 ， ) +b u ( k ) ( 2 ) z 2 3 ( 是 +1 )一z 2 3 ( 志 ) h k 3 f a t ( ， 。 l， ) 式中： n 范围在 0 1 之间 ， 其值越小， 非线性越 强 ， E S O对 系统模 型不确 定性 及 扰 动适 应 能力 越 强， 口 一般常取 0 2 5， 0 5或 0 7 5 ； 艿为非线性 函数线性 区间宽 度 ， 该 设 置 是 为避 免误 差 特 性 曲 线在靠近零点处斜率过大产生高频脉动。 过 小易 导致 高频 脉动 ， 过 大 非 线 性 反馈 将 在一 定程 度 上 退 化 为 线 性 反 馈 。k 对 系统 动 态性能 有一定影 响 ， k 和 k 。对系统 动态性 能影 响 较大， 忌 主要影响状态变量的估值 ， 是 。 主要影响 对扰动的估值 ， 它们的取值越大， 估值越快 。对于 大惯性系统 ， 时间常数越大 ， k 。 和 k 。 的取值应越 大 ； 另外系统扰动越大 ， k 。 和 k 。 的取值也应越大。 但如 果它们 的取值 过大 ， 也可 能引起估 计值 振荡 。 b 与控 制量 和状 态 观 测 器 的补 偿 量 有 关 ， 不 同 的 b 意味着系统 的扰动范围不同， b取值大时， 可 提高系统的抗扰动能力。 NI E S F方 程 为 P I 一 I I ( 尼) 一 2 l( 尼) 2 一 1 2( k) 一 2 2 ( k) “ o 一 f a l( e l， n l， ) + f a l( e 2 ， 口 2 ， ) u ( k ) 一U 0 一 2 3 b o ( 3 ) 式中， n 的选取方法与 n 。 类似； 参数 和 相当 于 P I 控制器中的比例增益 ， 其增大可使系统动作 灵 敏 ， 响应 速度 加 快 ， 但 它们 过 大 ， 则 系 统将 产 生 大 超调 。 2 控 制 系统 的 实现 及 效 果 图 2为啤酒发酵罐温控系统的局部温控调节 图。由于每个发酵罐的温控需采用 3段制冷控制 方式为佳， 故其温控可采用 S TB单 回路或 MR 1 3 3回路智能调节器。该类调节器在啤酒厂各车间 应用比较普遍 ， 它很适合酿造车间所需要的具有 温度折线的智能温控 。其内部编程语言为汇编语 言， 实施 中只需改变其内部的控制器 (即控制算 法 )即可。它设有通讯接口， 可与上位计算机组 成 网络控 制系 统 。由该 类调 节器 组成 的局部独立 控 制系统 是 由检测 、 控 制 调 节 和执 行 机构 3部分 构成。罐 内温度信号经传感器检测传人智能调节 器 ， 经其内部取样 、 A D转换 、 自抗扰控制器运算 及 D A转换 ， 输 出 4 2 0 mA标准模拟电信号 ， 经电器阀门定位器转化成 0 0 2 0 1 MP a的气 动模拟信号 ， 使气动执行机构动作 ， 以控制气动调 节器的行程( 阀门的开度) ， 从而控制冷媒的流量， 实现对罐体的温控 。由于发酵罐所用的测温传感 器通 常为热 电偶 式 ， 所 以应 注 意 其冷 端 补偿 方 式 及现场调整 ， 以提高其测量的准确性。 f 减压阀 气源 l 磊 r L 竖 萱 单回路智能调节器 冷媒阀门 温度传感器 发 酵 罐 1 图 2发酵 罐 局 部 温 控 结构 图 Fi g 2 Th e p a r t f r a me o f t e mp e r a t u r e co n t r o l o f b e e r f e r me n t in g j a r 控制 器 的控 制方 式 是通 过 软 件 编程 来 实现 。 由于采用 汇编语 言实 现非线 性 函数会较 复杂 。因 此 ， 可采 用某 些 技 术处 理 方式 ， 如 ： 对 于非 线性 函 数 z ， 可建立一个温度误差 和误差的指数 f f 数据表， 若要提高精度还可采用 分段线性插值。 运算时只需根据 值查表找出对应 的l I 或对应 的线性插值式运算 即可； 对于非线性 函数项 的式子也可作类似的处理或近似的线性化处理； 这样即简化程序运行又加快了调节器的系统响应 速 度 。 为获得更好的控制效果 ， 还可在 自抗扰控制 器 中与超 调 量 有 关 的项 上 引 入 逻 辑 判 断 系 数 K 李忆 ： 自抗扰控制器技术在啤酒发酵罐 温控 中的应 用 电气传动 2 0 1 0年 第 4 O卷 第 3期 ( 如 r 前引入一个逻辑判断系数 K， 把 Kr 项代入 式中的原 r的位置) ， 设定一个 门限值 A， 如 ： 当输 出与设 定 的温差 A 0 A 时 ， K一 5 ； 当 A 时 ， K一1 。从 而既 可进 一步 有效地 提 高降 温 的速度 ， 又可避免由于降温速度的提高引起超调量增大。 根据 自抗扰控制器的参数选择方法 ， 并通过 Ma t la b仿真和实际应用 ， 得到各参数基本可按如 下规 律选择 ： 1 ) 罐体 体 量 的变 化 一 般 对 参 数 k ， h ， 以 。 ， a 。 ， k ， r和 的影 响不 大 ， 基 本 可一 次 性 整定 它 们 的 值 ， 如 取 k 一0 0 2 ， h 一0 0 2 ，a 1 0 5 ， 口 2 0 5 ， k 1 1 0 0， r - - 2 0 0， 一4。 2 ) 罐体体量 的变化对参 数 k 。 ， k 。 ， ， 和 b 是有影响的。b和 忌 。的取值应随罐体体量 的增 大而有所减小 ； 这是因为随着罐体体量的增大， 相 对 的扰 动会 减 少 ； 由 于 b和 k 。又 与其 它 因素 有 关 ， 所 以 b的减 幅通 常要 相对 小些 ， 一 般 可按体 量 增量 倍数 的 3 1 0 来 优 选 整定 。其 它值 应 随 罐体体量的增大而有所增 大， 一般可按体量增量 倍数的 6 1 3 来优选整定。上述取值的变化 幅度 应随体 量增 大而相 对变小 。 当罐体 体积 为 1 2 0 m。时 ，取 参 数 ： k 一 5 0 ， k 3 1 5 O， 一 2 O， 一 3 0， b一 2。 当罐体体积为 2 4 0 m。 时 ，取参数 ： k 。 一 5 6 ， k 3 1 3 0， 一 2 2， 一 3 4， b 一 1 85。 和 彼此 之 间存在 着一定关 联 ， 的增 量 应 大于 的增 量 。 若某厂只有几种 罐体 ， 可根据罐体体量优选 几套 AD RC参数预存在系统内， 待用时再从调节 器 的内存 中直接调 出 ， 进 行参 数 自整 定 ， 以期获 得 更优控 制效果 。这 样用起 来也 更方便 。图 3是 以 同一被控制对象分别应用 P I D 自整定控制器和 基 于 自抗 扰控 制器 的实 时控制 比较 图 。 1 0 5 0 -4 1 5 - 1 1 2 4 。 ADRC 竺 一 、 ： ： ： ： i ： ： ： = 一 一 一 一 图 3 实 时控制 比较图 Fig 3 Th e r e a l t ime co nt r o l co n t r a s t 由图 3可见 ， 基于 自抗 扰控 制 器 的动 态 指标 最大 超调 量 和调 节 时 间 均 明显 优 于 P I D 自整 定 控制器。在该 自抗扰控制器中， 其超调量一般小 于 1 O ， 有 的甚至 小于 5 ， 一般 希望超 调量控 制 在 4 l0 。超调量的降低 ， 意味着 系统的调 节精度得以提高 ， 使发酵罐 的罐壁结冰现象得到 了显著的改善； 正是由于调节精度的提高 ， 减少了 由于不 必要 的过 多超调 温度所 引起 的制冷 系统各 环节的能量消耗 ， 同时也减少了冷却塔的耗水量 ， 使节能效果进一步显现 。调节时间的减少 ，意味 着 系统 的调节 能力 可 以更 好 的满足要求 。 表 1是某发 酵罐 群在 相 同情 况下分 别应用 两 种方法所测得的数椐 。 表 1 节能降耗的比较 Ta b 1 Th e co nt r a s t o f s a v in g e n e r g y a n d r e du cin g dr a in t d 方 法 l 2 3 4 耗水量 k g 1 2 5 3 4 2 3 8 0 3 3 4 9 2 1 4 5 8 7 6 P I D 耗 电量 k W h 3 5 4 5 7 0 1 2 【 0 3 0 6 【 3 2 7 7 耗水量 k g 1 l7 7 7 8 2 2 3 1 7 3 2 3 6 5 4 3 0 0 7 AD R C 耗电量 k W h 3 4 3 6 6 7 2 3 9 8 4 2 1 2 6 8 5 实用表明 ： 该法较 P I D 自整定 控制器一般可节 约冷却用 水 4 8 ， 罐 壁结 冰减少 2 0 5 0 ， 节 能 3 6 ； 其温 控 曲线 更接 近于所 要求 的理 想工 艺温控