集成Bang-Bang控制与常规控制的变工况控制——以电加热装置温度控制为例

作     者：李明骏 

作者单位：中国石油大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：罗雄麟

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 0835[工学-软件工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：变工况控制 Bang-Bang控制 启动阈值 控制方案设计与实现 

摘      要：在工业自动化飞速发展的当代,各种控制方法层出不穷,但在实际工业现场中,常规PID控制仍然占据主导地位。其控制品质对被控对象的变化不太敏感,非常适用于工业生产现场。但是,当出现如开工过程一般的大工况变化时,常规控制难以兼顾超调量与调节时间,效果不尽如人意。控制过程的劣化不仅关系于企业的经济效益,更与生产安全直接挂钩。另一方面,常规控制的工业应用已经非常成熟,如果能够继续使用PID的小范围调节能力,并针对大范围工况变化进行改进,就能以较低的成本实现对象的全工况控制。本文首先对比了纯Bang-Bang控制与常规控制的控制效果,提出了变工况切换控制集成方案。该方案将Bang-Bang控制与常规PI控制集成,称之为变工况控制,以变工况控制作为补充控制策略用来应对大范围的工况调节,以常规控制处理小范围工况变化。整体集成方案的关键问题在于两点:一是Bang-Bang控制的切换点求取;二是对于当前工况变化的判断,同时也是变工况控制与常规控制的选择判断。对于非线性系统而言,Bang-Bang控制切换次数与切换点的计算仍是一个难点问题,其解析形式难以得到,只能依靠数值解法。本文以二阶非线性系统为例,采用相轨迹图解法求解Bang-Bang控制的一次最优切换点。具有物理意义明确、计算时间可控、精度高、适于在线使用的优点。对于实际操作中可能遇到的非稳态起点控制问题,该方法同样适用。在有关Bang-Bang控制与PID控制集成的诸多文献中,没有将其与纯PID控制进行全面地比较的先例。在实际工业过程中PID控制是一种相对成熟的控制方法,Bang-Bang控制虽然具有响应快的特点,但其对控制精度要求较高,在切换点处的小误差可能会明显劣化整个调节过程的品质,所以我们需要根据工况变化的大小来选择启用何种控制方法。除此之外,考虑到设备损耗、操作精度等因素,控制器的执行动作不应过于频繁。基于以上两方面的考虑,本文设计了两种启动阈值计算思路,分别给出各自的计算方法。最终的选择阈值取自两者中的较小值。该阈值的确定使变工况控制与常规控制结合成为本文的整体控制方案。各类控制方法虽然得到了迅速的发展,但受制于对象模型的准确度、测量精度、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。在实际控制系统中,控制方案的实现并不应过于复杂,越复杂的系统越容易出现问题,如果因为部署复杂控制方案而对整个系统的稳定性造成影响则会得不偿失。鉴于此,本文使用结构简单的选择性控制来实现切换控制效果。针对实际控制系统运行中可能出现的问题进行了分析与处理,并将其应用于实验室加热炉系统。仿真与实验的结果表明本文的集成控制方案在处理全范围工况变化时具有良好的控制效果。