实验室过程控制装置温度对象逻辑控制的研究
　　　　　　　　　　　　　　　　（南京理工大学自动化学院，210094）　　摘要：化工过程控制有六大过程对象，即液位、流量、压力、温度、成分和物性 [１]，其中前四项又是实验室主要研究的过程对象。然而温度对象的特性——具有较大的时滞常数，使得其控制实现变得较为困难[２]。文章提出了一种源于PLC梯形图控制[３]逻辑思想的控制算法——逻辑控制，以及相应的一个针对大时滞（或者温度多容对象）的改进控制方案。通过对实际系统的调试结果的分析和比较，知道其控制效果远好于常规的PID控制，而且实现起来也相对简单。关键字：温度控制，大时滞对象，逻辑控制
0.前言
　　温度对象具有较大的时间滞后常数，采用单回路的PID控制往往很难取得相对理想的控制效果，即不容易满足控制系统“稳、快、准”[４]的要求。在过程控制和控制理论发展的历史过程中，为了实现相对理想的控制，科研工作者们提出了各种改进控制方案，如前馈反馈控制[５]，内模控制[６]、Smith预估控制[７]和模糊控制[８]等先进控制方案或者算法。但是先进控制算法的编程工作量较大，在实验室实际操作过程中存在较大的困难。因此，作者结合可编程逻辑控制梯形图的编成思想，提出了一种适合实验室过程控制装置中温度对象控制的简单控制算法，即逻辑控制算法。　1.逻辑控制算法介绍　　由单回路PID控制的方框图知道控制器的作用是使得控制信号根据输入偏差的大小做出相应的变化，然后作用于执行机构，使得系统的输出能够往预定的控制目标发展。在这一章节中，就主要介绍逻辑控制算法的思想来源和具体的编程实现。　　梯形图编程中每一个通路有一个或者一系列触点和相应的线圈组成，当这些触点满足一定条件时，则线圈做出相应的动作。利用这一个思想，文章将误差分为几个等级，如极大，大，小和极小等（类似于模糊控制的模糊变量），不同的误差等级对应不同的控制输出量，如极大，大，一般和正常（正常这个值跟经验数据相关，一般取执行器的加热功率和对象的散热功率近似时候的值）等。如图1所示即为文章介绍的逻辑控制算法思想。

图1 逻辑控制思想框图　　图中的ｒ表示系统的给定值，y表示系统的输出值（或温度的测量值），e=r-y 表示系统的误差，u 表示控制器的输出信号，在实际温度控制中，往往不希望系统出现超调，为此希望当系统出现超调时，控制器的输出为零，即加热管不工作。实验中，逻辑控制的算法是用浙江中控的AdvanTrol-Pro(V2.65)组态软件中的图形化编程方案实现的，根据图1的控制思想，得到如图2所示的控制算法的功能块图编程。

图2 逻辑控制算法的功能块图编程　　图2中的各变量定义如表1中的介绍。图2的工作过程或者原理如下介绍，第一行的三个模块，起到一个初始化和保证系统安全停止的作用，即在控制方案没有启动时，要求加热管不工作，给定值与设定值相等，此时的偏差等于0。第二行即判断系统是否出现超调，若超调则加热管不工作。第三行用来判断系统此刻的偏差状态所在的范围。第四行，第五行分别表示偏差“极小”和“小”时的控制器输出为“正常”和“一般”的工作要求。最后一行判断DE_03的情况若“是”则表示偏差大，控制器输出为“大”；若“非”则表示偏差“极大”，控制器的输出为“极大”。（在实际调试过程中发现这段程序的运行并不是很稳定，偶尔出现T_MV与TV_01不能对应的情况，但并不影响系统的控制效果，特此说明。）表1 图2中对应各变量和功能块图的介绍变量名　变量意义　　变量类型　变量名　变量意义　　　　　变量类型STAR　控制启动变量 　逻辑变量　TT_01　加热水箱温度测量值　半浮点变量DE_01　偏差小于0.5℃　逻辑变量　T_SV 　温度设定值　半浮点变量DE_02　偏差小于1.5℃　逻辑变量　T_MV 　控制器输出值　半浮点变量DE_03　偏差小于3℃ 　逻辑变量　T_DE　温度偏差值　半浮点变量DE_08　超调判断变量　逻辑变量　TV_01　加热管开度　半浮点变量2.控制算法的调试实现　　实验室的过程控制装置是浙江中控的CS4000过程控制实验装置，温度控制对象主要是五号水箱（加热水箱）的出口温度对象和六号水箱（纯滞后水箱）的中部和尾部温度对象[9]。由对象阶跃响应曲线知道，五号水箱的温度对象时滞相对较小，而六号水箱的中部和尾部温度对象的时滞常数就相对很大了，而且对加热管的控制也不如五号水箱出口温度对象的及时。文章首先考虑对五号水箱的出口温度的控制，以及与常规PID的控制效果相比较。对于六号水箱的温度控制，分析实际的控制效果，以及出现这个现象的原因，并结合前馈控制中提前响应的思想，给出了一个改进的控制结构方案。2.1 五号水箱出口温度对象的逻辑控制实现　　如图3所示即为逻辑控制得到的控制响应曲线，图中的A线为传感器测量得到的值，B线为系统的给定值，C线为控制器的输出值。而为了比较相关控制性能，文章给出在实验室实际调试过程中，采用PID控制算法实现的一组相对比较好的实验数据得到的控制曲线，如图4所示，图中的A线为传感器测量得到的值，B线为控制器的输出值，C线为控制器的输出值系统的给定值。

图3 五号水箱出口温度对象逻辑控制响应曲线 图4 五号水箱出口温度对象PID控制响应曲线　　图3中有左右两个纵坐标，与左坐标对应的是A、B两曲线，单位为℃，右坐标单位为%，对应的是曲线C，图中横坐标为时间坐标，该图中每一格的时间跨度为64（s）。在测量值为29.7℃时，给定温度设定值为35℃，由图3可以清楚地看到控制器的作用规律，随着误差的由大变小，控制器的控制作用也有强变弱，直至出现了超调，控制器的输出即为零，此时，水箱对象仅有散热作用导致水温下降，又出现了正偏差。由图可以知道，采用逻辑控制时系统的超调量为0.3℃左右，调节时间为192（s）左右，基本达到了“稳快准”的要求。　　图4中的左坐标仍然是给定值和测量值的坐标，右坐标是控制器输出的坐标，每一格的时间也是64（s）。该图是在PID控制器三个参数分别为 ，以及时（这一组参数为多次整定以及试凑的结果）取得的单回路控制效果还算比较好的一组曲线。由图4知道在原稳定状态（测量值为26.7℃）时，给定温度设定值为32℃（这样就与图三中的阶跃量保持了一致），可以看到系统的响应曲线最终没能达到设定值，最终的余差在1.5℃左右。　　由此可以知道，文章介绍的逻辑控制具有以下特点，首先没有PID控制算法中复杂的参数整定，其次相对于其它先进控制算法而言，其编程实现也是比较容易，最后就是能取得一个相对比较满意的控制效果。2.2 纯滞后水箱温度对象的控制实现　　在介绍控制算法之前需要介绍一下六号水箱的温度对象，该水箱是一个纯滞后水箱，在中部和尾部都安装了一个温度传感器，对应的温度对象分别叫做中部温度对象和尾部温度对象。由于没有直接安装加热管，故而，叫做纯滞后温度对象，类似于多容水箱的液位对象[10]，所以文章中也称其为多容温度对象，其时间滞后常数是相对比较大的。　　首先，仍然采用单回路的逻辑控制，要求对纯滞后水箱的尾部温度实现控制，其控制效果如图5所示。图中有A、B、C和D四根线，分别表示纯滞后水箱尾部温度测量值、尾部温度给定值，控制器输出值以及加热水箱的测量值。

图5 纯滞后水箱尾部温度对象逻辑控制响应曲线　　曲线中的坐标说明与前面几个图中的介绍一样，右坐标只对应控制器的输出值，横向每一格对应的时间是128（s）。在初始稳定状态为28℃的情况下，给定温度设定值为33℃，由图5可以明显地看出，系统产生了严重的超调，而且也远不能达到控制系统“稳快准”的要求。分析其原因主要是由于过程对象的大时滞所致，即当加热水箱的水温远高于尾部温度给定值的时候，尾部温度的测量值还没有怎么发生变化，反应极其滞后。而且随着时间的延续，图5将出现反复的震荡过程，出现一种新的“稳态”。　　为了能够及时地实现系统的定值控制，需要对控制方案（控制结构或者控制算法）做出相应的调整。文章在不改变逻辑控制算法的基础上，结合前馈控制的思想（提前控制的思想），现给出如图6所示的控制结构框图，以期实现相对及时地控制，具体的控制实现在本文中暂不作介绍。

图6 纯滞后水箱尾部温度对象逻辑控制改进方框图3.总结　　文章针对实验室CS4000过程控制实验装置的两个温度对象，即加热水箱的出口温度对象和纯滞后水箱的尾部温度对象，实现定值控制的控制算法或者方案作了一个简单的介绍。由于简单PID控制参数整定对于温度对象比较复杂，而智能控制算法，如模糊控制等，其编程实现又是极其复杂，为此作者结合了所学控制知识，提出了一种简单的逻辑控制算法。同时对算法的实际控制效果与常规PID控制效果作了一个比较，而且针对纯滞后水箱控制效果的不理想提出一个控制回路结构的变更方案。最后，通过实验室的实际操作和调试，可以知道逻辑控制算法具有思路清晰、控制实现也比较容易的优点，当然也存在一定的问题，如当偏差极小时控制量应该取多少为最合适的问题，以及算法的鲁棒性和稳定性等也没有理论的分析，不过，作为实验室简单的控制实现，其效果还是很理想的。参考文献[1] 何衍庆，俞金寿，蒋慰孙. 工业生产过程控制[M]. 北京：化学工业出版社，2004.2[2] 胡林文，王启志，腾达. 基于一类时滞对象控制方法的探讨[J]. 化工自动化及仪表，2010，37（5）[3] 李冰，刘富强等. 零基础学西门子S7-300/400PLC[M]. 北京：机械工业出版社，2010.6[4] 胡寿松. 自动控制原理（第四版）[M]. 北京：科学出版社，2001.1[5] 翁维勤，孙洪程. 过程控制系统及工程（第二版）[M]. 北京：化学工业出版社，2002.7[6] 王树青. 先进过程控制技术及应用[M]. 北京化学工业出版社，2001.7[7] 尉颖，白珍龙. 新型的Smith自适应辨识控制算法[J]. 自动化仪表，2010，31（2）[8] 韦巍. 智能控制技术 [M].北京：机械工业出版社，2005[9] CS4000高级过程控制实验装置设备使用说明书[Z]. 浙江中控科教仪器设备有限公司[10] 邵裕森. 过程控制及仪表（修订版）[M].上海：上海交通大学出版社，1999.7