淺談預(yù)測-PID串級精餾塔控制系統(tǒng)

1、淺談預(yù)測-PID串級精餾塔控制系統(tǒng)摘 要：精餾過程是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛的傳質(zhì)過程,其目的是利用混合液中各組分揮發(fā)度的不同將各組分進行分離,并達到規(guī)定的純度要求,精餾塔是精餾過程的關(guān)鍵設(shè)備、它是一個非常復(fù)雜的對象,精餾塔內(nèi)在的通道很多,內(nèi)在的機理復(fù)雜,參數(shù)之間互相關(guān)聯(lián),反應(yīng)遲緩,大慣性且模型不確定的特點，為了滿足精餾塔對自動控制的要求,設(shè)計了基于預(yù)測PID串級控制的制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將串級控制結(jié)構(gòu)與預(yù)測控制算法相結(jié)合，內(nèi)回路采常規(guī)比例調(diào)節(jié)器，外回路采用動態(tài)矩陣控制器(DMC)。既保持了預(yù)測控制的強魯棒性和跟蹤性能，又具有足夠的抗干擾性。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的系統(tǒng)在控制品質(zhì)、魯棒性方面明顯優(yōu)

2、于常規(guī)PID控制系統(tǒng)。 論文關(guān)鍵詞：串級控制 動態(tài)矩陣控制 PID控制1 引言 眾所周知，大遲延、大慣性的對象是難控對象，純遲延的存在使系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制品質(zhì)明顯下降，在模型攝動的情況下，情況會更嚴重。采用固定參數(shù)的PID控制，難以在穩(wěn)定性和控制品質(zhì)之間取得折衷，即使整定出一組相對理想的參數(shù)，在對象模型變化時，被控品質(zhì)也難以保證證。Smith預(yù)估控制也存在同樣的問題，只有在模型精確穩(wěn)定時，才能完全補償純遲延。 多精硅精餾塔控制對象就是這種大遲延、大慣性的對策，而且受控系統(tǒng)存在嚴重的非線性和時變特性，在精餾塔的操作過程中,影響其質(zhì)量指標的主要干擾因素有;(1)如進料流量F的波動、(2)進料成分Zf

3、的變化,(3)進料溫度及進料熱焓Qf的變化,(4)再沸器加熱劑(如蒸汽)加入熱量的變化，(5)冷凝器內(nèi)除去熱量的變化,(6)環(huán)境溫度的變化,對這樣的對象，用常規(guī)控制方式難以取得滿意的控制效果，嚴重時還會影響產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟運行。因此有必要探討多精硅行業(yè)精餾塔控制的新策略。2 控制系統(tǒng)設(shè)計 動態(tài)矩陣控制(DMC)是預(yù)測控制算法中一種重要的算法，它能直接處理帶有純滯后、大慣性的對象，有良好的跟蹤性能，并對模型失配有較強的魯棒性。然而，由于模型的卷積性質(zhì)，使其難以采用PID控制那樣短的采樣周期，因而對過程中隨機突發(fā)性干擾的抑制往往不如PID控制有效。此外，由于采用單層次的控制結(jié)構(gòu)，反饋環(huán)節(jié)難以兼顧魯棒

4、性和抗干擾性。為了使預(yù)測控制系統(tǒng)能滿足綜合的性能要求并簡化設(shè)計，有必要改變原有算法的單層次結(jié)構(gòu)，而采用多層控制的策略。在本文中，把串級控制結(jié)構(gòu)引入預(yù)測控制，在內(nèi)環(huán)采用頻率較高的常規(guī)PID控制，抑制進入系統(tǒng)的主要干擾，而外環(huán)采用DMC控制，論文獲得了良好的跟蹤性和魯棒性。 根據(jù)上述分層控制的思想，串級控制副回路的選擇應(yīng)該使副對象含有系統(tǒng)的主要干擾，由于副回路是隨動系統(tǒng)， 對包含在其中的二次擾動具有很強的抑制能力和自適應(yīng)能力，二次擾動通過主、副回路的調(diào)節(jié)對主被控量的影響很小，因此在選擇副回路時應(yīng)盡可能把被控過程中變化劇烈、頻繁、幅度大的主要擾動包括在副回路中，此外要盡可能包含較多的擾動。同時在副回

5、路采用較高采樣控制頻率，其參數(shù)的選擇原則同傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器。而主回路則以副回路和對象的剩余部分一起作為廣義對象，由于干擾的主要成分已經(jīng)得到有效的抑制，可以選擇較大的采樣周期，采用DMC控制。基于上述思想設(shè)計的主汽溫預(yù)測PID控制系統(tǒng)如圖1所示。其中（s),（s)分別為惰性區(qū)和導(dǎo)前區(qū)的傳遞函數(shù)，(k)，2(k)分別為主汽溫和導(dǎo)前汽溫，w(k)為主汽溫的參考值，N(k)為擾動量。3動態(tài)矩陣控制算法 動態(tài)矩陣控制是一種利用被控對象的單位階躍響應(yīng)采樣數(shù)據(jù)作為預(yù)測模型的預(yù)測控制算法，?設(shè)被控對象的單位階躍采樣數(shù)據(jù)為a1,a2,。對于漸近穩(wěn)定的系統(tǒng)，其階躍響應(yīng)在若干個采樣周期后就趨于穩(wěn)態(tài)值，即aa（），因此可以用單位階階躍響應(yīng)采樣數(shù)據(jù)的前有限項描述系統(tǒng)的動態(tài)特性a1,a2,a。 由線性系統(tǒng)的疊加原理，可以得到系統(tǒng)輸出的預(yù)測模型為：上式表明，預(yù)測模型輸出由待求的未知控制量和過去控制量產(chǎn)生的系統(tǒng)已知輸出初值兩部分組成。 由于模型和干擾等影響，系統(tǒng)的輸出預(yù)測值，需要在預(yù)測模型輸出的基礎(chǔ)上用實際輸出誤差修正，即 優(yōu)化下列性能指標： P是預(yù)測時域，M是控制時域。Q，分