一種多執(zhí)行力控制系統(tǒng)中的出力平衡算法

一種多執(zhí)行力控制系統(tǒng)中的出力平衡算法

在工業(yè)生產(chǎn)中，通常需要配置兩個(gè)或兩個(gè)以上的類似設(shè)備（廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)），以完成相同的控制任務(wù)。1機(jī)構(gòu)控制器的出力調(diào)整問題在工業(yè)生產(chǎn)過程中,一般均采用反饋控制系統(tǒng)a.處于自動(dòng)狀態(tài)下各執(zhí)行機(jī)構(gòu)出力偏置的有限設(shè)定;b.處于手動(dòng)狀態(tài)下各執(zhí)行機(jī)構(gòu)出力給定,并具有本身偏置功能的反演計(jì)算跟蹤功能;c.控制回路手、自動(dòng)條件的生成以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)上游控制器輸出的跟蹤條件與跟蹤量。如圖1所示,該控制回路包含了上游控制器以及編號(hào)為1、2、…、n的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。上游控制器的輸出指令為D式(1)表明各執(zhí)行機(jī)構(gòu)在自動(dòng)狀態(tài)下,執(zhí)行機(jī)構(gòu)的出力由式(1)確定;當(dāng)某執(zhí)行機(jī)構(gòu)在手動(dòng)狀態(tài)下,出力可以人工給定調(diào)整,但為了保證式(1)成立,必須在程序中實(shí)現(xiàn)偏置量的反演算跟蹤功能,即滿足下式:然而,在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,工程人員往往會(huì)忽略執(zhí)行機(jī)構(gòu)出力調(diào)整快速消除內(nèi)部擾動(dòng)的算法回路的作用。即生產(chǎn)過程相對(duì)穩(wěn)定時(shí),各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的出力總和相對(duì)穩(wěn)定,當(dāng)手動(dòng)改變某一臺(tái)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的出力或偏置量時(shí),各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的出力總和將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化,當(dāng)相關(guān)的過程參數(shù)發(fā)生變化時(shí),回路通過上游控制器的重新計(jì)算與調(diào)整更新相應(yīng)的上游控制指令輸出,從而改變各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的出力,保證系統(tǒng)回到原有的穩(wěn)定狀態(tài)。這種形式的出力調(diào)整勢(shì)必對(duì)整個(gè)工藝過程產(chǎn)生沖擊,甚至影響生產(chǎn)過程中一些關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵過程參數(shù)。值得一提的是,對(duì)于過程較慢的工藝過程,這種內(nèi)擾所帶來的不利影響更為突出。因此,在多執(zhí)行機(jī)構(gòu)中,有必要設(shè)計(jì)一種能夠快速消除出力調(diào)整過程帶來的控制系統(tǒng)內(nèi)部擾動(dòng)的算法回路。2多執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)上文已經(jīng)指出了快速消除執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部調(diào)整出力帶來的回路出力內(nèi)擾的必要性?？疾焓?1)(2)不難發(fā)現(xiàn),執(zhí)行機(jī)構(gòu)在上游指令相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)候,任何一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)出力變化均會(huì)引起出力偏置的變化,如果能將出力偏置的變化附加到上游控制器算法中,則可能達(dá)到快速完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)出力的重新分配的作用,自然避免了內(nèi)部出力調(diào)整對(duì)工藝系統(tǒng)的沖擊和擾動(dòng)。通過引用執(zhí)行機(jī)構(gòu)的出力偏置進(jìn)入上游控制器的控制算法,可得到一種快速消除內(nèi)部擾動(dòng)的算法,如圖2所示。圖中,A為常量,K圖2是典型的多執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)SAMA圖例,值得注意的是圖中將出力偏置作為前饋?zhàn)饔眉尤胫辽嫌慰刂破鞯那梆佂ǖ?是出力調(diào)平回路的關(guān)鍵所在。下游控制器的出力偏置的變化直接影響上游控制器的輸出,快速調(diào)整下游執(zhí)行機(jī)構(gòu)的出力,達(dá)到擾動(dòng)的內(nèi)部快速“消化”,從而減少對(duì)工藝系統(tǒng)的沖擊。圖中各執(zhí)行機(jī)構(gòu)偏置、出力以及上游控制器的指令均應(yīng)滿足式(1)(2),上游控制器的前饋量F稱該算法為偏置前饋平衡算法。然而,該算法的收斂性以及出力最終平衡是保證其能夠?qū)嵱玫那疤釛l件。下文將證明該算法的收斂特性。3自動(dòng)狀態(tài)下的執(zhí)行不失一般性,假定控制系統(tǒng)中編號(hào)為1、2、3、…、n的執(zhí)行機(jī)構(gòu)在運(yùn)行狀態(tài),其中,1、2、…、r在手動(dòng)狀態(tài),r+1、…、n在自動(dòng)狀態(tài)。另外,在證明平衡算法收斂性過程中,假定上游的控制器入口偏差為0,即處于平衡狀態(tài)。實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況下,可以通過修改自動(dòng)狀態(tài)下的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的偏置或直接改變手動(dòng)狀態(tài)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的出力來調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的出力分配。為方便說明問題,分下面兩命題進(jìn)行論證。3.1行機(jī)構(gòu)出力變化在某穩(wěn)定時(shí)刻,某自動(dòng)狀態(tài)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)第m臺(tái)進(jìn)行了改變偏置的操作,假設(shè)變化的偏置量為△B其中,△D下面利用離散化手段第1運(yùn)算周期:第m臺(tái)執(zhí)行機(jī)構(gòu)出力變化如式(5)所示,其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)的指令在本運(yùn)算周期內(nèi)假定不變。偏置的指令前饋?zhàn)饔檬沟蒙嫌沃噶畹淖兓癁榈?運(yùn)算周期:手動(dòng)狀態(tài)下的執(zhí)行機(jī)構(gòu)偏置相對(duì)上一周期的變化為自動(dòng)狀態(tài)下的執(zhí)行機(jī)構(gòu)出力相對(duì)上一周期的變化為上游指令相對(duì)上一周期的變化為第K運(yùn)算周期:手動(dòng)狀態(tài)下的執(zhí)行機(jī)構(gòu)偏置相對(duì)上一周期的變化為自動(dòng)狀態(tài)下的執(zhí)行機(jī)構(gòu)出力相對(duì)上一周期的變化為上游指令相對(duì)上一周期的變化為故整個(gè)指令變化之和趨于平衡并收斂,命題得證。3.2偏置前饋算法在某穩(wěn)定時(shí)刻,某手動(dòng)狀態(tài)的第m臺(tái)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了偏置改變操作,假設(shè)變化的偏置量為ΔD其中,ΔD依據(jù)式(1)(2)和偏置前饋算法式(3),以及命題一類似的推導(dǎo)過程,當(dāng)初于手動(dòng)狀態(tài)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變指令ΔD第K周期:自動(dòng)狀態(tài)下的執(zhí)行機(jī)構(gòu)出力相對(duì)上一周期的變化為手動(dòng)狀態(tài)下的執(zhí)行機(jī)構(gòu)偏置相對(duì)上一周期的變化為上游指令相對(duì)上一周期的變化同樣可以得出指令變化趨于0,且故指令平衡且收斂,命題二得證。4多執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)不健全問題上的補(bǔ)償建議上述是在理想情況下,經(jīng)過足夠長(zhǎng)的周期保證多執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)出力最終收斂并保持平衡。實(shí)際工程應(yīng)用中,在極少的運(yùn)算周期內(nèi)通過算法本身便可基本完成各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的出力調(diào)整與平衡。通過分析上述的推導(dǎo)過程可知,當(dāng)所有的執(zhí)行機(jī)構(gòu)在自動(dòng)狀態(tài)下,通過改變某執(zhí)行機(jī)構(gòu)的偏置達(dá)到出力重新分配,最多只需2個(gè)運(yùn)算周期就可以達(dá)到新的平衡狀態(tài)。2個(gè)運(yùn)算周期相對(duì)于普通的工業(yè)對(duì)象的時(shí)間常數(shù),完全可以忽略。故而,采用文中平衡算法的多執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的出力調(diào)整對(duì)整個(gè)工藝過程沒有任何擾動(dòng)或沖擊。然而,在算法工程應(yīng)用的控制組態(tài)過程中,還應(yīng)該考慮功能模塊時(shí)序的問題,即運(yùn)算的順序,保證平衡算法能夠在盡可能少的運(yùn)算周期內(nèi)快速消除內(nèi)部出力調(diào)整帶來的擾動(dòng)。建議按照?qǐng)D2從上至下、從左到右來安排功能模塊的運(yùn)算次序。本算法的核心思想是引入各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的出力偏置作為上游控制器的前饋量。計(jì)算上游控制器前饋量時(shí),要遵循的原則是:在運(yùn)行的執(zhí)行機(jī)構(gòu)偏置才能起作用,即式(3)中統(tǒng)計(jì)的是在運(yùn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)的平均偏置。實(shí)際上,某些工藝過程中并非執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟動(dòng)后就會(huì)有真實(shí)出力,還需依據(jù)工藝過程參數(shù)確認(rèn)有真實(shí)出力的邏輯條件,從而確定該臺(tái)執(zhí)行機(jī)構(gòu)出力偏置是否計(jì)入前饋量。由于各執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟?；蛘鎸?shí)出力的有無會(huì)直接影響上游控制器的前饋量,故而應(yīng)該在出現(xiàn)出力或在運(yùn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)個(gè)數(shù)發(fā)生變化時(shí),上游控制器必須進(jìn)入保持狀態(tài),而且保持的時(shí)刻要早于在運(yùn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行個(gè)數(shù)發(fā)生變化的時(shí)刻,而且保持狀態(tài)消失時(shí)刻應(yīng)該要晚于在運(yùn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行個(gè)數(shù)發(fā)生變化的時(shí)刻?？刂葡到y(tǒng)軟件組態(tài)過程時(shí)需要脈沖的上升沿延時(shí)和下降沿延時(shí)功能模塊共同的邏輯關(guān)系。執(zhí)行機(jī)構(gòu)出力的界定也是值得探討的問題。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的出力不能簡(jiǎn)單將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制指令或開度作為出力的評(píng)定依據(jù),而是要依據(jù)實(shí)際工藝過程中的實(shí)際輸送物料的能力來唯一確定,如火電生產(chǎn)過程中的鍋爐汽動(dòng)給水泵的出力和電動(dòng)給水泵的出力則不能簡(jiǎn)單以轉(zhuǎn)速指令百分比作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的出力,而需要將給水泵的出水流量作為出力計(jì)算的依據(jù)。當(dāng)下游的執(zhí)行機(jī)構(gòu)均在手動(dòng)時(shí),上游控制器輸出必須處于跟蹤狀態(tài)。實(shí)際應(yīng)用中,其跟蹤量的獲取卻五花八門,有的采用執(zhí)行機(jī)構(gòu)的平均出力,有的采用實(shí)際出力最小值,有的采用實(shí)際出力的最大值。這樣帶來的不利結(jié)果是某執(zhí)行機(jī)構(gòu)投入自動(dòng)后,由于較窄的偏置限幅可能導(dǎo)致該執(zhí)行機(jī)構(gòu)出力偏置無法正確跟蹤,最終引起該執(zhí)行機(jī)構(gòu)手自動(dòng)切換時(shí)刻出力的突變,引起系統(tǒng)不必要的波動(dòng)。筆者建議上游控制器的跟蹤量采用實(shí)際有出力的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的加權(quán)平均出力,即跟蹤量T在多執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),增益補(bǔ)償問題是一個(gè)大家均會(huì)考慮到的問題,即多執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自動(dòng)控制回路中,增益調(diào)度回路用于補(bǔ)償不同臺(tái)數(shù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)在自動(dòng)狀態(tài)下系統(tǒng)增益的變化。但是,在實(shí)際過程中,往往控制組態(tài)人員僅將運(yùn)行的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的臺(tái)數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的累加處理,并沒有考慮到機(jī)組實(shí)際出力系數(shù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)增益的影響,實(shí)際回路增益補(bǔ)償系數(shù)應(yīng)該為5其他相關(guān)算法本文論述了一種多執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)出力平衡調(diào)整的快速消除內(nèi)部擾動(dòng)的控制算法,該算法將各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的偏置量引入至上游控制器的前饋通道,將之稱為“偏置前饋”算法。通過采用離散控制系統(tǒng)的思想詳細(xì)計(jì)算出了控制系統(tǒng)各參量的變化,最終推導(dǎo)出了該算法的一致收斂特性,而且該算法保證了出力調(diào)整過程中各執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠快速恢復(fù)至新的平衡狀態(tài)。最后,為給工程應(yīng)用提供更加實(shí)用的參考,還針對(duì)該算法的工