纸浆浓度专家PID控制

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1、图 1 纸 浆浓度控制系统图 2 纸浆浓度自动控制系统组成图 3 专家 P ID 控制器原理框图纸浆浓度专家Exp e rt PID Co n tro l fo r Pu lp控制PIDCo n s is te n cy(陕西科技大学)王改堂 王孟效WANG GAITANG WANG MENGXIAO摘要:本文简要的分析了普通 PID 控制的不足，在这一基础上介绍了专家 PID 控制的特点，并提出了一种新的控制方案专家 PID 控制，通过与普通 PID 浓度控制曲线相比，该方案具有较好的动态性能和鲁棒性。关键词:纸浆浓度;PID 控制;专家系统;专家 PID 控制中图分类号:TS736+.3文

2、献标识码:BAbstr act:In this paper,the trait of expert PID control is introduced,and put forward a new contral strategyexpert PID control.It hasgreater dynamic performance and robust performance comparad with the conventional PID consistency control diagrams. Key wor ds:pulp consistency，PID contr ol，expe

3、r t system，exper t PID contr ol（1） 技1引言在制浆造纸生产过程中，纸浆浓度是最重要的物理量之一，稳定地调节纸浆浓度是实现工艺目标，达到质量标准的重要环节， 也是较难解决的问题之一。纸浆浓度控制系统具有大纯滞后特性和模 型不确定性，目前在造纸行业中普遍采用传统 PID 算法，传统 PID 算 法虽然具有结构简单、实现方便、适应性强等特点，但在实际运行过程 中不能满足实际生产的要求，其主要表现在:在纸浆浓度调节中，由 于电动执行器属于惯性环节，采用传统 PID 调节必产生严重的滞后 效应，很难使系统取得良好的控制效果；由于过程参数在生产过程 中变化很大，加之设备的

4、老化和来自其它方面的干扰，因此一般的固 定参数控制器无法适应这些变化不能始终保持最优运行，有时甚 至出现稳定性问题。简单说，也就是调节缓慢、抗干扰能力弱、稳定性 差等。基于上述基础之上，提出了专家 PID 控制改进方案。式(1)中，k 为对象增益，T 为惯性时间，为滞后时间，Y(s)为纸浆浓度测量的拉氏变换，U(s)为阀门开度的拉氏变换。2.2 纸浆浓度控制系统的工作原理 纸浆浓度自动控制系统组成如图 2 所示。纸浆浓度变送器把浆管内流动的浆料的浓度转换成 4- 20mA 电流信号送入浓度控制器。经过 A/D 转换成浓度数值信号送显示器，并将此浓度 值与用户设定值比较，控制器按两者差值调节电动

5、阀的开度，从而调节进入浆泵的稀释水量，使输浆管内的浆料浓度发生变化， 这时浓度变送器将检测到新的浓度。重复上述过程，使浆料浓度逐渐接近用户设定的浓度值，最终得到浓度稳定的浆料。（因为是用稀释手段调节浓度，在使用中请务必保证来浆浓度高于设定浓度。）术创 新纸浆浓度控制系统的数学模型及工2作原理2.1 纸浆浓度控制系统的数学模型浓度控制系统由纸浆浓度变送器（浓度计）、电动调节阀、浓 度控制器三部分组成，如图 1 所示:3 专家 PID 控制专家系统是指将专家系统理论和技术同控制理论方法技术 相结合，在未知环境下，仿效专家的智能，实现对系统的控制。而 专家 PID 控制是将专家控制原理与常规 PID

6、 控制相结合，可以 相互取长补短，进一步提高系统的控制性能。专家 PID 控制器 原理框图如图 3 所示。要对浓度控制系统做更深入的讨论，必须要有系统的数学模型，在此笔者直接给出了系统的数学模型(具体方法可参见文 献 1- 2)，其浓度控制的传递函数表达式为:根据常规 PID 控制的误差值 e(k)及其变化特征，可设计专家PID 控制规则，该控制规则可分为如下 6 种情况:王改堂: 硕士研究生邮局订阅号：82-946 360 元 / 年 - 25 -控 制 系 统中文核心期刊微计算机信息( 测控自动化) 2007 年第 23 卷第 10-1 期(1)当 |e(k)|Mm 时，说明误差的绝对值比

7、较大。此时，不论误差变化趋势如何，都应考虑较强的控制作用，即控制器的输出 应按最大或最小方向输出，以使误差尽快减小而达到迅速调整if abs(flag=3) i=find(abs(x(1)MTab(:,1) %Rulel if length(i)0sys=MTab(i(l),2); else sys=(kp,ki,kd)*x; endif x(1)*x(3)0 | (abs(x(3)=0.05sys=u(3)+2*kp*x(1); else sys=u(3)+0.4*kp*x(1); endendif x(1)*x(3)0 & x(3)*u(4)=0.05sys=u(3)+2*kp*u(2);

8、 else sys=u(3)+0.6*kp*u(2); endend误差的目的。控制器输出可为 u(k)=u(k- 1)+k1kpe(k)(2)(2)当 e(k)e(k)O 时，说明误差在朝误差绝对值增大方向变化。此时，如果|e(k)| MS，说明误差也较大，可考虑由控制器实 施较强的控制作用，以达到扭转误差绝对值朝减小方向变化，并迅速减小误差的绝对值，控制器输出可为 u(k)=u(k- 1)+k1kpe(k)- e(k- 1)+kie(k)+kde(k)- 2e(k- 1)+e(k- 2)(3)此时，如果|e(k)|MS，说明尽管误差朝绝对值增大方向变化，但误差绝对值本身并不很大，为防止超调

9、，可根据误差的大小选 择适当的控制量扭转误差的变化趋势，使其朝误差绝对值减小方向变化即可。(3) 当 e(k)e(k)0 或者时，说明误差的 绝对值朝减小的方向变化，此时，比例作用应该同步减小;由于 系统输出的变化率增大，所以微分作用应该加强，利用微分作用 的超前特性而使控制器提前动作，以抑制系统的超调;而为了尽 快消除偏差，应选用相对较大的积分作用。(4) 当 e( k)=0 时，说明系统已经达到平衡状态，此时，可考 虑采取保持控制器输出 u(k)不变。(5) 当 e(k)e(k)O, e(k)e(k- 1)MS，可以考虑实施较强的比例微分 (PD)控制作用技术 创 新if abs(x(1)

10、=0.001%Rule6:Integration separation PI controlsys=0.5*x(1)+0.010*x(2);endsys=sys; x(3); else if flag=0 sys=0;3;2;4;1;1; else sys=;end上述 S- Function 中 flag=0 时代表初始化包括采样时间连续 离散状态的状况及 sizes 数组的维数，flag=3 代表计算输出。编写好的 S- Function 以 M 函数形式保存到 MATLAB 的可搜索路 径中，然后再在 Simulink 的模型文件中加入 S- Function 模块， 在该模块的参数对话

11、框引用上面的 M 函数文件名即可。3.2 专家 PID 控制仿真结果专家 PID 控制仿真是采用 Matlab 来实现的，由于篇幅原 因，具体过程从略，在此仅给出仿真曲线图。假设在纸浆浓度相对稳定，浓度控制数学模型中的参数 K=3，T=2，=3 的情况 下，根据经验式 Kp=0.5/K，Ti=0.5 (L+T（) L 和 T 一般在 5- 120s范围内），选用 Kp=0.16，Ti=15，可以得到较好的常规 PID 的控u(k)=u(k- 1)+ k1kpe(k)- e(k- 1)+kde(k)- 2e(k- 1)+e(k- 2)(4)如果此时误差的绝对值较小，即|e(k)| MS,可考虑实

12、施较弱的比例微分(PD)控制作用 u(k)=u(k- 1)+ k2kpe(k)- e(k- 1)+ kde(k)- 2e(k- 1)+e(k- 2)(5)(6) 当|e(k)|1；k2 为抑制系数，且 0k2Ms；为任意小的正实数；k 为控制周期的序号(自然数)；这些参数 的具体取值大小要根据具体的被控对象动态特性而定。3 专家PID 控制器在纸浆浓度控制系统中的应用制曲线如图 4 所示，专家 PID 控制各参数选用 k =1.5；k =0.6，12Mm=0.4，Ms=0.1，=0.001 时，得出的控制曲线如图 5 所示。3.1 专家 PID 控制器 S- Function 的实现用 Mat

13、lab 编写 S- Function，其基本格式为: sys,x0,str,ts=Functionname(t,x,u,flag,cl,c2?)functionname 表示 S- Function 的名字；t 表示仿真时间；x 表 示状态矢量; x0 表示初始状态值，没有状态时为空；u 表示模块输入；flag 为标志参数，用于控制在每个仿真阶段对 S- Function的调用，sys 为返回参数，返回值取决于 flag 的值;cl,c2， 表示 模块的传递参数；str 表示状态命令串，通常为空；ts 为采样时间。在 M 文件编辑器里编写专家 PID 控制器 S- Function 主要代码为

14、:function sys,x0,qtr,ts=exp_pidf(t,x,u,flag,kp,ki,kd,MTab)- 26-360元 / 年 邮局订阅号：82-946现场总线技术应用 200 例图 5 专家 PID 控制曲线故 障 诊 断中文核心期刊微计算机信息( 测控自动化) 2007 年第 23 卷第 10-1 期但仍然无法清楚的判断究竟是何种故障导致(1)事实的出现。然后根据事实(2)将节点 F_2*F0 取“high”的概率置为 1，进 行第二次推理，此时以上 3 种故障节点出现故障的概率发生变化，如表 8 中“获得事实(2)”一行中所示。此时有些故障类型发 生的概率降低或变化不明显

15、，而 F3 故障发生的概率明显增大。 最后根据事实(3)将节点 F_W 取“inordinate”的概率置为1，进行第三次推理，此时这 3 种故障点出现故障的概率又发 生变化，如表 8 中“获得事实(3)”一行中所示。到这个时候已经能够清楚的看到 2 种机械因素的故障发生的概率明显下降，而故障 F3 发生的概率已经大大超出其他 2 种故障，此时得出 诊断结果:汽轮机振动是由动静碰摩导致，其故障发生的概率为 83.05%。 当然在诊断的过程中可以将所获得的所有事实一次输入专家系统中，而不必一条一条地输入。本文中为了更加清晰地 反映各种事实如何影响诊断结论，故采取分别输入的方法。上述推理方法可以准

16、确地对单一故障进行诊断，当机组 存在多种故障时，可以采用最大似然推理进行诊断。同样是上面的例子，加上事实(4):振动信号的 3 倍频振幅加大。考虑存在 多种故障，采用最大可能推理得出诊断结论:机组存在不对中 故障和动静碰摩故障，两种故障同时发生的概率为 43.47%。Bayesian network，fault diagnose；Pu Han (1959 一 )，male，theHan nationality，professor and doctoral candidate tutor of NorthUniversity，researchChinaElectricPowerfield:art

17、ificialintelligence，computer simulation and so on.河北山西华北电力大学)张德利 韩璞 焦嵩鸣 王娜山西阳光发电有限责任公司)赵周明(071003(045200通讯地址:(071003张德利河北河北省保定市华北电力大学 3# 信箱)(收稿日期:2006.12.3)(修稿日期:2006.12.15)(上接第 26 页)技术 创 新4 专家 PID 控制应用效果本文作者创新点:采用专家 PID 控制实现较为简单，从图 4 和图 5 中可以看出，由纯滞后引起的控制品质下降得到了很好 的抑制，而且超调量和调节时间明显缩短。其控制效果优于常规 PID 控制

18、，有利于企业在节省生产成本的基础上提高纸张质量 参考文献 1葛升民，童树鸿，周斌.纸浆浓度控制系统的设计J.中国造纸.2002，3:50- 52 2葛升民，何平，童树鸿.纸浆浓度控制系统的参数调整J.中国造纸.1998，5:14- 163张建国.专家 PID 控制在三维机械手控制器中的应用J.机电 技术.2005，2:24- 274林瑞全，邱公伟.基于 Matlab 语言的电加热炉神经元 PID 控制的建模与仿真J.福州大学学报（自然科学版）.2002,1:55- 58 5刘金琨.先进 PID 控制及其 MATLAB 仿真M.北京:电子工业出版社.2003.16边新迎，刘亮等.基于 Matla

19、b 环境的适时仿真研究J微计算 机信息.2006，7:250- 252作者简介: 王改堂（1980 - ），男（汉族），陕西神木县人，陕西科 技大学电气与电子工程学院硕士研究生，研究方向:控制理论与控制工程;王孟效，教授，博士生导师，主要从事 DCS 控制。Biogr aphy: Wang Gaitang (1980 - ), Man (Han ethnic), Shaanxi Province,Master Graduate Student of College of Electric and Electronic Engineering of Shaanxi University of S

20、cience and Tech- nology, Research direction: control theory and control engineering. Communicate Address:Microcomputer Application Graduate Schoolof Shaanxi University of Science and Technology;Wang Mengxiao，Professor, Doctor tutor,Major in DCS Control.(712081 陕西 陕西科技大学电子工程学院)王改堂 王孟效 通讯地址: (712081 陕

21、西 咸阳市陕西科技大学微机应用研究所) 王改堂(收稿日期:2007.7.23)(修稿日期:2007.8.25)6结论故障诊断问题可以定义成一个贝叶斯网络，该网络由征兆集、故障集和相应的条件概率表组成。本文通过一个简单的专 家系统的建模与诊断过程，清晰地表明将贝叶斯网络应用到汽 轮机振动故障诊断专家系统中，会增强专家系统的诊断功能， 提高其诊断结果的准确度和精确度，具有很强的实用价值。本文作者创新点: 首次将贝叶斯网络应用于汽轮机组的故 障诊断中，通过诊断实例给出了具体的诊断过程中,充分显示了 贝叶斯网络对于解决复杂系统不确定因素引起的故障的优势。 参考文献 1吴欣,郭创新，基于贝叶斯网络的电力

22、系统故障诊断方法J， 电力系统及其自动化学报，2005，17(4):11- 15 2朱刚，周政新，马良，基于贝叶斯网络的电机智能诊断技术研 究J，微计算机信息，2006，1- 1:166- 1683Przytula K W, Thompson D. Construction of Bayesian Networksfor Diagnostics C.Conference, 2000.18- 24.Proceedings of 2000 IEEE Aerospace4Yildiz B, Golay M, Maynard K P, Development of Expert System with

23、 Bayesian Networks for Applicationin Nuclear Power PlantsC.2001 EPRI International Maintenance Conference, Houston TX,14- 16, 2001.5Zhang Zheng- song, Fu Shang- xin, Feng Guan - ping, Xu Yu - zheng, Vibration Measure and Fault Diagnosis of Rotary Machine M, China Machine Press, Beijing, 19916Heckerm

24、an D, Breese J S, Rommelse K. Troubleshooting underUncertainty.Research, 1994Technical Report MSR - TR - 94 - 07,Microsoft作者简介:张德利(1981- )男，汉族，华北电力大学博士研究所生，研究方向贝叶斯网络，故障诊断。韩璞(1959- )男，华北电力大学 教授，博士生导师，研究方向为智能控制、计算机仿真等。Biogr aphy:Deli Zhang (1981 一 )，male，the Han nationality，doctor of North China Electric Power University research field:-146-360元 / 年 邮局订阅号：82-946现场总线技术应用 200 例