[发明专利]一种克服阀门非线性的控制方法

说明书

本发明公开了一种克服阀门非线性的控制方法，该方法可处理包括“死区”、“变增益”、“磁滞”、“滞环”、“间隙”、“粘滞”在内的多种阀门非线性问题，用于在阀门非线性严重的情况下改进控制系统的性能。该方法步骤如下：建立阀门开度指令到阀门开度反馈的阀门非线性模型；构造控制阀门开度反馈软测量信号的副回路控制系统，调节副回路控制器的参数使控制性能满足要求；按照串级控制的形式将副回路连接到主回路中，调节主回路控制器的参数使被控变量的控制性能满足要求。本发明能够有效克服阀门非线性带来的控制性能下降，方案实现简单，在提高自动控制回路控制品质上有重要的实用价值。

技术领域

本发明涉及工业控制领域和精密机电系统控制领域，尤其针对控制系统中具有阀门非线性问题的控制场景。该方法适用于解决控制系统中因阀门非线性引起的控制系统振荡、控制性能下降问题。

背景技术

阀门是流程工业生产中使用最为广泛的执行机构之一。阀门性能的好坏对过程控制产生极大影响，进而与产品质量、节能降耗、生产安全等方面密切相关。统计研究表明，实际工业过程中大约有百分之三十的控制回路不同程度地遭受着阀门非线性特性带来的不良影响。常见的阀门非线性模型结构有“死区”、“变增益”、“磁滞”、“滞环”、“间隙”、“粘滞”等，如图1所示。实际系统中阀门的非线性可能由图1中一种或多种非线性结构组合而成。

以阀门粘滞(Valve Stiction)为例，该现象是一种最为常见并难以克服的阀门非线性问题，它容易导致自动控制系统性能下降，造成控制回路振荡，并最终导致产品质量降低以及设备损坏。实际工业控制系统在处理阀门粘滞非线性问题时大多采用减弱控制器动作的方法实现自动控制，文献(Mohammad M A,Huang B.Compensation of control valvestiction through controller tuning[J].Journal of Process Control,2012,22(9):1800-1819.)介绍了如何调整PID控制器使得控制系统稳定。此类方法通过牺牲控制性能换取系统的稳定性，局限性明显。另一类方法为knocker补偿(参见T.A frictioncompensator for pneumatic control valves[J].Journal of Process Control,2002,12(8):897-904.)，通过在控制信号上叠加抖动方波信号，通过增加相应阀门输入信号的能量来克服粘滞问题。此方法能够达到较好的控制性能，但是在控制补偿的过程中增加了阀门的振动频率，大大降低了阀门的使用寿命，因此该类方法在实际应用中并不多见。除了knocker方法以外，另外一种常见的补偿方法为两步法(参见Srinivasan R,RengaswamyR.Approaches for efficient stiction compensation in process control valves[J].ComputersChemical Engineering,2008,32(1):218-229.)，两步法需要知道阀门的粘滞模型以及控制器的稳态位置。

在阀门非线性问题的克服中，需综合考虑控制性能与阀门使用寿命，对工业生产过程提高效率，节约成本产生积极作用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于阀门开度反馈软测量的串级控制方法，用于克服阀门非线性问题，提高控制性能。

实际工业现场中常用的闭环控制系统如图2所示，其中t表示时间；r(t)为设定值；y(t)为被控变量，即传感器的在线输出，如温度、液位、流量、压力等；u(t)为阀门开度指令；x(t)为阀门实际开度或阀门反馈。注意到，阀门实际开度x(t)通常没有在线测量，或在线测量仪表不可靠。针对类似工业控制系统，本发明提供的基于阀门开度反馈软测量的串级控制方案，能够解决多种阀门非线性问题，所提方法包括如下步骤：

(1)建立阀门开度指令u(t)到阀门开度反馈x(t)的阀门非线性模型

(2)构造控制阀门开度反馈软测量信号的副回路控制系统，调节副回路控制器的参数使控制性能满足要求；