CN101587354A - 一种前馈补偿开环结合反馈闭环控制的蒸汽压力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种前馈补偿开环结合反馈闭环控制的蒸汽压力控制方法，采用前馈补偿开环控制和反馈闭环控制相结合的一种复合控制策略，该控制策略对外部扰动实施前馈补偿开环控制，把外部扰动近似看作为阶跃扰动，并把此扰动信号作为前馈补偿器的输入，并对前馈补偿器进行参数整定从而对相关外部扰动所带来的对压力的影响进行动态补偿；对内部扰动实施反馈闭环控制，通过通用的PID调节消除内部扰动对压力的影响。此方法包括：前馈控制、反馈控制、前馈加反馈的复合控制。本发明方法主要用于冶金RH真空精炼装置，可以有效地克服RH精炼真空排气系统蒸汽压力调节过程中内外扰动对压力的影响，提高控制精度和稳定性，保证真空处理的平稳以达到良好的真空处理效果。

Description

一种前馈补偿开环结合反馈闭环控制的蒸汽压力控制方法

技术领域

本发明涉及一种应用于RH精炼真空排气系统蒸汽压力控制系统的方法，特别涉及一种前馈补偿开环结合反馈闭环控制的蒸汽压力控制方法。

背景技术

RH精炼炉真空处理过程中，主要的技术指标之一就是要求真空排气系统的蒸汽压力保持稳定，这是因为真空泵用汽制度及对蒸汽的要求特别严格：(1)抽真空期间的蒸汽流量必须保证；(2)抽真空期间蒸汽压力必须稳定；(3)抽真空所用蒸汽必须是过热干蒸汽。因而蒸汽压力控制是RH精炼处理的核心控制技术之一，对提高产品质量起着非常重要的作用。在抽真空过程中，蒸汽泵根据钢种的不同会经常出现泵的开闭操作，因而通常的PID控制难以稳定，会出现较大的波动，而采用前馈补偿开环控制和反馈闭环控制相结合的一种复合控制方法可以快速准确控制蒸汽的压力。

目前现有的RH精炼真空排气系统蒸汽压力控制大部分都是通常的两级PID反馈控制，即第一级PID反馈控制主要用于控制源头蒸汽的压力，使其压力保持基本恒定，为二级调节消除源头扰动；第二级PID反馈控制用于调节真空系统的压力，其优点在于其是按被控参数的偏差进行的闭环反馈控制，系统内不论什么扰动，只要使被控参数出现偏差，控制器均可进行调节，但控制器只有等偏差出现以后才开始动作，不可能在扰动出现时，即在被控对象出现偏差前，就依据扰动进行控制，使偏差不出现，这是其缺点；对真空系统真空泵的开闭对蒸汽压力的扰动上述控制方法的控制作用响应速度慢，调整时间长，不利于生产。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种前馈补偿开环结合反馈闭环控制的蒸汽压力控制方法，以减少设备投入，提高响应速度和控制精度，适用于所有RH精炼炉真空排气系统蒸汽压力过程控制。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种前馈补偿开环结合反馈闭环控制的蒸汽压力控制方法，其特征在于，包括：前馈控制、反馈控制、前馈加反馈的复合控制，用于对RH精炼炉真空排气系统蒸汽压力执行前馈控制和反馈控制，以控制RH精炼炉真空排气系统蒸汽的压力。前馈控制，其特征在于，包括：前馈输入控制、前馈补偿器和前馈输出控制，其中前馈输入控制用于输入各真空泵的开闭动作及延时处理时间参数、静态参数和动态参数，前馈补偿器用于计算各真空泵动态补偿量，前馈输出控制用于汇总各真空泵的动态补偿量并输出前馈控制量。反馈控制，其特征在于，包括：反馈输入控制、反馈PID控制器和反馈输出控制，其中反馈输入控制用于输入控制压力、实际压力、多组PID参数、PID参数切换，反馈PID控制器用于计算反馈控制量，反馈输出控制用于输出反馈控制量。前馈加反馈的复合控制，其特征在于，叠加前馈控制量和反馈控制量输出给执行机构实施蒸汽压力前馈加反馈的复合过程控制。

具体方法，包括：步骤一、根据真空排气系统是否运行判断前馈加反馈压力复合控制系统是否投入，如运行则执行步骤二，否则执行步骤六；步骤二、前馈控制获取各级真空泵的开闭动作及相应的延时处理时间参数和相应的静态参数和动态参数；同时，反馈控制获取控制压力及实际压力值和PID参数切换数据及相应的PID参数；步骤三、执行前馈补偿控制和反馈PID控制；步骤四、执行前馈输出控制及反馈输出控制；步骤五、执行前馈加反馈复合控制，然后执行步骤一；步骤六、关闭调节阀门，然后执行步骤一。

本发明由于充分考虑了RH精炼炉真空排气系统的实际运行情况以及设备特性，因而响应速度快，控制精度高，并通过参数配置的方法能够适用于不同的RH精炼炉生产线。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图；

图2是本发明方法的原理图；

图3是本发明方法实际应用效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施对本发明方法作进一步详细的说明。

如图1所示，是本发明方法的流程示意图，从总体上展示了本发明方法的流程，即包括：步骤一、根据真空排气系统是否运行判断前馈加反馈压力复合控制系统是否投入，如运行则执行步骤二，否则执行步骤六；步骤二、前馈控制获取各级真空泵的开闭动作及相应的延时处理时间参数和相应的静态参数和动态参数；同时，反馈控制获取控制压力及实际压力值和PID参数切换数据及相应的PID参数；步骤三、执行前馈补偿控制和反馈PID控制；步骤四、执行前馈输出控制及反馈输出控制；步骤五、执行前馈加反馈复合控制，然后执行步骤一；步骤六、关闭调节阀门，然后执行步骤一。

如图2所示，是本发明方法的系统原理图，在图中，X(S)为设定信号，Gc(S)为通用的反馈控制器，这里主要分析前馈补偿系统部分，因为这是解决现存控制问题的关键。其中D(S)为扰动信号，Gff(S)是前馈补偿器，实现超前-滞后补偿功能，Gp(S)为调节通道，Gd(S)为扰动通道，Gp(S)和Gd(S)的特性比较接近。由于纯滞后的对消作用，可以把Gp(S)和Gd(S)近似为一阶惯性环节。Gff(S)、Gp(S)、Gd(S)的传递函数分别为：

$\mathrm{Gff}\left(S\right)=\mathrm{Kf}*\frac{T1*S+1}{T2*S+1}$ $\mathrm{Gp}\left(S\right)=\frac{\mathrm{Kp}}{\mathrm{Tp}*S+1}$ $\mathrm{Gd}\left(S\right)=\frac{\mathrm{Kd}}{\mathrm{Td}*S+1}$

扰动信号D(S)从Gd(S)到被调量Y(S)产生的影响记为

从Gp(S)到Y(S)产生的影响记为则有：

$\hat{Y}d\left(S\right)=\mathrm{Gd}\left(S\right)*D\left(S\right)=\frac{\mathrm{Kd}}{\mathrm{Td}*S+1}*D\left(S\right)$

$\hat{Y}p\left(S\right)=\mathrm{Gp}\left(S\right)*\mathrm{Gff}\left(s\right)*D\left(S\right)=\frac{\mathrm{Kp}}{\mathrm{Tp}*S+1}*\frac{\mathrm{Kf}*(T1*S+1)}{T2*S+1}*D\left(S\right)$

如果取扰动信号为单位阶跃信号，则 $D\left(S\right)=\frac{1}{S},$ 将其代入上式，并取拉氏反变换，可得到：

$Y^{\′}d\left(t\right)=L^{-1}\left[\hat{Y}d\left(S\right)\right]=\mathrm{Kd}*(1-e^{-\frac{t}{\mathrm{Td}}})$

$Y^{\′}p\left(t\right)=L^{-1}\left[\hat{Y}p\left(S\right)\right]=\mathrm{Kp}*\mathrm{Kf}*(1-\frac{\mathrm{Tp}-T1}{\mathrm{Tp}-T2}*e^{-\frac{t}{\mathrm{Tp}}}-\frac{T2-T1}{T2-\mathrm{Tp}}*e^{-\frac{t}{T2}})$

D(t)＝L^-1[D(S)]对被调量产生的净偏差记为：

$Y_{\mathrm{\Δ}}\left(t\right)=Y^{\′}d\left(t\right)+Y^{\′}p\left(t\right)=\mathrm{Kd}*(1-e^{-\frac{t}{\mathrm{Td}}})+\mathrm{Kp}*\mathrm{Kf}*(1-\frac{\mathrm{Tp}-T1}{\mathrm{Tp}-T2}*e^{-\frac{t}{\mathrm{Tp}}}-\frac{T2-T1}{T2-\mathrm{Tp}}*e^{-\frac{t}{T2}})$

当t→∞，系统进入稳态，从上式可以得：

Y_Δ＝Kd+Kp*Kf

若要静态完全补偿，则可令Y_Δ(∞)＝0，则前馈补偿器静态增益为： $\mathrm{Kf}=-\frac{\mathrm{Kd}}{\mathrm{Kp}}$

前馈补偿器主要特点是其能进行动态补偿。因此，选择合适的T1、T2，对系统进行有效的动态补偿必不可少。设Kd＝Kp＝-Kf＝1，则：

$Y_{\mathrm{\Δ}}\left(t\right)=\frac{\mathrm{Tp}-T1}{\mathrm{Tp}-T2}*e^{-\frac{t}{\mathrm{Tp}}}+\frac{T2-T1}{T2-\mathrm{Tp}}*e^{-\frac{t}{T2}}-e^{-\frac{t}{\mathrm{Td}}}$

动态补偿应满足 ${\∫}_0^{\∞}{Y}_{\mathrm{\Δ}}\left(t\right)*\mathrm{dt}=0,$ 因而：

$\frac{\mathrm{Tp}-T1}{\mathrm{Tp}-T2}*\mathrm{Tp}+\frac{T2-T1}{T2-\mathrm{Tp}}*T2-\mathrm{Td}=\mathrm{Tp}+T2-\mathrm{Td}-T1=0$

${\∫}_0^{\∞}{Y}_{\mathrm{\Δ}}\left(t\right)*\mathrm{dt}=0$ 意味着d(t)通过动态前馈补偿器和扰动通道Gd(S)共同作用于被调量使其所产生的净偏差总面积为0，从上式可以看到，只要T1＝TP，T2＝TD，补偿器可以对阶跃扰动D(t)完全补偿，实现对D(t)的不变性。

在图1所示的复合控制系统中，反馈控制回路和前馈补偿后扰动通道的传递函数：

$\frac{Y\left(S\right)}{R\left(S\right)}=\frac{\mathrm{Gc}\left(S\right)*\mathrm{Gp}\left(S\right)}{1+\mathrm{Gc}\left(S\right)*\mathrm{Gp}\left(S\right)}$

$\frac{Y\left(S\right)}{D\left(S\right)}=\frac{\mathrm{Gd}\left(S\right)+\mathrm{Gff}\left(S\right)*\mathrm{Gp}\left(S\right)}{1+\mathrm{Gc}\left(S\right)*\mathrm{Gp}\left(S\right)}$

从上式可以看出，图1所示的复合控制系统中的前馈控制，其前馈补偿器Gff(S)对反馈回路中的传递函数不产生影响。因此反馈控制回路的设计和调节器参数整定可独立进行，不受前馈补偿的影响，参数整定也可以独立进行，最后再将二者组合起来，可达到理想效果。

图3是本发明方法的实际应用效果示意图。

下面对本发明方法中的前馈控制和反馈控制分别讲述。

一、前馈控制

前馈开环控制的优点是在被控对象出现偏差前，就依据扰动进行控制，使偏差不出现，因而本发明方法中的前馈开环控制就是把RH精炼炉真空排气系统各真空泵的开闭动作近似看作为阶跃扰动，并把此扰动信号作为前馈开环控制器的输入，并对各个泵的前馈开环控制器进行参数整定从而对相关泵的开闭所带来的对蒸汽压力的影响进行动态补偿并实施过程控制。

本发明方法中的前馈补偿器主要的输入变量包括：

1.Del_O_n：第n个泵的开延时时间，即当某一个泵给出开命令后到扰动刚出现的时间，以克服设备动作的滞后问题，避免开环前馈调整对系统产生新的扰动。

2.IN_O_n：第n个泵开动作的前馈控制器的近似阶跃扰动输入，实际应用过程中测得近似值。

2.Kf_O_n：第n个泵关动作的前馈控制器的静态增益，设为1。

3.T1_O_n：第n个泵开动作的前馈控制器的超前控制时间参数，用于提高响应速度。

4.T2_O_n：第n个泵开动作的前馈控制器的滞后控制时间参数，用于克服泵打开过程的一阶惯性特性。

5.Del_C_n：第n个泵的关延时时间，即当某一个泵给出关命令后到扰动刚出现的时间，以克服设备动作的滞后问题，避免开环前馈调整对系统产生新的扰动。

6.IN_C_n：第n个泵关动作的前馈控制器的近似阶跃扰动输入，实际应用过程中测得近似值。

7.Kf_C_n：第n个泵关动作的前馈控制器的静态增益，设为1。

8.T1_C_n：第n个泵关动作的前馈控制器的超前控制时间参数，用于提高响应速度。

9.T2_C_n：第n个泵关动作的前馈控制器的滞后控制时间参数，用于克服泵关闭过程的一阶惯性扰动。

本发明方法中的前馈补偿器：

一个泵的动作非开即闭，因而其开闭动作可以使用一个前馈前馈补偿器，在泵的开闭动作过程中进行参数的切换，当开命令发出后，经Del_O_n时间延时，把开泵阶跃扰动量IN_O_n、静态增益Kf_O_n、超前时间参数T1_O_n、滞后时间参数T2_O_n赋给当前泵的前馈补偿器参变量IN、Kf、T1、T2，而当关命令发出后，经Del_C_n时间延时，把当前泵关泵的阶跃扰动量IN_C_n、静态增益Kf_C_n、超前时间参数T1_C_n、滞后时间参数T2_C_n赋给当前泵的前馈补偿器参变量IN、Kf、T1、T2，以补偿泵开闭动作对被调量蒸汽压力的影响。

每个泵对应一个前馈补偿器，以补偿相应泵开闭动作对被调量蒸汽压力的影响。

前馈补偿器的传递函数：

$\mathrm{Gff}\left(S\right)=\mathrm{Kf}*\frac{T1*S+1}{T2*S+1}$

前馈补偿器的计算公式：

$\mathrm{OUT}=\frac{T2*{\mathrm{OUT}}_{\mathrm{old}}+\mathrm{Kf}*((T1+\mathrm{dt})*\mathrm{IN}-T1*{\mathrm{IN}}_{\mathrm{old}})}{T2+\mathrm{dt}}$

IN：前馈补偿器的扰动输入

Kf：前馈补偿器的静态增益

T1：前馈补偿器的超前时间参数

T2：前馈补偿器的滞后时间参数

dt：循环执行周期

OUT：前馈补偿器的补偿输出

IN_old：前一个执行周期的扰动输入量

OUT_old：前一个执行周期的补偿输出量

本发明方法中的前馈补偿器输出控制：

OUT_n：第n个泵的前馈补偿器的输出变量

输出控制： ${\mathrm{OUT}}_{\mathrm{total}}={\mathrm{\Σ}}_1^n{\mathrm{OUT}}_n$

下表为本发明方法在实际应用中的前馈开环控制参数值：

扰动描述	延时处理	IN	T1	T2
					4A喷射泵开	0.4S	7.0	1.0	0.7
4A喷射泵关	4S	-7.0	0.0	0.6
					4B喷射泵开	0.7S	16.5	2.0	1.2
4B喷射泵关	12S	-16.5	1.0	3.0
					3A喷射泵开	0S	8.5	0.8	0.5
3A喷射泵关	5S	-8.5	0.0	0.8
					3B喷射泵开	0S	9.0	2.1	1.2
3B喷射泵关	13S	-9.0	1.0	3.0
					B2增压泵开	0S	22.0	2.0	1.2
B2增压泵关	17.5S	-22.0	0.0	0.6
					B1增压泵开	0.2S	6.0	0.8	0.5
B1增压泵关	0.7S	-6.0	0.0	1.0

注：Kf＝1

二、反馈控制

反馈闭环控制的优点在于其是按被控参数的偏差进行的闭环反馈控制，系统内不论什么扰动，只要使被控参数出现偏差，控制器均可进行调节，即反馈闭环控制总能消除反馈环之内各种扰动的影响，反馈闭环控制非常通用，这里只对本发明设计中所使用的反馈闭环控制作简单介绍。

反馈闭环控制器的主要输入变量包括：

SP：目标设定值

PV：实际测量值

Kp：比例

Ti：积分时间

Td：微分时间

反馈闭环控制器：

RH精炼真空排气系统在预真空模式以及不同真空度要求情况下，真空泵开闭的数量是变化的，因而调节系统的调节范围几乎是满量程范围的，调节阀在不同工作范围对Kp、Ti、Td参数值的要求是不同的，如果采用相同的Kp、Ti、Td参数值，则会出现调节效果的差异化，针对此情况，在不同的工作范围采用不同的参数值，本发明设计采用三段Kp、Ti、Td参数值。

偏差计算：E＝SP-PV

反馈闭环控制器的传递函数：

$\mathrm{Gc}\left(s\right)=\mathrm{Kp}*(1+\frac{1}{\mathrm{Ti}*S}+\mathrm{Td}*S)$

反馈闭环控制器的计算公式：

${\mathrm{CV}}_n=C{V}_{n-1}+\mathrm{Kp}*\mathrm{\ΔE}+\frac{E_n*\mathrm{\Δt}}{\mathrm{Ti}}+\mathrm{Td}*\frac{E_n-2*E_{n-1}+E_{n-2}}{\mathrm{\Δt}}$

CV_n：当前周期控制量

CV_n-1：前一周期控制量

E_n：当前周期偏差量

E_n-1：前一周期偏差量

E_n-2：前前周期偏差量

ΔE＝E_n-E_n-1

Δt：执行周期(与Ti、Td单位相同)

反馈闭环控制器的主要输出变量：

CV：控制输出量CV＝CV_n

下表为本发明设计在实际应用中的反馈闭环控制参数值：

阀门工作范围	Kp	Ti	Td
				0％～25％	1.5	15.0	0.0
25％～80％	0.7	8.0	0.0
				80％～100％	0.8	12.0	0.0

综上所述，本发明方法可通过参数配置的方法使其能够适用于不同的RH精炼真空排气蒸汽压力控制系统。本发明方法能够：在真空排气系统蒸汽压力参数出现偏差之前就依据真空泵的开闭动作，通过前馈开环控制器进行及时控制，使偏差不出现，从而有效地克服真空排气系统真空泵开闭对真空蒸汽压力的影响，同时通过反馈闭环控制消除蒸汽压力、温度波动等反馈环之内的其他干扰，这种前馈开环加反馈闭环相结合的复合控制系统可以有效地提高系统的控制品质，提高系统的响应速度，使RH精炼真空排气系统真空泵蒸汽压力控制更加平稳，提高了控制精度，达到良好的真空处理效果。

Claims (4)

1、一种前馈补偿开环结合反馈闭环控制的蒸汽压力控制方法，应用于RH精炼炉真空排气系统蒸汽压力控制，其特征在于，包括：前馈控制、反馈控制、前馈加反馈的复合控制，用于对所述RH精炼炉真空排气系统蒸汽压力执行前馈控制和反馈控制，以控制RH精炼炉真空排气系统蒸汽的压力，步骤如下：

步骤一、根据真空排气系统是否运行，判断前馈加反馈压力复合控制系统是否投入，如运行则执行步骤二，否则执行步骤六；

步骤二、前馈控制获取各级真空泵的开闭动作及相应的延时处理时间参数和相应的静态参数和动态参数；同时，反馈控制获取控制压力及实际压力值和PID参数切换数据及相应的PID参数；

步骤三、执行前馈补偿控制和反馈PID控制；

步骤四、执行前馈输出控制及反馈输出控制；

步骤五、执行前馈加反馈复合控制，然后执行步骤一；

步骤六、关闭调节阀门，然后执行步骤一。

2、如权利要求1所述的前馈控制，其特征在于，包括：前馈输入控制、前馈补偿器和前馈输出控制，其中所述前馈输入控制用于输入各真空泵的开闭动作及延时处理时间参数、静态参数和动态参数，所述前馈补偿器用于计算各真空泵动态补偿量，所述前馈输出控制用于汇总各真空泵的动态补偿量并输出前馈控制量。

3、如权利要求1所述的反馈控制，其特征在于，包括：反馈输入控制、反馈PID控制器和反馈输出控制，其中反馈输入控制用于输入控制压力、实际压力、多组PID参数、PID参数切换，反馈PID控制器用于计算反馈控制量，反馈输出控制用于输出反馈控制量。

4、如权利要求1所述的前馈加反馈的复合控制，其特征在于，叠加前馈控制量和反馈控制量输出给执行机构实施蒸汽压力前馈加反馈的复合过程控制。

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