CN104503506A - 一种远程工业气相色谱仪柱箱温度监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种远程工业气相色谱仪柱箱温度监控系统，包括管理单元、无线传输单元和控制单元，其特征在于，所述无线传输单元用于连接管理单元和控制单元；所述控制单元包括监控服务器、模数转换器、数模转换器、低通滤波器和柱箱温度过程装置；所述柱箱温度过程装置的加热元件与数模转换器相连，所述柱箱温度过程装置的温度传感器与所述低通滤波器相连；所述监控服务器用于接收所述模数转换器的数据，并根据基于SMITH预估的PID控制器控制所述柱箱温度过程装置；所述模数转换器和数模转换器用于实现数字量和模拟量的相互转化；所述低通滤波器用于过滤现场的干扰信号。本发明能够优化控制系统的动态和稳态特性。

Description

一种远程工业气相色谱仪柱箱温度监控系统

技术领域

本发明涉及色谱仪技术领域，特别是涉及一种远程工业气相色谱仪柱箱温度监控系统。

背景技术

工业生产流程中检测环节是必不可少的，在石油、化工等生产过程中主要利用气相色谱仪进行成分检测分析。目前的基于气相色谱仪的成分检测分析系统多采用有线方式进行数据传输。有线网络系统移动性差、不灵活、可拓展性差、组网和维护不便利等缺点。随着现在无线网络技术的发展，无线网络的稳定性和实时性都有了很大的改善，其性能足以保证控制系统安全稳定地运行。

气相色谱仪的工作原理的实质是分离，它是以不同物质在由固定相和流动相构成的体系中具有不同的分配系数作为分离依据的。气相色谱仪的工作区域主要包括色谱柱和柱箱，混合物的分离过程在色谱柱内完成。柱箱提供合适的温度来促进混合物中各组分在色谱柱内的分离，柱箱内温度的变化对检测效果的影响较大。温度过程是一个非线性、大滞后过程。目前的色谱仪柱箱温度控制多采用常规PID控制算法，控制效果并不理想，超调量大、调节过程震荡时间较长，抗干扰性能不够理想，系统性能不稳定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种远程工业气相色谱仪柱箱温度监控系统，能够优化控制系统的动态和稳态特性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种远程工业气相色谱仪柱箱温度监控系统，包括管理单元、无线传输单元和控制单元，所述无线传输单元用于连接管理单元和控制单元；所述控制单元包括监控服务器、模数转换器、数模转换器、低通滤波器和柱箱温度过程装置；所述柱箱温度过程装置的加热元件与数模转换器相连，所述柱箱温度过程装置的温度传感器与所述低通滤波器相连；所述监控服务器用于接收所述模数转换器的数据，并根据基于SMITH预估的PID控制器控制所述柱箱温度过程装置；所述模数转换器和数模转换器用于实现数字量和模拟量的相互转化；所述低通滤波器用于过滤现场的干扰信号。

所述无线传输单元包括管理站点、接收节点、控制站点、中继接收节点和中继站点；所述管理站点用于与所述管理单元进行连接；所述接收节点用于实现所述中继站点和管理站点之间的正常通信；所述中继接收节点和中继站点共同组成一组中继器，用于延长网络传输距离；所述控制站点用于与控制单元进行连接。

所述柱箱温度过程装置的频域模型为 $\left\{\begin{array}{c}Y\left(s\right)=G\left(s\right)U\left(s\right)\\ G\left(s\right)=G_p\left(s\right)e^{-58s}\\ G_p\left(s\right)=\frac{1.79}{228s+1}\end{array}\right.,$ 其中，Y(s)为柱箱温度过程装置的温度传感器的输出信号；U(s)为基于SMITH预估的PID控制器的输出控制信号；G(s)为柱箱温度过程的传递函数，e^-58s为柱箱温度过程的纯滞后环节，G_p(s)为柱箱温度过程的传递函数中不含滞后环节的部分，s为对柱箱温度过程模型进行拉普拉斯变换时引入的复变量。

所述低通滤波器采用滑动平均滤波和限幅滤波。

所述基于SMITH预估的PID控制器包括PID控制单元和SMITH预估单元；所述SMITH预估单元预估出柱箱温度过程对扰动的动态响应，并将预估结果作为反馈提早供给所述PID控制单元动作以提前对扰动进行补偿。

所述基于SMITH预估的PID控制器的闭环传递函数为：干扰信号的闭环传递函数为： $\frac{G_p\left(s\right)e^{-\mathrm{\τs}}+G_c\left(s\right)G_p^2\left(s\right)e^{-\mathrm{\τs}}-G_c\left(s\right)G_p^2\left(s\right)e^{-2\mathrm{\τs}}}{1+G_c\left(s\right)G_p\left(s\right)},$ 其中，G_c(s)为PID控制器的传递函数，G_p(s)为柱箱温度过程的传递函数中不含滞后环节的部分，e^-τs为柱箱温度过程中的纯滞后环节。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本发明采用WI-FI网络作为传输介质，布点简单，布网工期短，网络被破坏后易恢复。

本发明采用多层分布式无线网络，可以灵活地扩大或缩小监控范围，方便增减需要的气相色谱仪的数量，同时提高了柱箱温度控制效率。

本发明将SMITH预估控制原理与常规PID控制算法相结合。SMITH预估单元可以预估出柱箱温度过程对扰动的动态响应，并将预估结果作为反馈提早供给控制器动作，以提前对扰动进行补偿，从而改善气相色谱仪柱箱温度控制系统的控制效果。

附图说明

图1是监控系统结构示意图；

图2是气相色谱仪装置结构图；

图3是基于SMITH预估的PID控制器结构框图；

图4是气相色谱仪柱箱温度控制系统结构框图；

图5是气相色谱仪柱箱温度过程跟踪特性图；

图6是气相色谱仪柱箱温度过程抗干扰特性图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种远程工业气相色谱仪柱箱温度监控系统，如图1所示，包括管理单元、无线传输单元和控制单元，所述无线传输单元用于连接管理单元和控制单元。该系统工作流程为：一方面，工控机通过WI-FI模块组成的无线网络访问MMF(监视控制服务器)模块，监测柱箱温度过程实时状态；另一方面，MMF模块根据基于SMITH预估的PID控制算法调整控制器输出，使柱箱温度过程在较小超调的前提下快速达到预先设定的温度稳定值。本发明由硬件系统和植入到MMF模块的软件两部分构成。其中所述的硬件系统由管理单元、无线传输单元和控制单元组成。管理单元为工控机；无线传输单元用于连接管理单元和控制单元，由若干个WI-FI模块组成；控制单元由监控服务器(MMF)、模数转换器(ADI)、数模转换器(DAI)、有源低通滤波器(LPF)和被控柱箱温度过程装置组成。所述的软件部分由软件滤波和基于SMITH预估的PID控制算法组成。

本发明实现对工业现场气相色谱仪柱箱温度的实时监视和控制，同时提出一种针对柱箱温度过程的基于SMITH预估的PID控制算法，优化控制系统的动态和稳态特性。

所述工控机，一方面用于设置所述柱箱温度过程装置的控制目标，另一方面用于监视所述柱箱温度过程装置的实时温度值。

所述无线传输单元包括MST(管理站点)，AP(接收节点),CST(控制站点)，RAP(中继接收节点)，RST(中继站点)。所述的MST用于连接所述的管理单元和所述的无线传输单元。所述的AP用于实现所述RST和所述MST之间的正常通信。所述的RAP和所述的RST共同组成一组中继器，用于延长网络传输距离。所述的CST用于连接所述传输单元和所述的控制单元。

所述的控制单元由监控服务器(MMF)、模数转换器(ADI)、数模转换器(DAI)、有源低通滤波器(LPF)和柱箱温度过程装置组成。所述的MMF一方面用于接收所述的ADI的数据，另一方面依据所述的基于SMITH预估的PID控制算法控制所述柱箱温度过程装置。所述的ADI和所述的DAI用于实现数字量和模拟量的相互转化。所述的LPF用于过滤掉工业现场的干扰信号。

所述气相色谱仪由载气钢瓶、载气流量调节阀、载气流量计、进样器、气化室、固定相色谱柱、恒温箱(柱箱)、加热元件(热风枪)、温度传感器、色谱检测器组成。其结构如图2所示，温度传感器与所述的有源低通滤波器相连，热风枪与所述DAI相连。所述的柱箱温度过程装置通过调节热风枪风速等实现对柱箱内温度的控制。所述气相色谱仪中的进样器为自动定量采样装置。

所述柱箱温度过程装置的频域模型为 $\left\{\begin{array}{c}Y\left(s\right)=G\left(s\right)U\left(s\right)\\ G\left(s\right)=G_p\left(s\right)e^{-58s}\\ G_p\left(s\right)=\frac{1.79}{228s+1}\end{array}\right.,$ 其中，Y(s)为柱箱温度过程装置的温度传感器的输出信号；U(s)为基于SMITH预估的PID控制器的输出控制信号；G(s)为柱箱温度过程的传递函数，e^-58s为柱箱温度过程的纯滞后环节，G_p(s)为柱箱温度过程的传递函数中不含滞后环节的部分，s为对柱箱温度过程模型进行拉普拉斯变换时引入的复变量。

所述低通滤波器采用软件滤波的方式进行滤波，软件滤波采用滑动平均滤波和限幅滤波。

所述的基于SMITH预估的PID控制器包括常规PID控制单元、SMITH预估单元。其结构如图3所示，其中，G_c(s)为常规PID控制器的传递函数，U(s)为PID控制器输出，E(s)为误差，D(s)为加在被控对象(柱箱温度过程)上的干扰信号，G_p(s)为柱箱温度过程的传递函数中不含滞后环节的部分，e^-τs为柱箱温度过程中的纯滞后环节。SMITH预估单元可以预估出柱箱温度过程对扰动的动态响应，并将预估结果作为反馈提早供给控制器动作，以提前对扰动进行补偿，从而提升系统的响应速度和稳定性。

所述的常规PID单元的控制算法是数字PID控制算法中的位置式PID控制算法，控制算法的表达式为：

$u\left(k\right)=K_{p}e\left(k\right)+K_i\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(j\right)+K_d[e\left(k\right)-e(k-1)]$

其中，u(k)为PID控制器的输出，e(k)为误差，k为采样序列号，K_p为比例常数，K_i为积分常数，K_d为微分常数。该PID控制器的传递函数为：

$G_c\left(s\right)=\frac{U\left(s\right)}{E\left(s\right)}=K_p(1+\frac{1}{T_{i}s}+T_{d}s)$

其中，T_i为积分时间常数，T_d为微分时间常数，U(s)为PID控制器输出，E(s)为误差。

所述的SMITH预估补偿环节的目的是消除系统中大滞后环节的延迟，其传递函数为：

G'_p(s)＝G_p(s)(1-e^-τs)

其中，G_p(s)为柱箱温度过程的传递函数中不含滞后环节的部分，e^-τs为柱箱温度过程中的纯滞后环节。

综合所述的SMITH预估补偿环节，气相色谱仪柱箱温度控制系统结构如图4所示。其中，G_c(s)为PID控制器的传递函数，D(s)为加在被控对象(柱箱温度过程)上的干扰信号。加入SMITH预估单元后，整个系统的闭环传递函数为：

$\frac{Y\left(s\right)}{R\left(s\right)}=\frac{G_p\left(s\right)e^{-\mathrm{\τs}}[1+G_c\left(s\right)G_p\left(s\right)(1-e^{-\mathrm{\τs}})]}{1+G_c\left(s\right)G_p\left(s\right)e^{-\mathrm{\τs}}+G_c\left(s\right)G_p\left(s\right)(1-e^{-\mathrm{\τs}})}=\frac{G_c\left(s\right)G_p\left(s\right)e^{-\mathrm{\τs}}}{1+G_c\left(s\right)G_p\left(s\right)}$

干扰信号的闭环传递函数为：

$\frac{Y\left(s\right)}{D\left(s\right)}=\frac{G_p\left(s\right)e^{-\mathrm{\τs}}[1+G_c\left(s\right)G_p\left(s\right)(1-e^{-\mathrm{\τs}})]}{1+G_c\left(s\right)G_p\left(s\right)e^{-\mathrm{\τs}}+G_c\left(s\right)G_p\left(s\right)(1-e^{-\mathrm{\τs}})}=\frac{{G_p\left(s\right)e}^{-\mathrm{\τs}}+G_c\left(s\right)G_p^2\left(s\right)e^{-\mathrm{\τs}}-G_c\left(s\right)G_p^2\left(s\right)e^{-2\mathrm{\τs}}}{1+G_c\left(s\right)G_p\left(s\right)}$

上述两个传递函数的分母多项式(即特征根)中均不再包含纯滞后环节e^-τs，即采用SMITH预估补偿控制方法可以消除纯滞后环节对控制系统品质的影响。

针对该模型，具体实现过程中将基于SMITH预估的PID控制算法与传统PID算法的控制效果做了对比。其中，PID参数整定采用Ziegler-Nichols经验公式法，公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_p=\frac{1.2T}{\mathrm{K\τ}}\\ T_i=2\mathrm{\τ}\\ T_d=0.5\mathrm{\τ}\end{array}\right.,$ 其中，T为过程对象的采样周期，K为过程对象的比例增益，τ为过程对象的滞后参数。

由上述公式得到PID控制器参数取值如下：K_p＝2.635，K_i＝0.0227，K_d＝76.415。为了验证系统对柱箱温度设定值的跟踪特性，初始时刻设定目标温度值为40℃，柱箱温度稳定后在1000s时设定目标温度值为60℃。两种控制算法的跟踪特性如图5所示，可以看出两种算法都可以使系统较快速地达到目标设定值。但是采用基于SMITH预估的PID控制器的系统达到稳态过程中几乎无超调，无震荡，动态性能比传统PID控制器更好。为了验证系统的抗干扰能力，在系统达到稳态后，在1500s时在柱箱温度过程上加一个温度值在±10℃范围内变化的随机扰动。控制器的抗干扰特性如图6所示，可以看出基于SMITH预估的PID控制器在受到干扰后调节过程更加平稳。

Claims (6)

1.一种远程工业气相色谱仪柱箱温度监控系统，包括管理单元、无线传输单元和控制单元，其特征在于，所述无线传输单元用于连接管理单元和控制单元；所述控制单元包括监控服务器、模数转换器、数模转换器、低通滤波器和柱箱温度过程装置；所述柱箱温度过程装置的加热元件与数模转换器相连，所述柱箱温度过程装置的温度传感器与所述低通滤波器相连；所述监控服务器用于接收所述模数转换器的数据，并根据基于SMITH预估的PID控制器控制所述柱箱温度过程装置；所述模数转换器和数模转换器用于实现数字量和模拟量的相互转化；所述低通滤波器用于过滤现场的干扰信号。

2.根据权利要求1所述的远程工业气相色谱仪柱箱温度监控系统，其特征在于，所述无线传输单元包括管理站点、接收节点、控制站点、中继接收节点和中继站点；所述管理站点用于与所述管理单元进行连接；所述接收节点用于实现所述中继站点和管理站点之间的正常通信；所述中继接收节点和中继站点共同组成一组中继器，用于延长网络传输距离；所述控制站点用于与控制单元进行连接。

3.根据权利要求1所述的远程工业气相色谱仪柱箱温度监控系统，其特征在于，所述柱箱温度过程装置的频域模型为 $\left\{\begin{array}{c}Y\left(s\right)=G\left(s\right)U\left(s\right)\\ G\left(s\right)=G_p\left(s\right)e^{-58s}\\ G_p\left(s\right)=\frac{1.79}{228s+1}\end{array}\right.,$ 其中，Y(s)为柱箱温度过程装置的温度传感器的输出信号；U(s)为基于SMITH预估的PID控制器的输出控制信号；G(s)为柱箱温度过程的传递函数，e^-58s为柱箱温度过程的纯滞后环节，G_p(s)为柱箱温度过程的传递函数中不含滞后环节的部分，s为对柱箱温度过程模型进行拉普拉斯变换时引入的复变量。

4.根据权利要求1所述的远程工业气相色谱仪柱箱温度监控系统，其特征在于，所述低通滤波器采用滑动平均滤波和限幅滤波。

5.根据权利要求1所述的远程工业气相色谱仪柱箱温度监控系统，其特征在于，所述基于SMITH预估的PID控制器包括PID控制单元和SMITH预估单元；所述SMITH预估单元预估出柱箱温度过程对扰动的动态响应，并将预估结果作为反馈提早供给所述PID控制单元动作以提前对扰动进行补偿。

6.根据权利要求5所述的远程工业气相色谱仪柱箱温度监控系统，其特征在于，所述基于SMITH预估的PID控制器的闭环传递函数为：干扰信号的闭环传递函数为： $\frac{G_p\left(s\right)e^{-\mathrm{\τs}}+G_c\left(s\right)G_p^2\left(s\right)e^{-\mathrm{\τs}}-G_c\left(s\right)G_p^2\left(s\right)e^{-2\mathrm{\τs}}}{1+G_c\left(s\right)G_p\left(s\right)},$ 其中，G_c(s)为PID控制器的传递函数，G_p(s)为柱箱温度过程的传递函数中不含滞后环节的部分，e^-τs为柱箱温度过程中的纯滞后环节。