CN105843220B - 能够获得非最小相位特性的工业过程控制实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

能够获得非最小相位特性的工业过程控制实验装置及方法，属于工业自动化和过程控制技术的实验和教学领域。由被控对象单元和计算机控制单元组成；被控对象单元由第一电机调速装置、第一鼓风机、第二电机调速装置、第二鼓风机、第一电动执行机构、第一调节挡板、第二电动执行机构、第二调节挡板、空气加热器、三通、空气温度计和空气流量计组成；计算机控制单元，为PLC/DCS控制系统；以第二电机调速装置的频率或者第二调节挡板开度为控制量，以常温气流流量为被控变量，设计单回路控制器；以第一电机调速装置频率或者第一调节挡板开度为控制量，以中温气流温度为被控变量，从而构成非最小相位被控对象；设计适合非最小相位被控对象的控制器。

Description

能够获得非最小相位特性的工业过程控制实验装置及方法

技术领域

本发明属于工业自动化和过程控制技术的研究、实验和教学领域，具体涉及一种能够获得非最小相位特性的工业过程控制实验装置及方法。

背景技术

非最小相位系统是一种具有相当控制难度的被控对象。在数学意义上，这类系统的特点为零动态不稳定，或者称为逆不稳定，当限制这类系统为线性系统时，其特点表现为具有不稳定的开环零点。在物理意义上，非最小相位的被控对象往往表现出一种特殊而有趣的反向特性，也就是说，当被控对象的控制输入端输入一个单位阶跃信号时，其输出端的被控变量在起始阶段会向着与稳态响应方向相反的方向变化，持续一段时间之后，输出端的被控变量才向最终的方向变化，并逐渐逼近其稳态数值。这种特性称为非最小相位特性。通常来讲，实现跟踪或者调解功能的自动控制系统(如PID控制器)大多是基于设定值与被控变量之间的误差信号，但这种非最小相位特性却给基于误差信号的控制器送去错误的信号，因此，常规的控制器往往难以实现非最小相位系统的自动控制。在工业自动化、过程控制、自适应控制的教学中，非最小相位系统也是控制难点之一。

然而，在工业界虽然存在一些具有非最小相位特性的被控对象，比如锅炉汽包等，但由于危险性因素和成本因素等原因，难以放在实验室环境下作为实验研究和教学之用。目前，由于很难在实验室环境下进行物理的非最小相位特性的实验研究，通常只能开展基于数学模型的仿真实验，学生缺乏直观认识，影响教学效果。

发明内容

针对现有各种自动化实验装置和过程控制实验装置缺乏物理的带有非最小相位特性的被控对象的问题，本发明提供一种能够获得非最小相位特性的工业过程控制实验装置及方法。

本发明的技术方案：

一种能够获得非最小相位特性的工业过程控制实验装置，由被控对象单元和计算机控制单元组成；

所述被控对象单元，由第一电机调速装置、第一鼓风机、第二电机调速装置、第二鼓风机、第一电动执行机构、第一调节挡板、第二电动执行机构、第二调节挡板、空气加热器、具有两个进口一个出口的三通、空气温度计和空气流量计组成；所述第一鼓风机的控制端连接第一电机调速装置的输出端；所述第一鼓风机的入口装有所述第一调节挡板，第一鼓风机的出口连接所述空气加热器的入口；所述空气加热器的出口连接所述三通的一个进口；所述第一调节挡板的控制端连接第一电动执行机构的输出端；所述第二鼓风机的控制端连接第二电机调速装置的输出端；所述第二鼓风机的入口装有所述第二调节挡板，第二鼓风机的出口连接所述三通的另一个进口；所述三通的出口联通大气；所述第二调节挡板的控制端连接第二电动执行机构的输出端；所述空气温度计安装在所述三通的出口处；所述空气流量计安装在所述第二鼓风机的出口处；

所述计算机控制单元，为PLC/DCS控制系统；所述空气温度计和空气流量计的输出端均连接计算机控制单元的输入端；所述被控对象单元中的第一电动执行机构的输入端、第二电动执行机构的输入端、第一电机调速装置的输入端和第二电机调速装置的输入端均连接计算机控制单元的输出端。

采用所述能够获得非最小相位特性的工业过程控制实验装置获得被控对象的非最小相位特性的方法，包括如下步骤：

步骤1：以第二电机调速装置的频率或者第二调节挡板开度为控制量，以第二鼓风机出口处的常温气流流量为被控变量，在控制单元中设计单回路控制器，构成单回路闭环控制；

步骤2：以第一电机调速装置频率或者第一调节挡板开度为控制量，以三通出口处中温气流的温度为被控变量，从而构成非最小相位被控对象；

步骤3：在控制单元中设计适合非最小相位被控对象的控制器；

步骤4：启动第一鼓风机、第二鼓风机、空气加热器，手动调整相关电机调速装置的频率、通过电动执行机构改变相关调节挡板的开度或者调整空气加热器加热强度，使得被控对象进入预设的稳态工作点；

步骤5：将步骤1中所述的单回路控制器投入自动控制以保证常温气流流量恒定；

步骤6：整定步骤3所述控制器的参数，完成非最小相位过程控制实验。

本发明的有益效果：本发明将工业过程中的气流输送、气流加热和气流混合结合起来，在特定的实验条件下，构建了具有工业意义的具有非最小相位特性的工业过程控制实验装置，该装置可以用来进行非最小相位特性被控对象的过程辨识实验、回路控制实验，有助于加深实验者和学生对非最小相位、工业自动化和过程控制的相关理念的理解，同时也提供了工业化的非最小相位系统实验平台；实验装置的运行不涉及原材料和产品，无污染排放，运行成本只有电费；不涉及高温高压，实验安全性有良好保证。

附图说明

图1本发明一种实施方式的能够获得非最小相位特性的工业过程控制实验装置的结构示意图。

图2本发明一种实施方式获得非最小相位特性的被控对象控制量和被控变量及常温气流流量控制回路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种实施方式作详细说明。

本实施方式的能够获得非最小相位特性的工业过程控制实验装置，如图1所示，由被控对象单元和计算机控制单元组成；

本实施方式的被控对象单元，如图1所示，由第一电机调速装置、第一鼓风机、第二电机调速装置、第一电动执行机构、第一调节挡板、第二电动执行机构、第二调节挡板、空气加热器、具有两个进口一个出口的三通、空气温度计和空气流量计组成；所述第一鼓风机的控制端连接第一电机调速装置的输出端；所述第一鼓风机的入口装有所述第一调节挡板，第一鼓风机的出口通过第一段金属管道连接所述空气加热器的入口；所述空气加热器的出口通过第二段金属管道连接所述三通的一个进口，即第一路空气流从第一调节挡板进入后经过第一鼓风机、空气加热器和两段金属管道后进入三通；所述第一调节挡板的控制端连接第一电动执行机构的输出端；所述第二鼓风机的控制端连接第二电机调速装置的输出端；所述第二鼓风机的入口装有所述第二调节挡板，第二鼓风机的出口通过第三段金属管道连接所述三通的另一个进口，即第二路空气流从第二调节挡板进入后经过第二鼓风机和一段金属管道后进入三通；即所述三通的两路入口分别连接第一鼓风机的出口和第二鼓风机的出口；所述三通的出口通过第四段金属管道联通大气；所述第二调节挡板的控制端连接第二电动执行机构的输出端。所述空气温度计安装在所述三通的出口处，用于在线测量中温气流的温度，并将温度检测值传送至计算机控制单元。所述空气流量计安装在所述第二鼓风机的出口处，用于测量常温气流的流量，并将流量检测值传送至计算机控制单元。所述第一电动执行机构和第二电动执行机构均是根据来自计算机控制单元的模拟量指令对对应的第一调节挡板和第二调节挡板开度进行调控。

本实施方式中的第一电机调速装置和第二电机调速装置采用的是型号为型号为ACS355-03E-03A3-4(380V/1.1kW)的ABB变频器。本实施方式中的第一鼓风机和第二鼓风机均选用型号为YE2-80M1-2的小功率鼓风机，具体规格参数为：风压为840～760Pa；风量为2100～2300m³/h；供电为380VAC；功率为0.75kw；转速为2850r/min；材质为不锈钢。本实施方式中的第一电动执行机构和第二电动执行机构的具体规格参数为：输出4～20mA；供电为380VAC，带一对球形铰链。本实施方式中采用的是型号为SD-06XX的空气加热器，具体规格参数为：空气压力范围为0～840Pa；空气流量范围为0～2000～800m³/h(变频)；总功率为6KW，外形尺寸为600*450*300(长*宽*高)。管道和三通均采用的是DN100的不锈钢材质。本实施方式的空气流量计采用的是型号为V100-05-V-R-C2NSL-PSW-89/4的威力巴流量计配型号为EJA110A-GMS4A-92DA的差压变送器。威力巴流量计的具体规格参数为：介质为空气；压力为760～840Pa；温度为0～50℃；流量范围为100～2300m3/h；管径为DN80；通用螺纹连接型，含05号探头，V指管道为垂直方向，R接头，带不锈钢针阀。本实施方式空气温度计采用的是型号为WZP-2316-B3P2M-300A150-AM27的温度变送器，具体规格参数为：介质为空气；测量范围危机0～100℃；压力为840Pa；防水接线盒IP65；分度号为Pt100；精度为B级；保护管材质为0Cr18Ni9；保护管直径为￠16；安装方式：外螺纹M27X2；全长X插入深度：300X150mm；带直形连接头H＝80mm；输出：4～20mA。

本实施方式的被控对象单元的工作过程为，第一鼓风机和第二鼓风机分别对来自大气的两路空气流提供动力输入被控对象。对于进入第一鼓风机的第一路空气流，第一调节挡板给这路空气流提供阻力。对于进入第二鼓风机的第二路空气流，第二调节挡板给这路空气流提供阻力。通过第一电机调速装置改变第一鼓风机的转速或者/和通过第一电动执行机构改变第一调节挡板的开度都可以调节第一路空气流的流量。通过第二电机调速装置改变第二鼓风机的转速和/或者通过第二电动执行机构改变第二调节挡板的开度都可以调节第二路空气流的流量。其中经过第一鼓风机的第一路空气流经空气加热器加热后变成高温气流，经过第二鼓风机的第二路空气流为常温气流。这两路空气流经过三通混合后，成为中温气流。中温气流的流量为高温气流和常温气流的流量之和，中温气流的温度介于高温气流的温度和常温气流的温度之间。中温气流在第四段金属管道中运行一定距离后排至大气。

所述计算机控制单元，可以选用各种品牌和各种型号的PLC/DCS控制系统，也可以选用各种品牌的工控机系统。例如采用Siemens S7-300系列PLC控制系统设备，硬件模块主要由电源模块、CPU模块、IO模块、通讯模块等组成；软件采用STEP 7软件包和WinCC组态软件；在S7-300中进行编写逻辑控制和回路控制程序，在WinCC组态软件中开发并操作本发明的计算机监控界面，包括流程界面、逻辑控制界面、回路控制界面及相应的趋势图、报警界面、系统管理界面等。本实施方式的空气温度计和空气流量计的输出端均连接计算机控制单元的输入端；所述被控对象单元中的第一电动执行机构的输入端、第二电动执行机构的输入端、第一电机调速装置的输入端和第二电机调速装置的输入端均连接计算机控制单元的输出端。计算机控制单元用于从空气温度计接收中温气流的温度检测信号；向第一电动执行机构发送第一调节挡板开度指令；向第一电机调速装置发出第一鼓风机的电机转速指令；向第二电动执行机构发送第二调节挡板开度指令；向第二电机调速装置发出第二鼓风机的电机转速指令；计算机控制单元还可以完成被控对象单元中所有设备的启停控制。

被控对象单元和计算机控制单元按照常规方式进行系统供电和配电。

采用本实施方式的能够获得非最小相位特性的工业过程控制实验装置即可获得被控对象的非最小相位特性：首先将被控对象单元上电运行：启动第一鼓风机和第二鼓风机，将第一鼓风机入口处的第一调节挡板置于半开或全开的位置，第一鼓风机和第二鼓风机均运行于一定的转速下，两路气流在三通处正常混合；启动空气加热器，并保持空气加热器的功率不变，对经过第一鼓风机的这路空气提供恒定的加热强度。然后保持流经第二鼓风机的常温气流的流量恒定：在计算机控制单元中构建如图2所示的单回路控制器PI控制器，以空气流量计所测的常温空气流量为被控变量，以第二鼓风机转速或者第二调节挡板开度为控制变量，投入自动控制模式，使得流经第二鼓风机的常温气流的流量保持不变。最后选择空气温度计所测的中温气流温度检测值作为实验装置被控对象的被控输出变量，选择第一电机调速装置频率或者第一调节挡板开度为实验装置被控对象的控制变量。这时，实验装置被控对象的控制变量和被控输出变量之间就表现出非最小相位特性。也就是说，当第一电机调速装置频率或者第一调节挡板开度发生阶跃变化时，中温气流温度将先向相反方向变化，保持一段时间之后再向最终的方向逐步逼近。其原理如下：假设被控对象单元工作于某一正常工作点上，常温气流流量控制回路投入自动，保证了常温气流流量恒定。此时若降低第一鼓风机的转速，则高温气流的流量减少，常温气流的流量不变，将导致混合后的中温气流温度降低。但是，由于空气加热器的加热功率不变，高温气流的流量减少的后果是会使得高温气流的温度缓慢升高，从总体的热平衡来看，输入系统的加热功率不变，被加热的总的气流量减少，因而最终的混合后的气流温度是会高于起始温度的。所以，在被控对象的输出端，将观察到中温气流温度先下降，过一段时间再上升，而且将升至比初始温度更高的温度并进入稳态。这就是所谓的非最小相位系统的反向特性。

Claims (2)

1.一种能够获得非最小相位特性的工业过程控制实验装置，其特征在于：该装置由被控对象单元和计算机控制单元组成；

所述被控对象单元，由第一电机调速装置、第一鼓风机、第二电机调速装置、第二鼓风机、第一电动执行机构、第一调节挡板、第二电动执行机构、第二调节挡板、空气加热器、具有两个进口一个出口的三通、空气温度计和空气流量计组成；所述第一鼓风机的控制端连接第一电机调速装置的输出端；所述第一鼓风机的入口装有所述第一调节挡板，第一鼓风机的出口连接所述空气加热器的入口；所述空气加热器的出口连接所述三通的一个进口；所述第一调节挡板的控制端连接第一电动执行机构的输出端；所述第二鼓风机的控制端连接第二电机调速装置的输出端；所述第二鼓风机的入口装有所述第二调节挡板，第二鼓风机的出口连接所述三通的另一个进口；所述三通的出口联通大气；所述第二调节挡板的控制端连接第二电动执行机构的输出端；所述空气温度计安装在所述三通的出口处；所述空气流量计安装在所述第二鼓风机的出口处；

所述计算机控制单元，为PLC/DCS控制系统；所述空气温度计和空气流量计的输出端均连接计算机控制单元的输入端；所述被控对象单元中的第一电动执行机构的输入端、第二电动执行机构的输入端、第一电机调速装置的输入端和第二电机调速装置的输入端均连接计算机控制单元的输出端。

2.采用权利要求1所述的能够获得非最小相位特性的工业过程控制实验装置获得被控对象的非最小相位特性的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：以第二电机调速装置的频率或者第二调节挡板开度为控制量，以第二鼓风机出口处的常温气流流量为被控变量，在控制单元中设计单回路控制器，构成单回路闭环控制；

步骤2：以第一电机调速装置频率或者第一调节挡板开度为控制量，以三通出口处中温气流的温度为被控变量，从而构成非最小相位被控对象；

步骤3：在控制单元中设计适合非最小相位被控对象的控制器；

步骤4：启动第一鼓风机、第二鼓风机、空气加热器，手动调整相关电机调速装置的频率、通过电动执行机构改变相关调节挡板的开度或者调整空气加热器加热强度，使得被控对象进入预设的稳态工作点；

步骤5：将步骤1中所述的单回路控制器投入自动控制以保证常温气流流量恒定；

步骤6：整定步骤3所述控制器的参数，完成非最小相位过程控制实验。