CN114011865B - 一种应用于土壤气相抽提设备的多变量解耦控制方法 - Google Patents

一种应用于土壤气相抽提设备的多变量解耦控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于土壤气相抽提设备的多变量解耦控制方法，该方法包括：在PID控制矩阵Gc(s)与过程模型矩阵G(s)之间增加一个解耦矩阵D(s)；通过所述解耦矩阵D(s)将风机转速控制量和阀门开度控制量计算修正分离，下发到设备作动器。该方法可保持现有设备的结构不变，只需要对上位机进行处理，将原本的PID设备产生的控制值通过解耦矩阵计算修正，再下发到设备作动器，这样就可以在不改变设备结构的前提下实现解耦控制，降低PID的调参难度，同时增加系统稳定性和使用寿命。

Description

一种应用于土壤气相抽提设备的多变量解耦控制方法
技术领域
本发明涉及土壤气相抽提的解耦控制技术领域，特别涉及一种应用于土壤气相抽提设备的多变量解耦控制方法。
背景技术
土壤蒸汽抽提，是通过负压将土壤中的气体进行抽取，将可挥发性有机污染物从土壤中分离的技术。抽提出的污染物溶度需要与空气混合后降低污染物浓度，达到安全标准后，才可进行后续处理。经典的PID控制策略是通过两个独立的闭环控制分别控制流量与浓度处于所需要的范围内。实际上，在引入空气混合的这一过程中，不仅会对浓度造成影响，也会对土壤蒸汽抽提的流量产生影响。独立的PID控制中并没有考虑到这一点，所以系统的稳定性、健壮性不足，容易出现振荡，阀门反复开关等不稳定状态。在某些情况下，可能无法达到稳态。
如何合理调整或控制土壤气相抽提装置中风机转速、空气阀门开度，成为了亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于，为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种应用于土壤气相抽提设备的多变量解耦控制方法，该方法可解决现有技术中独立PID控制不稳定、对浓度造成影响的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
本发明实施例提供一种应用于土壤气相抽提设备的多变量解耦控制方法，包括：
S1、在PID控制矩阵Gc(s)与过程模型矩阵G(s)之间增加一个解耦矩阵D(s)；
S2、通过所述解耦矩阵D(s)将风机转速控制量和阀门开度控制量计算修正分离，下发到设备作动器。
进一步地，步骤S1中过程模型矩阵G(s)为：
Figure BDA0003339504590000021
其中，G11(s)表示管道内的流量传递函数，输入为风机的电机频率，输出为抽提井内的气体流量；G22(s)表示管道内污染物气体浓度的传递函数，输入为空气阀门开度，输出为混合后气体浓度；G12(s)表示抽提井流量对气体浓度的影响；G21(s)表示阀门开度对抽提井流量的影响。
进一步地，所述解耦矩阵D(s)为：
Figure BDA0003339504590000022
其中，D12(s)和D21(s)为两个传递函数；D12(s)表示目标浓度控制器PIDGc2的输出对目标流量控制器PIDGc1输出的修正；D21(s)表示目标流量控制器PIDGc1对目标浓度控制器PIDGc2输出的修正。
进一步地，所述解耦矩阵D(s)中D12(s)和D21(s)通过如下公式计算得到：
Figure BDA0003339504590000023
Figure BDA0003339504590000024
根据D12(s)和D21(s)两个传递函数，修正控制矩阵Gc(s)。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明实施例提供的一种应用于土壤气相抽提设备的多变量解耦控制方法，在PID控制矩阵Gc(s)与过程模型矩阵G(s)之间增加一个解耦矩阵D(s)；通过所述解耦矩阵D(s)将风机转速控制量和阀门开度控制量计算修正分离，下发到设备作动器。该方法可保持现有设备的结构不变，只需要对上位机进行处理，将原本的PID设备产生的控制值通过解耦矩阵计算修正，再下发到设备作动器，这样就可以在不改变设备结构的前提下实现解耦控制，降低PID的调参难度，同时增加系统稳定性和使用寿命。
而传统的PID控制由于存在耦合，参数整定困难，运行中容易出现相波动和不稳定的情况，反复开关的阀门与泵也会减少它们的使用寿命。比传统的PID独立控制，本方法考虑各环节之间的耦合，通过前馈矩阵实现解耦，控制目标可以实现独立控制，更容易整定参数，拥有更好的稳定性和抗干扰性。具体地，在PID的基础上设计解耦控制器，将浓度与流量的控制解耦独立，降低PID调参难度，增加系统的可控性、稳定性、健壮性，优化控制效果，增加运行平稳度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的应用于土壤气相抽提设备的多变量解耦控制方法流程图。
图2为相关技术中土壤抽提气体与新鲜空气混合的工艺流程图。
图3为本发明实施例提供的应用于土壤气相抽提设备的多变量解耦控制改进的工艺原理图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明涉及土壤气相抽取工艺流程，在土壤气相抽提装置的工艺流程中，风机是整个系统的动力装置，为抽提系统提供负压。空气阀是为了防止污染物浓度过高造成危险，引入新鲜空气进行稀释。耦合主要是这两个部件之间发生。对于风机，控制流量，尽可能高效地抽提气体，风机转速越高，负压越大，流量越大。对于新鲜空气阀门，控制污染物浓度。打开阀门的同时会使设备的负压减少，造成抽提流量减少。
传统控制在根据流量和浓度反馈，分别设置PID控制器控制风机转速和阀门开度。为了解决耦合的问题，参照图1所示，本发明实施例提供一种应用于土壤气相抽提设备的多变量解耦控制方法，包括：
S1、在PID控制矩阵Gc(s)与过程模型矩阵G(s)之间增加一个解耦矩阵D(s)；
S2、通过所述解耦矩阵D(s)将风机转速控制量和阀门开度控制量计算修正分离，下发到设备作动器。
本实施例中，可以在PID控制矩阵Gc(s)与过程模型矩阵G(s)之间增加一个解耦矩阵D(s)。通过解耦矩阵D(s)将风机转速控制量和阀门开度控制量两个变量分离。
对于过程模型矩阵G(s)，可以将其拆分成4个传递函数，写成如下形式：
Figure BDA0003339504590000051
其中，G11(s)表示管道内的流量传递函数，输入为风机的电机频率，输出为抽提井内的气体流量；G22(s)表示管道内污染物气体浓度的传递函数，输入为空气阀门开度，输出为混合后气体浓度；G12(s)表示抽提井流量对气体浓度的影响；G21(s)表示阀门开度对抽提井流量的影响。
前馈补偿解耦矩阵D(s)可以写成如下形式：
Figure BDA0003339504590000052
其中，D12(s)和D21(s)为两个传递函数；D12(s)表示目标浓度控制器PIDGc2的输出对目标流量控制器PIDGc1输出的修正；D21(s)表示目标流量控制器PIDGc1对目标浓度控制器PIDGc2输出的修正；经过这两个传递函数的处理，实现对目标的解耦。
解耦矩阵D(s)中D12(s)和D21(s)通过如下公式计算得到：
Figure BDA0003339504590000053
Figure BDA0003339504590000054
根据D12(s)和D21(s)两个传递函数，修正控制矩阵Gc(s)。
通过解耦控制加入前馈矩阵修正控制矩阵，可以有效地解决耦合带来的问题。在实际应用中，解耦矩阵和控制矩阵都可以在计算机中实现，只将计算结果发送到控制器上。这样可以实现在不对硬件设备进行大的更改的前提下，完成系统的升级，有良好的适应性。
下面通过具体实施例来详细说明本发明的技术方案：
(1)如图2所示，为相关技术中土壤抽提气体与新鲜空气混合的工艺流程。土壤抽提气体与新鲜空气混合，降低污染物浓度，防止爆炸。经过液滴分离器去除液体，防止堵塞管道与干扰风机运转、及堵塞气相吸收塔。换热器使气体降温，低温更有利于气相吸收塔的活性炭的吸收。液滴分离器的积存液体，通过液体泵泵出，经过液相吸收塔吸收后排出存储，等待其他处理环节。
(2)如图3所示，抽提井的流量和空气流量会同时影响总流量与混合后气体浓度，将传递矩阵G(s)可以化简为G11(s),G12(s),G21(s),G22(s)；在PID的控制矩阵目标流量控制器PIDGc1与目标浓度控制器PIDGc2后，增加修正前馈补偿矩阵D12(s)，D21(s)可以实现解耦控制。
其中，G11(s)表示管道内的流量传递函数，输入为风机的电机频率，输出为抽提井内的气体流量；G22(s)表示管道内污染物气体浓度的传递函数，输入为空气阀门开度，输出为混合后气体浓度；G12(s)表示抽提井流量对气体浓度的影响；G21(s)表示阀门开度对抽提井流量的影响。D12(s)和D21(s)是两个传递函数，D12(s)表示目标浓度控制器PIDGc2的输出对目标流量控制器PIDGc1输出的修正；D21(s)表示目标流量控制器PIDGc1对目标浓度控制器PIDGc2输出的修正，经过这两个传递函数的处理，实现对目标的解耦。PIDGc1与PIDGc2是两个PID控制器。图3中虚框内为上位机部分，虚框外为实体设备部分。
系统有两个控制目标，一个是目标管道流量，一个是目标管道内气体浓度。通过控制算法使得这两者保持在一个稳定的目标值附近。通过流量传感器G4和浓度传感器G5采集获取当前的流量与浓度的数值，与目标值做差，将差值作通过PID控制器计算的到对应的控制值。由于实体设备间这两个值存在耦合，即传递函数D12(s)和D21(s)的相互作用，所以需要对控制器的输出进行解耦修正，解耦矩阵D(s)包含D12(s)和D21(s)两个传递函数。
该系统为二阶系统，其传递函数矩阵G可写作如下形式:
Figure BDA0003339504590000071
G11(s)表示管道内的流量传递函数，G12(s)表示抽提井流量对气体浓度的影响，G21(s)表示阀门开度对抽提井流量的影响，根据实验曲线这三个传递函数均可以近似为一个二阶传递函数。G22(s)表示管道内污染物气体浓度的传递函数，可以近似为一阶传递函数。w1,w2,w3,w4可以表示的是传递函数的过程时间常数，为达到稳态值的95％所用的时间，单位秒(s)，k1,k2,k3表示的是过程的增益系数，为输入与输出的比值。该数值均可以通过实验与仿真测量的响应曲线得到。
带入后可以求得解耦矩阵D；
Figure BDA0003339504590000072
本发明实施例提供的一种应用于土壤气相抽提设备的多变量解耦控制方法，可保持现有设备的结构不变，只需要通过软件形式对上位机进行程序处理，将原本的PID设备产生的控制值通过解耦矩阵计算修正，再下发到设备作动器，将浓度与流量的控制解耦独立，降低PID的调参难度，同时增加系统可控性、稳定性、健壮性，优化控制效果，增加运行平稳度。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种应用于土壤气相抽提设备的多变量解耦控制方法，其特征在于，包括：
S1、在PID控制矩阵Gc(s)与过程模型矩阵G(s)之间增加一个解耦矩阵D(s)；
S2、通过所述解耦矩阵D(s)将风机转速控制量和阀门开度控制量计算修正分离，下发到设备作动器；
步骤S1中过程模型矩阵G(s)为：
Figure FDA0003652813020000011
其中，G11(s)表示管道内的流量传递函数，输入为风机的电机频率，输出为抽提井内的气体流量；G22(s)表示管道内污染物气体浓度的传递函数，输入为空气阀门开度，输出为混合后气体浓度；G12(s)表示抽提井流量对气体浓度的影响；G21(s)表示阀门开度对抽提井流量的影响；
步骤S2中所述解耦矩阵D(s)为：
Figure FDA0003652813020000012
其中，D12(s)和D21(s)为两个传递函数；D12(s)表示目标浓度控制器PIDGc2的输出对目标流量控制器PIDGc1输出的修正；D21(s)表示目标流量控制器PIDGc1对目标浓度控制器PIDGc2输出的修正。
2.根据权利要求1所述的一种应用于土壤气相抽提设备的多变量解耦控制方法，其特征在于，所述解耦矩阵D(s)中D12(s)和D21(s)通过如下公式计算得到：
Figure FDA0003652813020000021
Figure FDA0003652813020000022
根据D12(s)和D21(s)两个传递函数，修正控制矩阵Gc(s)。
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