CN114785232A - 一种基于变速积分pid控制气体混合装置电机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于变速积分PID控制气体混合装置电机的方法，属于自动化领域。该方法包括以下步骤：S1：建立系统模型；S2：将系统模型应用在控制气体混合装置的PID控制系统。简单PID调节虽然结构简单，但由于全量输出，所以每次输出均与过去状态有关，计算时要对进行累加，工作量大；并且，因为计算机输出的对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，输出的将大幅度变化，会引起执行机构的大幅度变化，有可能因此造成严重的生产事故。

Description

一种基于变速积分PID控制气体混合装置电机的方法

技术领域

本发明属于自动化领域，涉及一种基于变速积分PID控制气体混合装置电机的方法。

背景技术

在瓦斯利用和化工合成等相关领域，经常需要将两种高低不同浓度值的气体进行充分混合，等到工艺要求的浓度稳定的混合气体。

现有的混合技术方案大多停留在手动控制阶段，某些自动控制也仅仅采用简单PID控制算法，仅对流量或浓度一个回路进行进行控制。

简单PID调节虽然结构简单，但由于全量输出，所以每次输出均与过去状态有关，计算时要对进行累加，工作量大；并且，因为计算机输出的对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，输出的将大幅度变化，会引起执行机构的大幅度变化，有可能因此造成严重的生产事故。

传统的单回路调节，一般仅能对气体的浓度或者流量一个参数进行调节，如果优先满足了浓度，那么就无法实现对流量的调节。

本发明能解决传统调节方案中出现的调节过程中浓度或流量的突变，实现精确的调节，并且实现流量和浓度的同时调节控制。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于变速积分PID控制气体混合装置电机的方法，以解决传统简单PID调节控制遇到流量和浓度突变时，无法快速精确调节的技术难题；同时解决传统单回路控制仅仅对流量或浓度的单一调节控制，实现对浓度和流量同时进行高精度智能调节控制。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于变速积分PID控制气体混合装置电机的方法，该方法包括以下步骤：

S1：建立系统模型；

S2：将系统模型应用在控制气体混合装置的PID控制系统。

可选的，所述S1具体为：

S11：电机的定子电压方程为：

式中U_A、U_B和U_C为电机的定子电压，i_A、i_B和i_C为电机的定子电流，ψ_A、ψ_B和ψ_C为电机的定子绕组磁链，r₁为电机的定子绕组电阻，P₁为电阻对时间的微分算子；

S12：转子电压方程为：

U_a、U_b和U_c为电机的转子电压，i_a、i_b和i_c为电机的转子电流，ψ_a、ψ_b和ψ_c为电机的转子绕组磁链，r₂为电机的转子绕组，P₁为电阻对时间的微分算子；

S13：异步机的磁链方程为：

S14：电动机旋转运动方程为：

稳态时简化为：

其中，C＝L_n/L_m，L_r为定子自感，L_m为定子和转子之间的互感，p为极对数，ω₁为定子供电电源角频率，U₁为定子相电压有效值，s为转差率，r₁和L₁₁为定子电阻和漏抗，r₂和L₂₁为折算到定子的转子电阻和漏感，L_n为折算到定子的转子自感，ψ₂₃和L₂₃为转子三相合成的磁链和电流矢量幅，θ₂₂为ψ₂₃和I₂₃的相位差，I_T23为ψ₂₃和I₂₃垂直方向上的分量，I_T23为定子三相合成矢量电流I₁₃在ψ₂₃垂直方向上的分量；

S15：汇总定、转子电压方程和磁链方程，再加上电机的运动方程，得到基本微分方程表示的交流电机数学模型如下：

交流电机小信号时的近似传递函数为：

其中

负载在电机轴上的有效转动惯量与减速比的平方成反比，即

N＝10故负载忽略不计，只对电机进行数学建模；根据电机所选型号及主要参数得电机的传递函数：

可选的，所述S2具体为：

控制规律为：

其中e(t)＝r(t)-y(t)，t为采样序号；

根据Ziegler-Nichols整定经验公式，取K_p＝9，T_I＝1400，T_D＝105.5；使用变速积分PID，根据偏差的变化，调整加入的积分作用，既能减少超调量，又能使控制性能得到较大的改善。

可选的，所述变速积分PID具体为：

改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应：偏差越大，积分越慢，反之则越快；为此，设置系数f(e(k))，它是e(k)的函数；当e(k)的绝对值增大时，f减小，反之增大；变速积分的PID积分项表达式为：

系数f与偏差当前值|e(k)|的关系是线性的或非线性的，设为：

f值在[0，1]区间内变化，当|e(k)|差大于所给分离区间A+B后，f＝0，不再对当前值e(k)进行继续累加；当偏差|e(k)|小于B时，加入当前值e(k)，即积分项变为

积分动作达到最高速；而当偏差|e(k)|在B与A+B之间时，则累加计入的是部分当前值，其值在0～|e(k)|之间随|e(k)|的大小而变化，其积分速度在

和

之间；变速积分PID算法为：

本发明的有益效果在于：

.现有的混合技术方案大多停留在手动控制阶段，某些自动控制也仅仅采用简单PID控制算法，仅对流量或浓度一个回路进行进行控制。

简单PID调节虽然结构简单，但由于全量输出，所以每次输出均与过去状态有关，计算时要对进行累加，工作量大；并且，因为计算机输出的对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，输出的将大幅度变化，会引起执行机构的大幅度变化，有可能因此造成严重的生产事故。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为气体混合装置控制系统框图；

图2为交流电动机的动态结构图；

图3为交流电动机速度响应曲线；

图4为PID控制系统原理图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图4所示，为一种基于变速积分PID控制气体混合装置电机的方法。在普通的PID控制算法中，由于积分系数是常数，所以在整个控制过程中，积分增量不变。而系统对积分项的要求是，系统偏差大时积分作用应减弱甚至全无，而在偏差小时则应加强。积分系数取大了会产生超调，甚至积分饱和，取小了又迟迟不能消除静差。因此，如何根据系统偏差大小改变积分的速度，对于提高系统品质是很重要的。变速积分PID可较好地解决这一问题。

变速积分PID的基本思想是设法改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应：偏差越大，积分越慢，反之则越快。为此，设置系数f(e(k))，它是e(k)的函数。当e(k)的绝对值增大时，f减小，反之增大。变速积分的PID积分项表达式为：

系数f与偏差当前值|e(k)|的关系可以是线性的或非线性的，设为：

f值在[0,l]区间内变化，当|e(k)|差大于所给分离区间A+B后，f＝0,不再对当前值e(k)进行继续累加；当偏差|e(k)|小于B时，加入当前值e(k)，即积分项变为

与一般PID积分项相同，积分动作达到最高速；而当偏差|e(k)|在B与A+B之间时，则累加计入的是部分当前值，其值在0～|e(k)|之间随|e(k)|的大小而变化，因此其积分速度在

和

之间。变速积分PID算法为：

气体混合装置用于煤矿采集气体处理系统中，对气体混合装置电机的快速启动控制能否有效是混合气体的关键，要求在3s的时间内达到设定的最高速度。因此，气体混合装置电机的启动应满足快速性、高精度、高自动化的要求。目前，气体混合装置电机仍采用传统的自然启动方法和加入普通PID(Proportion Integration Differentiation)进行启动控制。传统的启动方法时间比较长，普通的PID控制器难于协调快速性和稳定性之间的矛盾，在相当多的情况下，两者都不能取得令人满意的效果。近年来，电机快速启动的设计吸收新的控制思想，利用计算机的优势形成了模糊PID、自适应PID、神经网络PID、积分分离PID等多种控制器，取得了较为满意的效果。针对气体混合装置惯性大的特点，将变速积分PID引入到鞍钢3号连铸机的气体混合装置控制系统中，并进行了现场测试，结果表明，变速积分PID能够克服气体混合装置在快速启动时易产生较大超调量的问题。并用MATLAB对算法进行了仿真验证。

1控制系统结构及性能要求

气体混合装置启动控制系统主要由触摸屏、可编程逻辑控制器(ProgrammableLogic Controller，PLC)(S7-300型)和监测装置三大部分组成。系统组成框图如图1所示。

可编程逻辑控制器是整个控制系统的核心控制单元，PLC直接与现场各类设备相连接，对所连接的设备实施监测与控制，它一方面接收光电编码器传来的检测信号，另一方面将寄存器中的数据上传至触摸屏，触摸屏显示PLC提供的数据信息，并向PLC发送指令控制程序运行，完成控制功能。其中，变频器与PLC采用USS(United States Standard)协议对电机的运行状态进行控制和监视。图1中要求电动机能在3s内由静止快速达到700n/min方可达到要求。

2系统模型的建立

1)电机的定子电压方程为：

式中U_A、U_B和U_C为电机的定子电压，i_A、i_B和i_C为电机的定子电流，ψ_A、ψ_B和ψ_C为电机的定子绕组磁链，r₁为电机的定子绕组电阻，P₁为电阻对时间的微分算子。

2)转子电压方程为：

U_a、U_b和U_c为电机的转子电压，i_a、i_b和i_c为电机的转子电流，ψ_a、ψ_b和ψ_c为电机的转子绕组磁链，r₂为电机的转子绕组，P₁为电阻对时间的微分算子。

3)异步机的磁链方程为：

4)电动机旋转运动方程为：

稳态时可简化为：

其中，C＝L_n/L_m，L_r为定子自感，L_m为定子和转子之间的互感，p为极对数，ω₁为定子供电电源角频率，U₁为定子相电压有效值，s为转差率，r₁和L_1l为定子电阻和漏抗，r₂和L_2l为折算到定子的转子电阻和漏感，L_n为折算到定子的转子自感，ψ₂₃和L₂₃为转子三相合成的磁链和电流矢量幅，θ₂₂为ψ₂₃和I₂₃的相位差，I_T23为ψ₂₃和I₂₃垂直方向上的分量，I_T23为定子三相合成矢量电流I₁₃在ψ₂₃垂直方向上的分量。

5)汇总定、转子电压方程和磁链方程，再加上电机的运动方程，可以得到基本微分方程表示的交流电机数学模型如下：

由上式以及气体混合装置的实际状态得出交流电机动态结构图如图2所示。

交流电机小信号时的近似传递函数为：

其中

负载在电机轴上的有效转动惯量与减速比的平方成反比，即

N＝10故负载可以忽略不计，只对电机进行数学建模。根据电机所选型号及主要参数可得电机的传递函数：

根据图3速度响应曲线可以得到传统的电机自然启动速度平稳，操纵控制方便，维护简单，但系统存在着静差，同时启动时间太长。

3 PID控制系统

根据图3速度响应曲线可以得出电机的自然启动不能满足电机快速启动的要求，在控制系统中最常用的算法是PID控制。常规的PID控制系统由PID控制器和被控对象组成，其控制系统原理如图4所示，控制规律为：

其中e(t)＝r(t)-y(t)，t为采样序号。

根据Ziegler-Nichols整定经验公式，取K_p＝9，T_I＝1400，T_D＝105.5。普通的PID控制器引入积分环节的目的是消除静态误差，提高控制精度。但是在启动和开始阶段，系统的设定值和检测值可能存在较大的偏差，这个时候有积分作用会造成PID运算中积分的积累，使得控制量超过执行机构可能的最大动作范围，会引起较大的超调，甚至引起系统的震荡。因此，考虑使用变速积分PID，根据偏差的变化，调整加入的积分作用，既能减少超调量，又能使控制性能得到较大的改善。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于变速积分PID控制气体混合装置电机的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：建立系统模型；

S2：将系统模型应用在控制气体混合装置的PID控制系统。

2.根据权利要求1所述的一种基于变速积分PID控制气体混合装置电机的方法，其特征在于：所述S1具体为：

S11：电机的定子电压方程为：

式中U_A、U_B和U_C为电机的定子电压，i_A、i_B和i_C为电机的定子电流，ψ_A、ψ_B和ψ_C为电机的定子绕组磁链，r₁为电机的定子绕组电阻，P₁为电阻对时间的微分算子；

S12：转子电压方程为：

U_a、U_b和U_c为电机的转子电压，i_a、i_b和i_c为电机的转子电流，ψ_a、ψ_b和ψ_c为电机的转子绕组磁链，r₂为电机的转子绕组，P₁为电阻对时间的微分算子；

S13：异步机的磁链方程为：

S14：电动机旋转运动方程为：

稳态时简化为：

其中，C＝L_n/L_m，L_r为定子自感，L_m为定子和转子之间的互感，p为极对数，ω₁为定子供电电源角频率，U₁为定子相电压有效值，s为转差率，r₁和L₁₁为定子电阻和漏抗，r₂和L₂₁为折算到定子的转子电阻和漏感，L_n为折算到定子的转子自感，ψ₂₃和L₂₃为转子三相合成的磁链和电流矢量幅，θ₂₂为ψ₂₃和I₂₃的相位差，I_T23为ψ₂₃和I₂₃垂直方向上的分量，I_T23为定子三相合成矢量电流I₁₃在ψ₂₃垂直方向上的分量；

S15：汇总定、转子电压方程和磁链方程，再加上电机的运动方程，得到基本微分方程表示的交流电机数学模型如下：

交流电机小信号时的近似传递函数为：

其中

负载在电机轴上的有效转动惯量与减速比的平方成反比，即

N＝10故负载忽略不计，只对电机进行数学建模；根据电机所选型号及主要参数得电机的传递函数：

3.根据权利要求2所述的一种基于变速积分PID控制气体混合装置电机的方法，其特征在于：所述S2具体为：

控制规律为：

其中e(t)＝r(t)-y(t)，t为采样序号；

根据Ziegler-Nichols整定经验公式，取K_p＝9，T_I＝1400，T_D＝105.5；使用变速积分PID，根据偏差的变化，调整加入的积分作用，既能减少超调量，又能使控制性能得到较大的改善。

4.根据权利要求3所述的一种基于变速积分PID控制气体混合装置电机的方法，其特征在于：所述变速积分PID具体为：

改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应：偏差越大，积分越慢，反之则越快；为此，设置系数f(e(k))，它是e(k)的函数；当e(k)的绝对值增大时，f减小，反之增大；变速积分的PID积分项表达式为：

系数f与偏差当前值|e(k)|的关系是线性的或非线性的，设为：

f值在[0,l]区间内变化，当|e(k)|差大于所给分离区间A+B后，f＝0,不再对当前值e(k)进行继续累加；当偏差|e(k)|小于B时，加入当前值e(k)，即积分项变为

积分动作达到最高速；而当偏差|e(k)|在B与A+B之间时，则累加计入的是部分当前值，其值在0～|e(k)|之间随|e(k)|的大小而变化，其积分速度在

和

之间；变速积分PID算法为：

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