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1、第 1 期 ( 总 第 1 7 0期) 2 0 1 2年 2月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL ENGl NEE R】 NG & AUT( ) MATI ON NO 1 Fe b 文章 编号 ： 1 6 7 2 - 6 4 3 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 0 1 0 3 混合煤气管道多变量系统 自抗扰解耦控制鬻 陈至坤 ，张瑞成 ，武 旭 ( 河北联合大 学 电气工程 学院，河北 唐 山0 6 3 0 0 9 ) 摘要 ：针对煤 气混合蝶 阀串联系 统具有强 耦合、不确 定性 、干 扰 因素 多、 非线性 等特点 ，应 用 自抗 扰控 制 ( A DR C
2、)静态解耦和 扩 张状 态观 测器 ( E S O) 动态解 耦技 术，给 出一 种适 用 于煤 气混 合蝶 阀 串联 系统 的 AD R C角 军 耦设计方案。为提高系统 的响应速度 ，减少计 算量 控制 系统 去掉跟 踪微分器( T D) 并且 E S O 和 N F ( ：非线性反馈)采用线 性函数 的 AD R C。仿 真结果 表 明，该控 制方案 不仅 解耦效果优 良。而且具有 较 好 的跟踪性能和抗 扰动能力。 关键 词 ：煤气混合； 自抗扰控制 ；扩张状态观测器 ；解耦 ；多变量 系统 中图分类号 ：T P 2 7 3 文献标识码 ：A 0 引言 煤气是钢铁和有色 金属冶炼企 业
3、的重要生 产原 料 ，来 自高炉和焦炉的煤气分别经过 两道蝶 阀后混 合 ，再经过加压机加压后成为生产应用的混合煤气 。 在煤气混合 的过程中，蝶阀的开度不仅影响流量 ，而 且 影 响压 力 ，流量 调节 与压力 调 节之 间存在 着严 重 的 耦合 ，同时 4道蝶阀之间 的调节也互 相影响 ，由此 说 明系统存 在着强烈 的耦 合现象 。目前 ，煤气混合 过程的控制 方法 主要有压力 和热值 双 回路调节 、前 馈补偿解耦 以及智能解耦 3种。前两种控 制方法 由 于存在局 限性 ，控制 效果 比较差 1 。随 着智 能控 制理论的发 展 ，任海龙 等 3 , 4 3 提 出了煤气 混合智
4、能 解耦控制策略 。但由于串联在高炉煤气 管道上 的两 个 阀和 串联在焦炉煤气管道上 的两个阀之间的距离 很近 ，因此 ，这 是 一 个 典 型 的强 耦 合 系 统。文 献 3 ，4 对此没j 进行详细设计 ，文献 1 虽 然根 据前馈补偿方法对两个蝶 阀系统进行 了解耦 ，但 系 统存在高炉煤气压力的变化 、焦炉煤气压力 的变化 以及用户流量的变化 等扰动 ，所以此系统抑制扰 动 的能 力 不 强 。 为此 ，本文将 自抗扰控制技术引入到蝶阀串联控 制系统 ，建立了煤气混合的多变量 自抗扰控制( AD RC )系统，实现了对两道串联蝶阀的解耦控制。 1 煤 气 混合 过程 双蝶 阀 串联
5、 系统 数学 模型 由于焦炉 阀门和高炉阀门压力分配的基本思想一 致 ，本文以焦炉阀门组为例 ，蝶阀串联系统如图 1 所 示。图中 P 。 为 1 号阀门前焦炉煤气压力 ，P 为 2号 阀门前焦炉煤气压力 ，P 为 2号 阀门后焦炉煤气压 力， 、“ 分别为 l 号阀门和 2号阀门的开度 ，Q为 管道 内 焦炉煤 气 的流量 。 p 0 p 口 p 2 u ， u 2 图 l焦炉煤气蝶 阀串联系统 依据文献 E 5 3 ，压力一流量过程可以表述为 ： Q一 甜 ( 户 。一 ) 一 。 ( 户 一 ) ： U I U 2 ( 。 一 2 )。 ( 1 ) 两个回路都处于开环时，被调流量 Q对
6、“ 的增 益 即第 一 放大 系数 为 ： 一( ) 。 ( 。 ( 2 a “ 1 l 。 = 。 5I 甜 l + 2 、 。 。 、 压力 回路闭合时，Q对 的偏导数即第 二放 大 系数为 ： 赛 = P o - P l 一 c ) 。 ( 3 ) 根据 相对 增 益的 定 义有 ： _ 河北省 自然科学基金资助项 目 ( F 2 O O 9 O O O 7 9 6 ) 收稿 日期 2 0 1 】 一 0 8 1 6 ，修 回日期 ：2 0 1 1 一 O 9 2 3 作者简介 。陈至坤( 1 9 6 1 一 ) ， 男 ， 河北景县人 ， 教授 ， 硕士 ， 主要研究方向为智能检测技术
7、、 控 制理论及应用 等。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 机 械 工 程 与自 动 化 2 O l 2年 第 l期 l 一 一 。 4 ) 一瓦丌一U l - H U 2。 一( 4 ) O u J ： 。 从式( 1 )中解出 和 “ 。 并代人式( 4 ) ，就可 以用压力来表示增益，即： 一 P0 - Pl。( 5 ) 同样可以求出 “ 对流量 Q的相对增益 l 2 = 。 ( 6 ) 如果 改 用 P 来描 述此 压力 一 流量系 统 ，得 ： Pl 一 -Q = pz + U 2一 。( 7 ) 同理 ，则可确定另 一增益 。对式( 7 )求取偏
8、导 数，就可分别推导出 “ 、 。 对 P 的两个通道的相对 增 益 2 l 和 2 2 。经 过推证 ， 1 l = = = 2 2 ， l 2 一 2 1 。 这 时 ，压 力一 流 量 系 统 的输 入一 输 出 关 系 可 表 示 为 ： 。 f ! = 妻 二坌 以 一 一 二 L P o P 2 一P o 一； 已知某系统焦炉煤气管道压力为 P 。 一6 2 k P a ， P 一5 5 k P a，P 2 5 0 k P a ，则增 益 矩阵 为 ： 以 一 4 2 。0 5 8 。 L 21 22 J L O J 由于 十分接近 0 5 ，表 明系统存在严重耦合。 由式( 8
9、)可得控制系统的数学模型，即： - y 。 2 ( ) J L “ 2 ( ) J 其 中 ： 1 ( s ) 一Q( s ) ； Y 2 ( s ) 一 P 1 ( ) ； G( s ) 为被 控 对 象 的传递函数， G( ) 一d i a g G ( s ) ， G ( s ) ) 。 在调 试 过 程 中经 反 复 试 验 ， 得 G。 ( ) 一 。 nS十1 其 中，K 为被控对象的增益， 为被控对象 的时间 常数 ，取 K一2 ，T o =1 5 。 2蝶 阀串联 系统 的 A D R C解耦 控 制器设 计 2 1 AD RC静 态解耦 AD R C静态解耦可 用常规 的控制器
10、来 实现。由 于实际运行过程中，静态耦合矩 阵 A具有不确定性 ， 所 以在其变化范围内取粗略估计值 A 。 A，近似误差 可归结为扰动量。 利用静态解耦补偿器对被控对象进行解耦，令 ： v l (s ) ul( s )， 。 其 中： ( ) 为各通道的虚拟控制量。则 ： N F v (s) 。 则静态解耦补偿器 N 为： N ： 以_。 。 (1 2) 静 态解 耦补偿 后 ，式 ( 9 )可 以描 述 为 ： ， 。 ( 13L y L v 2 ( ) J 2 ( ) J 2 2 自抗 扰控 制 器设计 如 果应 用 自抗 扰 控 制 技 术 ， 需 要 将 对 象 模 型 ( 1 3
11、)转化 为 AD R C常用 的形 式 ，即 ： f= ( f ， df ， )+ b o f f。 ( 1 4 ) 其 中： 为每个通道的总扰动 ； 为测量量 ； d 为外扰 输入 ； b 。 为可调节参数 ； 为控制量。 解 耦 以后 的两 个 通 道 可 分 别 按 常 规 的 S I S O ( 单 输 入单 输 出 )系统 进 行 AD R C 的设 计 。常 规 自抗 扰 控制 器 由扩张 状态 观测 器 、跟踪微 分 器 和非线 性 反馈 控 制 3部 分组 成 。因为此 被 控对 象反 应迟 缓 ，因此 考 虑去掉跟踪微分器 TD，希望能借助最初的大误差控 制信号把对象 “ 激
12、励”起来 ，让输 出尽快上升 。 为了降低系统的复杂程度，减小计算量，本系统采 用线性反馈控制率( L F ) 和线性扩张状态观测器( L E S O) 。 改进后 的 A DR C系统结构 如图 2所示 。线性扩 张状 态观 测器 的 作用 是根 据 系统 的 控 制 量 和 测 量 量 Y ， 估计出每个通道总扰动 。每个子系统的二 阶 L E S O 可设计 为 ： s f = = = l - yf 。 ( 1 5) f 之 1 f 一2 2 f 一 e f +b 仇 。 ( 1 6) f 乏 2 一一 其中： 为观测值 与实际输 出的误差 ； 、 分 别 为 L E S O 的输 出
13、， 为 每 个通 道 的 观测 状 态 Y ， 为每个通道总扰动 f ； 为 L E S O的增益 ， 一1 ，2 ， = =l ，2 。选取适 当的参数 和 b 。 。 使 L E S O快速 收 敛 ，从 而形 成线性 误 差反馈 控 制律 ： 一( 一 2 j +71 0 ) b o 。 ( 1 7 ) 其中：7 - 0 为 L S E F的输 出。 线性状态误差反馈控制律 ( L S E F )为 ： f e 一 i 一 ； = = = f 。 ( 1 8 ) I I7 ) O = 是 P f “ - k d i e o i 其中：r f 为系统给定值；e i 为误差项 ；e o 为误
14、差变化 率；k 为控制器的比例增益； 为控制器的微分增益。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m2 0 1 2年第 1期 陈至坤 等：混合煤 气管道 多变量 系统 自抗 扰解耦控刺 3 3仿真 实验 研究 为了验证所设计控制方案的可行性，根据图 2所 示的方 框 图进行 了仿 真实 验研 究 。两 个子 通 道 的 L S E F和 L E S O参数相同。AD RC控制器 的参数设置 如下：L E S O参数 ： 1 =8 0 ， l 一2 0 0 0 ，b o ：4 3 ； L S E F参数 ：k 一l 5 ，k =8 5 。 图 2蝶 阎 串联 系统 ADRC
15、系 统结 构 3 1 被 控 对 象的跟踪 能 力 两个通道分别加单位阶跃给定值 ，仿真实验结果 如图 3 所示。图 3( a ) 、图 3( b )分别为流量通道和 压力通道给定阶跃变化时系统的响应曲线。可见 ，当 流量 Q发生变化 时，压力几 乎保持不变，且输 出无 静差 ，解耦效果优 良，反之亦然。 ( a )流 量 设定 值阶跃变化 ( b )压 力设定值阶跃变 化 图 3蝶阀串联系统解耦响应 曲线 3 2 被控 对 象抗 干扰 能力 t - - 5 0 0 S时在通 道加 幅值 为 0 5的负 载干扰信 号 ，仿真结果如图 4所示 。图 4( a ) 、图 4( b )分别 为流量通
16、 道和压力通 道加干扰信号的 响应 曲线 。可 见 ，蝶阀串联 系统受干扰 的影 响很 小可 忽略不计 ， AD RC抗 扰动 能力较 强 。 4结论 本文将 AD RC技术应用于煤气混合蝶阀串联系 统的控制。仿真研究结果表明，系统不仅解耦效果优 良，而 且具有 较好 的跟 踪性 能和抗 扰动 能力 ，解决 了 煤气混合蝶阀串联系统的时变、强耦合 、多个干扰因 素等对系统造成的不良影响。因此 ，这种控制策略具 有较好的应用前景 。 、 一 ： 。 t s ( b )压力通道变 化 图 4蝶阀 串联系统抗扰动性能曲线 参考文献 ： 1 秦璐 带解耦 和 S mi t h补偿 器的 混合 煤 气热
17、 值控 制 J 控制工程 2 0 0 2 9 ( 4 ) ：7 3 7 5 2 吴晓峰， 孙汉峰 魏成勇， 等 加热炉煤气压力调节自动控 制 J 3 冶金 自动化 ， 2 0 0 2 ( 6 ) ：6 4 6 5 3 任海龙。 李胜玉 混合煤气压力和热值的模糊解耦控制 J 3 自动化仪表 2 0 0 4 ， 2 5 ( 3 ) ：6 5 6 7 4 3 曹卫华。 吴敏， 侯少云煤气混合加压过程的智能解耦控制 方法与应用 J 3 中南大学学报， 2 0 0 6 3 7 ( 4 ) ： 7 8 0 7 8 5 5 金以慧 方崇智 过程控制 M 北京 ： 清华大学出版社， 19 9 5 ( 英文摘要
18、转第 6页) 1 0 O O 0O O O 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 机 械 工 程 与自 动 化 2 0 1 2年 第 1 期 力低于 1 0 8 5 5 2 MP a ，结构优化效果明显 。 ( b )背面 图 4 结构改进后工况 1 O下前车架的等效应力云图 3 结论 利用 ANS YS软件对轮式装载机的前车架进行结 构分析和研究 ，根据前车架的应力分布特点，在保证 重量不增加的情况下对前车架进行形状布局优化 ，使 前车架的应力分布更加合理 ，提高了前车架的总体性 能及使用寿命 ，为装载机前车架 的设计 提供理论依 据。同时本文采用的方法也可
19、为同类结构的强度研究 和改进设计提供参考 。 参考文献 ： E l i 何正忠 装 载机 M 北京 ： 冶金工业 出版社 1 9 9 8 F 2 3 苑淑华 装 载机前车架参数化 有 限元 分析技术 研究 D 阜新 ： 辽宁工程技术大学 2 0 0 7 ： 1 4 1 5 3 张应迁 ， 张洪才 ANS Y S有 限元 分析从 入 门到精 通 M 北京 ： 人民邮电出版 社 ， 2 0 1 0 F 4 3 邓凡平 AN S Y S 1 0 0有限元分析 自学手册 M 北京： 人 民邮 电出版社 ， 2 0 0 9 5 3 李会勋 C I G 8 5 6型轮式 装载 机前 车架结构 载荷计 算
20、、 有 限元分析与优化设计 D 南宁 ： 广西 大学 2 0 0 6 ： 2 0 2 3 E 6 3 王克军 8 O型轮式 装载机 结构 部 件性能 分析 D 长 春： 吉林大学 ， 2 0 0 8 ： 3 5 - 3 7 7 3 杨 占敏 ， 王 智 明 轮式 装载 机 M 北 京 ： 化学 工业 出版 社 2 0 0 6 S t r u c t u r e Ana l y s i s a nd Re s e a r c h o f Fr o nt Fr a m e o f W h e e l Lo a d e r b y ANS YS LI Ya n - b i n ，GU J i a n
21、 - g u o 。HUANG He - t i n g z 。L I U Ch u n 2 ( 1 S c h o o l o f Me c ha n i c a l En g i n e e r i n g，S h e n g y a n g Un i v e r s i t y o f Te c hn o l o g y，S he n g y a n g 1 1 0 8 7 0，Ch i n a；2 Xi a me n XGMA Ma c h i n e r y Co ，Lt d ， Xi a me n 3 61 0 0 0China ) Ab s t r a c t ： Th e f
22、r o n t f r a me i s o n e o f t h e f o u n d a t i o n p a r t s o f a l o a d e r Th e d e s i g n l e v e l o f t h e f r o n t f r a me d i r e c t l y a f f e c t t h e wh o l e l o a d e r p e r f o r ma n c e B y u s e o f ANS YS s o f t wa r e t h i s p a p e r c a r r i e d o u t s t r u c
23、 t u r e a n a l y s i s a n d r e s e a r c h o n t h e f r o n t f r a me ，a n d i mp r o v e d t h e l o e a l s t r u c t u r e o f t h e f r o n t f r a me a c c o r d i n g t O t h e d i s t r i b u t i o n o f s t r e s s Th i s r e s u l t c o u l d p r o v i d e a t h e o r e t i c a l f o
24、u n d a t i o n f o r t h e d e s i g n o f t h e f r o n t f r a me Ke y w o r d s ：l o a d e r ；f r o n t f r a me ；f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s ；s t r u c t u r e i m p r o v e me n t 一、 一 一一 ：一一一 ( 上接 第 3页 ) A c t i v e Di s t u r b a n c e Re j e c t i o n D e c o u p l i n g C o n
25、t r o l f o r M i x e d Ga s Pi p e l i n e M u l t i v a r i a b l e S y s t e m CHEN Zh i ku n。ZHANG Rubc he ngW U Xu ( Co l l e g e o f El e c t r i c a l En g i ne e r i n g，He b e i Un i t e d Un i v e r s i t y，Ta ng s h a n 0 63 0 09 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ： Ac c o r d i n g t O t h e c h
26、 a r a c t e r i s tic s o f g a s mi x i ng b u t t e r fl y v a l v e g r o u p s ，s u c h a s s t r o ng c o u p l i ng ，u n c e r t a i n t y ，ma n y d i s t u r b a n c e s a n d n o nli n e a r ，t h i s p a p e r p r o p o s e d a n a c t i v e d i s t u r b a n c e r e j e e t i o n c o n t r
27、 o l( ADRC) s y s t e m b a s e d o n s t a t i c d e e o u p l i ng a n d E S O d y n a mi c d e co u p l i n g。i n o r d e r t O e l i mi n a t e t h e c o u p l i n g b e t we e n t h e l o o p s Th e p ro p o s ed ADR C s y s t e m o n l y con s i s t s o f t h e E S O a n d NF u s i ng l i n e
28、a r f u n c t io n i ns t e a d o f n o r ma l n o n l i n e a r f u n c t i o n i n o r d e r t O me e t t h e r e q u i r e me n t o f r a p i dit y S i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t ha t t h e d e s i g n e d con t rol l e r n o t o n l y h a s g o o d d e c o u p l i n g pe f o r ma n e
29、 e ，b u t a l s o e n s u r e s g o o d r o b u s t n e s s a n d a d a p t a b i l i t y Ke y wo r d s ：g a s mi x i n g ；a c t i v e d i s t u r b a n c e r e j e c t i o n c o n t r o l( ADRC) ；e x t e n d ed s t a t e o b s e r v e r( E S O) ；d e cou p l i n g ；mu h i v a r i a b l e s y s t e m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m