能夠獲得非最小相位特性的工業(yè)過程控制實驗裝置及方法
【專利摘要】能夠獲得非最小相位特性的工業(yè)過程控制實驗裝置及方法，屬于工業(yè)自動化和過程控制技術(shù)的實驗和教學(xué)領(lǐng)域。由被控對象單元和計算機(jī)控制單元組成；被控對象單元由第一電機(jī)調(diào)速裝置、第一鼓風(fēng)機(jī)、第二電機(jī)調(diào)速裝置、第二鼓風(fēng)機(jī)、第一電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、第一調(diào)節(jié)擋板、第二電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、第二調(diào)節(jié)擋板、空氣加熱器、三通、空氣溫度計和空氣流量計組成；計算機(jī)控制單元，為PLC/DCS控制系統(tǒng)；以第二電機(jī)調(diào)速裝置的頻率或者第二調(diào)節(jié)擋板開度為控制量，以常溫氣流流量為被控變量，設(shè)計單回路控制器；以第一電機(jī)調(diào)速裝置頻率或者第一調(diào)節(jié)擋板開度為控制量，以中溫氣流溫度為被控變量，從而構(gòu)成非最小相位被控對象；設(shè)計適合非最小相位被控對象的控制器。
【專利說明】
能夠獲得非最小相位特性的工業(yè)過程控制實驗裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于工業(yè)自動化和過程控制技術(shù)的研究、實驗和教學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種能夠獲得非最小相位特性的工業(yè)過程控制實驗裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]非最小相位系統(tǒng)是一種具有相當(dāng)控制難度的被控對象。在數(shù)學(xué)意義上，這類系統(tǒng)的特點為零動態(tài)不穩(wěn)定，或者稱為逆不穩(wěn)定，當(dāng)限制這類系統(tǒng)為線性系統(tǒng)時，其特點表現(xiàn)為具有不穩(wěn)定的開環(huán)零點。在物理意義上，非最小相位的被控對象往往表現(xiàn)出一種特殊而有趣的反向特性，也就是說，當(dāng)被控對象的控制輸入端輸入一個單位階躍信號時，其輸出端的被控變量在起始階段會向著與穩(wěn)態(tài)響應(yīng)方向相反的方向變化，持續(xù)一段時間之后，輸出端的被控變量才向最終的方向變化，并逐漸逼近其穩(wěn)態(tài)數(shù)值。這種特性稱為非最小相位特性。通常來講，實現(xiàn)跟蹤或者調(diào)解功能的自動控制系統(tǒng)(如PID控制器)大多是基于設(shè)定值與被控變量之間的誤差信號，但這種非最小相位特性卻給基于誤差信號的控制器送去錯誤的信號，因此，常規(guī)的控制器往往難以實現(xiàn)非最小相位系統(tǒng)的自動控制。在工業(yè)自動化、過程控制、自適應(yīng)控制的教學(xué)中，非最小相位系統(tǒng)也是控制難點之一。
[0003]然而，在工業(yè)界雖然存在一些具有非最小相位特性的被控對象，比如鍋爐汽包等，但由于危險性因素和成本因素等原因，難以放在實驗室環(huán)境下作為實驗研究和教學(xué)之用。目前，由于很難在實驗室環(huán)境下進(jìn)行物理的非最小相位特性的實驗研究，通常只能開展基于數(shù)學(xué)模型的仿真實驗，學(xué)生缺乏直觀認(rèn)識，影響教學(xué)效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有各種自動化實驗裝置和過程控制實驗裝置缺乏物理的帶有非最小相位特性的被控對象的問題，本發(fā)明提供一種能夠獲得非最小相位特性的工業(yè)過程控制實驗裝置及方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0006]—種能夠獲得非最小相位特性的工業(yè)過程控制實驗裝置，由被控對象單元和計算機(jī)控制單元組成；
[0007]所述被控對象單元，由第一電機(jī)調(diào)速裝置、第一鼓風(fēng)機(jī)、第二電機(jī)調(diào)速裝置、第二鼓風(fēng)機(jī)、第一電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、第一調(diào)節(jié)擋板、第二電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、第二調(diào)節(jié)擋板、空氣加熱器、具有兩個進(jìn)口一個出口的三通、空氣溫度計和空氣流量計組成;所述第一鼓風(fēng)機(jī)的控制端連接第一電機(jī)調(diào)速裝置的輸出端;所述第一鼓風(fēng)機(jī)的入口裝有所述第一調(diào)節(jié)擋板，第一鼓風(fēng)機(jī)的出口連接所述空氣加熱器的入口 ；所述空氣加熱器的出口連接所述三通的一個進(jìn)口；所述第一調(diào)節(jié)擋板的控制端連接第一電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出端;所述第二鼓風(fēng)機(jī)的控制端連接第二電機(jī)調(diào)速裝置的輸出端;所述第二鼓風(fēng)機(jī)的入口裝有所述第二調(diào)節(jié)擋板，第二鼓風(fēng)機(jī)的出口連接所述三通的另一個進(jìn)口 ；所述三通的出口聯(lián)通大氣；所述第二調(diào)節(jié)擋板的控制端連接第二電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出端;所述空氣溫度計安裝在所述三通的出口處;所述空氣流量計安裝在所述第二鼓風(fēng)機(jī)的出口處；
[0008]所述計算機(jī)控制單元，為PLC/DCS控制系統(tǒng);所述空氣溫度計和空氣流量計的輸出端均連接計算機(jī)控制單元的輸入端;所述被控對象單元中的第一電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入端、第二電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入端、第一電機(jī)調(diào)速裝置的輸入端和第二電機(jī)調(diào)速裝置的輸入端均連接計算機(jī)控制單元的輸出端。
[0009]采用所述能夠獲得非最小相位特性的工業(yè)過程控制實驗裝置獲得被控對象的非最小相位特性的方法，包括如下步驟:
[0010]步驟I:以第二電機(jī)調(diào)速裝置的頻率或者第二調(diào)節(jié)擋板開度為控制量，以第二鼓風(fēng)機(jī)出口處的常溫氣流流量為被控變量，在控制單元中設(shè)計單回路控制器，構(gòu)成單回路閉環(huán)控制；
[0011]步驟2:以第一電機(jī)調(diào)速裝置頻率或者第一調(diào)節(jié)擋板開度為控制量，以三通出口處中溫氣流的溫度為被控變量，從而構(gòu)成非最小相位被控對象；
[0012]步驟3:在控制單元中設(shè)計適合非最小相位被控對象的控制器；
[0013]步驟4:啟動第一鼓風(fēng)機(jī)、第二鼓風(fēng)機(jī)、空氣加熱器，手動調(diào)整相關(guān)變頻器頻率、電動調(diào)節(jié)閥閥門開度或者空氣加熱器加熱強(qiáng)度，使得被控對象進(jìn)入預(yù)設(shè)的穩(wěn)態(tài)工作點；
[0014]步驟5:將步驟I中所述的單回路控制器投入自動控制以保證常溫氣流流量恒定；
[0015]步驟6:整定步驟3所述控制器的參數(shù)，完成非最小相位過程控制實驗。
[0016]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明將工業(yè)過程中的氣流輸送、氣流加熱和氣流混合結(jié)合起來，在特定的實驗條件下，構(gòu)建了具有工業(yè)意義的具有非最小相位特性的工業(yè)過程控制實驗裝置，該裝置可以用來進(jìn)行非最小相位特性被控對象的過程辨識實驗、回路控制實驗，有助于加深實驗者和學(xué)生對非最小相位、工業(yè)自動化和過程控制的相關(guān)理念的理解，同時也提供了工業(yè)化的非最小相位系統(tǒng)實驗平臺；實驗裝置的運行不涉及原材料和產(chǎn)品，無污染排放，運行成本只有電費;不涉及高溫高壓，實驗安全性有良好保證。
【附圖說明】
[0017]圖1本發(fā)明一種實施方式的能夠獲得非最小相位特性的工業(yè)過程控制實驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2本發(fā)明一種實施方式獲得非最小相位特性的被控對象控制量和被控變量及常溫氣流流量控制回路示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一種實施方式作詳細(xì)說明。
[0020]本實施方式的能夠獲得非最小相位特性的工業(yè)過程控制實驗裝置，如圖1所示，由被控對象單元和計算機(jī)控制單元組成；
[0021]本實施方式的被控對象單元，如圖1所示，由第一電機(jī)調(diào)速裝置、第一鼓風(fēng)機(jī)、第二電機(jī)調(diào)速裝置、第一電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、第一調(diào)節(jié)擋板、第二電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、第二調(diào)節(jié)擋板、空氣加熱器、具有兩個進(jìn)口一個出口的三通、空氣溫度計和空氣流量計組成;所述第一鼓風(fēng)機(jī)的控制端連接第一電機(jī)調(diào)速裝置的輸出端;所述第一鼓風(fēng)機(jī)的入口裝有所述第一調(diào)節(jié)擋板，第一鼓風(fēng)機(jī)的出口通過第一段金屬管道連接所述空氣加熱器的入口；所述空氣加熱器的出口通過第二段金屬管道連接所述三通的一個進(jìn)口，即第一路空氣流從第一調(diào)節(jié)擋板進(jìn)入后經(jīng)過第一鼓風(fēng)機(jī)、空氣加熱器和兩段金屬管道后進(jìn)入三通;所述第一調(diào)節(jié)擋板的控制端連接第一電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出端;所述第二鼓風(fēng)機(jī)的控制端連接第二電機(jī)調(diào)速裝置的輸出端;所述第二鼓風(fēng)機(jī)的入口裝有所述第二調(diào)節(jié)擋板，第二鼓風(fēng)機(jī)的出口通過第三段金屬管道連接所述三通的另一個進(jìn)口，即第二路空氣流從第二調(diào)節(jié)擋板進(jìn)入后經(jīng)過第二鼓風(fēng)機(jī)和一段金屬管道后進(jìn)入三通；即所述三通的兩路入口分別連接第一鼓風(fēng)機(jī)的出口和第二鼓風(fēng)機(jī)的出口 ；所述三通的出口通過第四段金屬管道聯(lián)通大氣;所述第二調(diào)節(jié)擋板的控制端連接第二電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出端。所述空氣溫度計安裝在所述三通的出口處，用于在線測量中溫氣流的溫度，并將溫度檢測值傳送至計算機(jī)控制單元。所述空氣流量計安裝在所述第二鼓風(fēng)機(jī)的出口處，用于測量常溫氣流的流量，并將流量檢測值傳送至計算機(jī)控制單元。所述第一電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和第二電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)均是根據(jù)來自計算機(jī)控制單元的模擬量指令對對應(yīng)的第一調(diào)節(jié)擋板和第二調(diào)節(jié)擋板開度進(jìn)行調(diào)控。
[0022]本實施方式中的第一電機(jī)調(diào)速裝置和第二電機(jī)調(diào)速裝置采用的是型號為型號為ACS355-03E-03A3-4(380V/l.lkW)的ABB變頻器。本實施方式中的第一鼓風(fēng)機(jī)和第二鼓風(fēng)機(jī)均選用型號為YE2-80M1-2的小功率鼓風(fēng)機(jī)，具體規(guī)格參數(shù)為:風(fēng)壓為840?760Pa;風(fēng)量為2100?2300m3/h;供電為380VAC;功率為0.75kw;轉(zhuǎn)速為2850r/min;材質(zhì)為不銹鋼。本實施方式中的第一電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和第二電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體規(guī)格參數(shù)為:輸出4?20mA;供電為380VAC，帶一對球形鉸鏈。本實施方式中采用的是型號為SD-06XX的空氣加熱器，具體規(guī)格參數(shù)為:空氣壓力范圍為O?840Pa;空氣流量范圍為O?2000?800m3/h(變頻)；總功率為6KW，外形尺寸為600*450*300(長*寬*高)。管道和三通均采用的是DN100的不銹鋼材質(zhì)。本實施方式的空氣流量計采用的是型號為V100-05-V-R-C2NSL-PSW-89/4的威力巴流量計配型號為EJA110A-GMS4A-92DA的差壓變送器。威力巴流量計的具體規(guī)格參數(shù)為:介質(zhì)為空氣；壓力為760?840Pa ；溫度為O?50 V ；流量范圍為100?2300m3/h ；管徑為DN80;通用螺紋連接型，含05號探頭，V指管道為垂直方向，R接頭，帶不銹鋼針閥。本實施方式空氣溫度計采用的是型號為WZP-2316-B3P2M-300A150-AM27的溫度變送器，具體規(guī)格參數(shù)為:介質(zhì)為空氣；測量范圍危機(jī)O?1000C ;壓力為840Pa;防水接線盒IP65;分度號為PtlOO;精度為B級;保護(hù)管材質(zhì)為OCr 18Ni9;保護(hù)管直徑為(2 16;安裝方式:外螺紋M27X2;全長X插入深度:300X150mm ；帶直形連接頭H=80mm;輸出:4?20mA。
[0023]本實施方式的被控對象單元的工作過程為，第一鼓風(fēng)機(jī)和第二鼓風(fēng)機(jī)分別對來自大氣的兩路空氣流提供動力輸入被控對象。對于進(jìn)入第一鼓風(fēng)機(jī)的第一路空氣流，第一調(diào)節(jié)擋板給這路空氣流提供阻力。對于進(jìn)入第二鼓風(fēng)機(jī)的第二路空氣流，第二調(diào)節(jié)擋板給這路空氣流提供阻力。通過第一電機(jī)調(diào)速裝置改變第一鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或者/和通過第一電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變第一調(diào)節(jié)擋板的開度都可以調(diào)節(jié)第一路空氣流的流量。通過第二電機(jī)調(diào)速裝置改變第二鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和/或者通過第二電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變第二調(diào)節(jié)擋板的開度都可以調(diào)節(jié)第二路空氣流的流量。其中經(jīng)過第一鼓風(fēng)機(jī)的第一路空氣流經(jīng)空氣加熱器加熱后變成高溫氣流，經(jīng)過第二鼓風(fēng)機(jī)的第二路空氣流為常溫氣流。這兩路空氣流經(jīng)過三通混合后，成為中溫氣流。中溫氣流的流量為高溫氣流和常溫氣流的流量之和，中溫氣流的溫度介于高溫氣流的溫度和常溫氣流的溫度之間。中溫氣流在第四段金屬管道中運行一定距離后排至大氣。
[0024]所述計算機(jī)控制單元，可以選用各種品牌和各種型號的PLC/DCS控制系統(tǒng)，也可以選用各種品牌的工控機(jī)系統(tǒng)。例如采用Siemens S7-300系列PLC控制系統(tǒng)設(shè)備，硬件模塊主要由電源模塊、CPU模塊、1模塊、通訊模塊等組成；軟件采用STEP 7軟件包和WinCC組態(tài)軟件;在S7-300中進(jìn)行編寫邏輯控制和回路控制程序，在WinCC組態(tài)軟件中開發(fā)并操作本發(fā)明的計算機(jī)監(jiān)控界面，包括流程界面、邏輯控制界面、回路控制界面及相應(yīng)的趨勢圖、報警界面、系統(tǒng)管理界面等。本實施方式的空氣溫度計和空氣流量計的輸出端均連接計算機(jī)控制單元的輸入端;所述被控對象單元中的第一電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入端、第二電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入端、第一電機(jī)調(diào)速裝置的輸入端和第二電機(jī)調(diào)速裝置的輸入端均連接計算機(jī)控制單元的輸出端。計算機(jī)控制單元用于從空氣溫度計接收中溫氣流的溫度檢測信號；向第一電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送第一調(diào)節(jié)擋板開度指令；向第一電機(jī)調(diào)速裝置發(fā)出第一鼓風(fēng)機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速指令；向第二電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送第二調(diào)節(jié)擋板開度指令；向第二電機(jī)調(diào)速裝置發(fā)出第二鼓風(fēng)機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速指令;計算機(jī)控制單元還可以完成被控對象單元中所有設(shè)備的啟?？刂?。
[0025]被控對象單元和計算機(jī)控制單元按照常規(guī)方式進(jìn)行系統(tǒng)供電和配電。
[0026]采用本實施方式的能夠獲得非最小相位特性的工業(yè)過程控制實驗裝置即可獲得被控對象的非最小相位特性:首先將被控對象單元上電運行:啟動第一鼓風(fēng)機(jī)和第二鼓風(fēng)機(jī)，將第一鼓風(fēng)機(jī)入口處的第一調(diào)節(jié)擋板置于半開或全開的位置，第一鼓風(fēng)機(jī)和第二鼓風(fēng)機(jī)均運行于一定的轉(zhuǎn)速下，兩路氣流在三通處正?；旌?；啟動空氣加熱器，并保持空氣加熱器的功率不變，對經(jīng)過第一鼓風(fēng)機(jī)的這路空氣提供恒定的加熱強(qiáng)度。然后保持流經(jīng)第二鼓風(fēng)機(jī)的常溫氣流的流量恒定:在計算機(jī)控制單元中構(gòu)建如圖2所示的單回路控制器PI控制器，以空氣流量計所測的常溫空氣流量為被控變量，以第二鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速或者第二調(diào)節(jié)擋板開度為控制變量，投入自動控制模式，使得流經(jīng)第二鼓風(fēng)機(jī)的常溫氣流的流量保持不變。最后選擇空氣溫度計所測的中溫氣流溫度檢測值作為實驗裝置被控對象的被控輸出變量，選擇第一電機(jī)調(diào)速裝置頻率或者第一調(diào)節(jié)擋板開度為實驗裝置被控對象的控制變量。這時，實驗裝置被控對象的控制變量和被控輸出變量之間就表現(xiàn)出非最小相位特性。也就是說，當(dāng)?shù)谝浑姍C(jī)調(diào)速裝置頻率或者第一調(diào)節(jié)擋板開度發(fā)生階躍變化時，中溫氣流溫度將先向相反方向變化，保持一段時間之后再向最終的方向逐步逼近。其原理如下:假設(shè)被控對象單元工作于某一正常工作點上，常溫氣流流量控制回路投入自動，保證了常溫氣流流量恒定。此時若降低第一鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，則高溫氣流的流量減少，常溫氣流的流量不變，將導(dǎo)致混合后的中溫氣流溫度降低。但是，由于空氣加熱器的加熱功率不變，高溫氣流的流量減少的后果是會使得高溫氣流的溫度緩慢升高，從總體的熱平衡來看，輸入系統(tǒng)的加熱功率不變，被加熱的總的氣流量減少，因而最終的混合后的氣流溫度是會高于起始溫度的。所以，在被控對象的輸出端，將觀察到中溫氣流溫度先下降，過一段時間再上升，而且將升至比初始溫度更高的溫度并進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。這就是所謂的非最小相位系統(tǒng)的反向特性。
【主權(quán)項】
1.一種能夠獲得非最小相位特性的工業(yè)過程控制實驗裝置，其特征在于:該裝置由被控對象單元和計算機(jī)控制單元組成； 所述被控對象單元，由第一電機(jī)調(diào)速裝置、第一鼓風(fēng)機(jī)、第二電機(jī)調(diào)速裝置、第二鼓風(fēng)機(jī)、第一電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、第一調(diào)節(jié)擋板、第二電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、第二調(diào)節(jié)擋板、空氣加熱器、具有兩個進(jìn)口一個出口的三通、空氣溫度計和空氣流量計組成;所述第一鼓風(fēng)機(jī)的控制端連接第一電機(jī)調(diào)速裝置的輸出端;所述第一鼓風(fēng)機(jī)的入口裝有所述第一調(diào)節(jié)擋板，第一鼓風(fēng)機(jī)的出口連接所述空氣加熱器的入口 ；所述空氣加熱器的出口連接所述三通的一個進(jìn)口 ；所述第一調(diào)節(jié)擋板的控制端連接第一電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出端;所述第二鼓風(fēng)機(jī)的控制端連接第二電機(jī)調(diào)速裝置的輸出端;所述第二鼓風(fēng)機(jī)的入口裝有所述第二調(diào)節(jié)擋板，第二鼓風(fēng)機(jī)的出口連接所述三通的另一個進(jìn)口；所述三通的出口聯(lián)通大氣；所述第二調(diào)節(jié)擋板的控制端連接第二電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出端;所述空氣溫度計安裝在所述三通的出口處;所述空氣流量計安裝在所述第二鼓風(fēng)機(jī)的出口處； 所述計算機(jī)控制單元，為PLC/DCS控制系統(tǒng);所述空氣溫度計和空氣流量計的輸出端均連接計算機(jī)控制單元的輸入端;所述被控對象單元中的第一電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入端、第二電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入端、第一電機(jī)調(diào)速裝置的輸入端和第二電機(jī)調(diào)速裝置的輸入端均連接計算機(jī)控制單元的輸出端。2.采用權(quán)利要求1所述的能夠獲得非最小相位特性的工業(yè)過程控制實驗裝置獲得被控對象的非最小相位特性的方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1:以第二電機(jī)調(diào)速裝置的頻率或者第二調(diào)節(jié)擋板開度為控制量，以第二鼓風(fēng)機(jī)出口處的常溫氣流流量為被控變量，在控制單元中設(shè)計單回路控制器，構(gòu)成單回路閉環(huán)控制；步驟2:以第一電機(jī)調(diào)速裝置頻率或者第一調(diào)節(jié)擋板開度為控制量，以三通出口處中溫氣流的溫度為被控變量，從而構(gòu)成非最小相位被控對象； 步驟3:在控制單元中設(shè)計適合非最小相位被控對象的控制器； 步驟4:啟動第一鼓風(fēng)機(jī)、第二鼓風(fēng)機(jī)、空氣加熱器，手動調(diào)整相關(guān)變頻器頻率、電動調(diào)節(jié)閥閥門開度或者空氣加熱器加熱強(qiáng)度，使得被控對象進(jìn)入預(yù)設(shè)的穩(wěn)態(tài)工作點； 步驟5:將步驟I中所述的單回路控制器投入自動控制以保證常溫氣流流量恒定； 步驟6:整定步驟3所述控制器的參數(shù)，完成非最小相位過程控制實驗。
【文檔編號】G09B25/00GK105843220SQ201610362760
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月26日
【發(fā)明人】岳恒, 柴天佑, 賈瑤, 鄭秀萍, 丁進(jìn)良, 宋志泉
【申請人】沈陽東大自動化有限公司, 東北大學(xué)