一種多執(zhí)行力控制系統(tǒng)中的出力平衡算法

在工業(yè)生產(chǎn)中，通常需要配置兩個或兩個以上的類似設(shè)備（廣義執(zhí)行機構(gòu)），以完成相同的控制任務。1機構(gòu)控制器的出力調(diào)整問題在工業(yè)生產(chǎn)過程中,一般均采用反饋控制系統(tǒng)a.處于自動狀態(tài)下各執(zhí)行機構(gòu)出力偏置的有限設(shè)定;b.處于手動狀態(tài)下各執(zhí)行機構(gòu)出力給定,并具有本身偏置功能的反演計算跟蹤功能;c.控制回路手、自動條件的生成以及執(zhí)行機構(gòu)上游控制器輸出的跟蹤條件與跟蹤量。如圖1所示,該控制回路包含了上游控制器以及編號為1、2、…、n的執(zhí)行機構(gòu)。上游控制器的輸出指令為D式(1)表明各執(zhí)行機構(gòu)在自動狀態(tài)下,執(zhí)行機構(gòu)的出力由式(1)確定;當某執(zhí)行機構(gòu)在手動狀態(tài)下,出力可以人工給定調(diào)整,但為了保證式(1)成立,必須在程序中實現(xiàn)偏置量的反演算跟蹤功能,即滿足下式:然而,在控制系統(tǒng)的設(shè)計中,工程人員往往會忽略執(zhí)行機構(gòu)出力調(diào)整快速消除內(nèi)部擾動的算法回路的作用。即生產(chǎn)過程相對穩(wěn)定時,各執(zhí)行機構(gòu)的出力總和相對穩(wěn)定,當手動改變某一臺執(zhí)行機構(gòu)的出力或偏置量時,各執(zhí)行機構(gòu)的出力總和將會產(chǎn)生相應的變化,當相關(guān)的過程參數(shù)發(fā)生變化時,回路通過上游控制器的重新計算與調(diào)整更新相應的上游控制指令輸出,從而改變各個執(zhí)行機構(gòu)的出力,保證系統(tǒng)回到原有的穩(wěn)定狀態(tài)。這種形式的出力調(diào)整勢必對整個工藝過程產(chǎn)生沖擊,甚至影響生產(chǎn)過程中一些關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵過程參數(shù)。值得一提的是,對于過程較慢的工藝過程,這種內(nèi)擾所帶來的不利影響更為突出。因此,在多執(zhí)行機構(gòu)中,有必要設(shè)計一種能夠快速消除出力調(diào)整過程帶來的控制系統(tǒng)內(nèi)部擾動的算法回路。2多執(zhí)行機構(gòu)控制系統(tǒng)上文已經(jīng)指出了快速消除執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)部調(diào)整出力帶來的回路出力內(nèi)擾的必要性。考察式(1)(2)不難發(fā)現(xiàn),執(zhí)行機構(gòu)在上游指令相對穩(wěn)定的時候,任何一個執(zhí)行機構(gòu)出力變化均會引起出力偏置的變化,如果能將出力偏置的變化附加到上游控制器算法中,則可能達到快速完成執(zhí)行機構(gòu)出力的重新分配的作用,自然避免了內(nèi)部出力調(diào)整對工藝系統(tǒng)的沖擊和擾動。通過引用執(zhí)行機構(gòu)的出力偏置進入上游控制器的控制算法,可得到一種快速消除內(nèi)部擾動的算法,如圖2所示。圖中,A為常量,K圖2是典型的多執(zhí)行機構(gòu)控制系統(tǒng)SAMA圖例,值得注意的是圖中將出力偏置作為前饋作用加入至上游控制器的前饋通道,是出力調(diào)平回路的關(guān)鍵所在。下游控制器的出力偏置的變化直接影響上游控制器的輸出,快速調(diào)整下游執(zhí)行機構(gòu)的出力,達到擾動的內(nèi)部快速“消化”,從而減少對工藝系統(tǒng)的沖擊。圖中各執(zhí)行機構(gòu)偏置、出力以及上游控制器的指令均應滿足式(1)(2),上游控制器的前饋量F稱該算法為偏置前饋平衡算法。然而,該算法的收斂性以及出力最終平衡是保證其能夠?qū)嵱玫那疤釛l件。下文將證明該算法的收斂特性。3自動狀態(tài)下的執(zhí)行不失一般性,假定控制系統(tǒng)中編號為1、2、3、…、n的執(zhí)行機構(gòu)在運行狀態(tài),其中,1、2、…、r在手動狀態(tài),r+1、…、n在自動狀態(tài)。另外,在證明平衡算法收斂性過程中,假定上游的控制器入口偏差為0,即處于平衡狀態(tài)。實際現(xiàn)場情況下,可以通過修改自動狀態(tài)下的執(zhí)行機構(gòu)的偏置或直接改變手動狀態(tài)執(zhí)行機構(gòu)的出力來調(diào)整執(zhí)行機構(gòu)之間的出力分配。為方便說明問題,分下面兩命題進行論證。3.1行機構(gòu)出力變化在某穩(wěn)定時刻,某自動狀態(tài)的執(zhí)行機構(gòu)第m臺進行了改變偏置的操作,假設(shè)變化的偏置量為△B其中,△D下面利用離散化手段第1運算周期:第m臺執(zhí)行機構(gòu)出力變化如式(5)所示,其他執(zhí)行機構(gòu)的指令在本運算周期內(nèi)假定不變。偏置的指令前饋作用使得上游指令的變化為第2運算周期:手動狀態(tài)下的執(zhí)行機構(gòu)偏置相對上一周期的變化為自動狀態(tài)下的執(zhí)行機構(gòu)出力相對上一周期的變化為上游指令相對上一周期的變化為第K運算周期:手動狀態(tài)下的執(zhí)行機構(gòu)偏置相對上一周期的變化為自動狀態(tài)下的執(zhí)行機構(gòu)出力相對上一周期的變化為上游指令相對上一周期的變化為故整個指令變化之和趨于平衡并收斂,命題得證。3.2偏置前饋算法在某穩(wěn)定時刻,某手動狀態(tài)的第m臺執(zhí)行機構(gòu)進行了偏置改變操作,假設(shè)變化的偏置量為ΔD其中,ΔD依據(jù)式(1)(2)和偏置前饋算法式(3),以及命題一類似的推導過程,當初于手動狀態(tài)的執(zhí)行機構(gòu)改變指令ΔD第K周期:自動狀態(tài)下的執(zhí)行機構(gòu)出力相對上一周期的變化為手動狀態(tài)下的執(zhí)行機構(gòu)偏置相對上一周期的變化為上游指令相對上一周期的變化同樣可以得出指令變化趨于0,且故指令平衡且收斂,命題二得證。4多執(zhí)行機構(gòu)控制系統(tǒng)不健全問題上的補償建議上述是在理想情況下,經(jīng)過足夠長的周期保證多執(zhí)行機構(gòu)控制系統(tǒng)出力最終收斂并保持平衡。實際工程應用中,在極少的運算周期內(nèi)通過算法本身便可基本完成各執(zhí)行機構(gòu)的出力調(diào)整與平衡。通過分析上述的推導過程可知,當所有的執(zhí)行機構(gòu)在自動狀態(tài)下,通過改變某執(zhí)行機構(gòu)的偏置達到出力重新分配,最多只需2個運算周期就可以達到新的平衡狀態(tài)。2個運算周期相對于普通的工業(yè)對象的時間常數(shù),完全可以忽略。故而,采用文中平衡算法的多執(zhí)行機構(gòu)控制系統(tǒng)的出力調(diào)整對整個工藝過程沒有任何擾動或沖擊。然而,在算法工程應用的控制組態(tài)過程中,還應該考慮功能模塊時序的問題,即運算的順序,保證平衡算法能夠在盡可能少的運算周期內(nèi)快速消除內(nèi)部出力調(diào)整帶來的擾動。建議按照圖2從上至下、從左到右來安排功能模塊的運算次序。本算法的核心思想是引入各執(zhí)行機構(gòu)的出力偏置作為上游控制器的前饋量。計算上游控制器前饋量時,要遵循的原則是:在運行的執(zhí)行機構(gòu)偏置才能起作用,即式(3)中統(tǒng)計的是在運行執(zhí)行機構(gòu)的平均偏置。實際上,某些工藝過程中并非執(zhí)行機構(gòu)啟動后就會有真實出力,還需依據(jù)工藝過程參數(shù)確認有真實出力的邏輯條件,從而確定該臺執(zhí)行機構(gòu)出力偏置是否計入前饋量。由于各執(zhí)行機構(gòu)啟停或真實出力的有無會直接影響上游控制器的前饋量,故而應該在出現(xiàn)出力或在運行執(zhí)行機構(gòu)個數(shù)發(fā)生變化時,上游控制器必須進入保持狀態(tài),而且保持的時刻要早于在運行執(zhí)行機構(gòu)運行個數(shù)發(fā)生變化的時刻,而且保持狀態(tài)消失時刻應該要晚于在運行執(zhí)行機構(gòu)運行個數(shù)發(fā)生變化的時刻。控制系統(tǒng)軟件組態(tài)過程時需要脈沖的上升沿延時和下降沿延時功能模塊共同的邏輯關(guān)系。執(zhí)行機構(gòu)出力的界定也是值得探討的問題。執(zhí)行機構(gòu)的出力不能簡單將執(zhí)行機構(gòu)的控制指令或開度作為出力的評定依據(jù),而是要依據(jù)實際工藝過程中的實際輸送物料的能力來唯一確定,如火電生產(chǎn)過程中的鍋爐汽動給水泵的出力和電動給水泵的出力則不能簡單以轉(zhuǎn)速指令百分比作為執(zhí)行機構(gòu)的出力,而需要將給水泵的出水流量作為出力計算的依據(jù)。當下游的執(zhí)行機構(gòu)均在手動時,上游控制器輸出必須處于跟蹤狀態(tài)。實際應用中,其跟蹤量的獲取卻五花八門,有的采用執(zhí)行機構(gòu)的平均出力,有的采用實際出力最小值,有的采用實際出力的最大值。這樣帶來的不利結(jié)果是某執(zhí)行機構(gòu)投入自動后,由于較窄的偏置限幅可能導致該執(zhí)行機構(gòu)出力偏置無法正確跟蹤,最終引起該執(zhí)行機構(gòu)手自動切換時刻出力的突變,引起系統(tǒng)不必要的波動。筆者建議上游控制器的跟蹤量采用實際有出力的執(zhí)行機構(gòu)的加權(quán)平均出力,即跟蹤量T在多執(zhí)行機構(gòu)的控制系統(tǒng)設(shè)計時,增益補償問題是一個大家均會考慮到的問題,即多執(zhí)行機構(gòu)的自動控制回路中,增益調(diào)度回路用于補償不同臺數(shù)的執(zhí)行機構(gòu)在自動狀態(tài)下系統(tǒng)增益的變化。但是,在實際過程中,往往控制組態(tài)人員僅將運行的執(zhí)行機構(gòu)的臺數(shù)進行簡單的累加處理,并沒有考慮到機組實際出力系數(shù)對整個系統(tǒng)增益的影響,實際回路增益補償系數(shù)應該為5其他相關(guān)算法本文論述了一種多執(zhí)行機構(gòu)控制系統(tǒng)出力平衡調(diào)整的快速消除內(nèi)部擾動的控制算法,該算法將各執(zhí)行機構(gòu)的偏置量引入至上游控制器的前饋通道,將之稱為“偏置前饋”算法。通過采用離散控制系統(tǒng)的思想詳細計算出了控制系統(tǒng)各參量的變化,最終推導出了該算法的一致收斂特性,而且該算法保證了出力調(diào)整過程中各執(zhí)行機構(gòu)能夠快速恢復至新的平衡狀態(tài)。最后,為給工程應用提供更加實用的參考,還針對該算法的工