2024年3月16日发(作者：)
２０１１年６月 第２期 河北工程技术高等专科学校学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＥＢＥＩ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＣＯＬＬＥＧＥ Ｊｕｎ．２０１ｌ Ｎｏ．２ 文章编号：ｌ００８—３７８２（２０１１）Ｏ２—００６１一Ｏ４ 基于预测控制的湿式空气滤清器控制系统的设计 和红梅，孙晓晖 （河北工程技术高等专科学校电力工程系，河北沧州０６１００１） 摘要：对空分装置ＤＣＳ控制系统中的现场控制站一湿式空气滤清器控制系统的工作原理和控制方案进行了深入研究，采用广 义预测控制算法对控制系统进行设备改造与技术更新，实验结果表明达到了一定的控制效果。 关键词：湿式空气滤清器；控制系统；广义预测控制 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ａ 湿式空气滤清器工作原理 湿式空气滤清器也称油浴式滤清器。在片状的链带上装有框架，而框架上装有若干层丝织的过滤网，过 滤网上浸有油膜，利用过滤网上的油膜粘附空气中的固体杂质和尘土，从而得到干净的空气。链带是由电动 机变速后经过链轮而带动它缓慢地移动。过滤器的下部有一个油槽，当过滤网经过油槽时，将附着在过滤网 上的杂质清洗掉。同时，过滤网也重新覆盖一层新的油膜。它与干式空气滤清器相比，其优点主要表现在滤 芯不需要更换，可多次清洗重复使用，保养后能恢复其原始性能，经济性较好；缺点是维护保养周期较短，一 般为５Ｏ～ｌＯＯｈ，通常仅为干式滤清器的１／５左右Ｌ１］。 １．１ 现有湿式空气滤清器控制弊端 湿式空气滤清器带动链带的电动机，在连续运转中耗油量很大，过滤后空气的带油量也很大，对后面的 设备和工艺带来不利影响。另外，系统无自调节能力、精度差、抗干扰能力差。如果将系统设计为闭环控制系 统，根据阻力的大小来变频调节电动机的转速，而且采用先进控制策略，在不改变已有的性能指标的前提下， 可以达到节能降耗的目标。 １．２ 过滤效率 过滤效率是指被捕捉的粉尘量与原空气含尘量之比，用 表示 ，即 ｍｃｐ一一一 ７￣１ｕｐ 一１一一ｍｄｐ ７［１ｕｐ ，，ｌｕｐ 式中， 为过滤器捕集到的粉尘量； 为上游空气含尘量；ｍｄｐ为下游空气含尘量。 ２硬件及软件实现 ２．１硬件系统构成 湿式空气滤清器控制系统现场控制站的结构框图 如图１所示。 控制系统分为主回路部分和控制回路部分。图１ 图１现场控制站的结构框图 收稿日期：２０１０—１２—０７ 项目编号：国家科技支撑计划项目（２Ｏ０７ＢＡＥ１７Ｂ０） 作者简介：和红梅（１９８３一），女，河北保定人，河北工程技术高等专科学校助理实验师。
６２ 河北工程技术高等专科学校学报 为控制回路，硬件设备包括：上位机、文本显示器、Ｓ７２００ＰＩ Ｃ、ＭＭ４４０变频器、粒子计数器、液位变送器等。 主回路由隔离开关、低压断路器、交流接触器、变频器和三相异步电动机等组成。 ２．２ 软件实现 根据控制对象的数学模型和广义预测控制的基本原理，可推导出一阶惯性加纯滞后过程的单步广义预 测控制的最优控制律。 １）预测模型 将ｃ（ｓ－＿－ ｅ一进行离散化：Ｇ（ｚ ）＝ｒ笔 式中， ：ｅ卞；６一Ｋ（１－－ａ）； 一鲁；丁 为一阶保持器的采样时间。 考虑被控对象为ＣＡＲＩＭＡ模型，则实际系统可以表示成如下形式： （１一口 ～ ） （￡）一ｂｚ－ （￡一１）＋ （１） 式中，Ａ（ ）一１一口２＿。，Ｂ（ ）＝ｂ。 ２）预测输出 在目标函数中最小预测时域应该大于等于死区时间，这样才能保证在最小时域系统输出．），（ｚ）不被第一 次控制变量 （ ）所影响。为了消除系统纯滞后时间的影响，预测时域应取为 ＋１， ＋Ｐ］ 引。 系统理想预测输出为 Ｙｐ（ｆ＋ｄ＋ ）一Ｇ （ －１）Ａｕ（ｔ＋ 一１）＋Ｆ （２一 ） （￡＋ ）＋Ｈ』（ 一 ）Ａｕ（ｆ一１） （２） ３）目标函数 其目标函数为： Ｊ一∑［ｊ，户（￡＋ｄ＋ ）一Ｙｒ（￡＋ｄ＋力。＋∑ ［△ （ｆ＋Ｊ一１）］ｚ ｛一１ ｉ一１ （３） ４）最优控制律 目标函数可写成 Ｊ一（ ｐ— ，） （ ｐ— ，）＋ＡＡＵ ＡＵ （４） 式中， 一［ （ｆ＋ 十１），ｙ （ｚ＋ ＋２），…，ｙ （ｆ＋ ＋户）］ ； Ｙ，＝［ ，（ｆ＋ ＋１），Ｙ （￡＋ ＋２），…，Ｙ，（ｆ＋ ＋户）］ ； Ｙ，（ ＋ｄ＋ ）一日 ｙ（ｔ＋ ）＋（１一口Ｊ） ｐ。 得到最优控制律为【４］： ＡＵ一（Ｇ Ｇ＋ ）～ Ｇ ［ｙ，一Ｆ （ ）一ＨＡｕ（ｆ一１）］ （￡）一“（ｚ一１）＋ｇ ［ 一Ｆｙ（ｔ）一ＨＡｕ（ｔ一１）］ ５）单步预测控制律 （５） （６） 当预测步长Ｐ：１，控制步长１－－１时，即为单步预测控制时，则Ｄｉｏｐｈａｎｔｉｎｅ方程的解为Ｅ （ ）一１； Ｆ１（ 一 ）一（１＋口）一口 一 ； Ｇ１（ 一 ）一ｇｏ＝Ｐ０ｂ０；Ｈ１（ｚ ）一 ｏＢ（ｚ一 ）一 ０ｂｏ］一 （６—６）一０。 由式（１），系统最优预测输出：ｙｐ（￡＋ ＋１）＝ｂＡｕ（ｆ）＋［（１ｑ－－ａ）一口 －１ （ｆ＋ ） 令 一０，则目标函数为： 一［ ｐ（ｆ＋ ＋１）－－ｙ，（￡＋ ＋１）］。 由式（５）和式（６），得最优控制律： Ａｕ（ｔ）一 ！± ± 二！ 二：［ ± 二 三二：］ ！ ± ０ －（７） （ ）一 （ 一１）＋—｛ａ１ｙ（ｔ＋ｄ）＋（———ａ———————）ｙ，ｐ——－（１＋ａ）［－ａｚ－———￣］ｙ（ｔ＋ｄ）｝ ——————门 （８）
第２期 和红梅等：基于预测控制的湿式空气滤清器控制系统的设计 ６３ 预测控制算法的实现目前依然基于ＰＣ机，通过专用的预测软件包来完成。 ３模拟实验结果与分析 ３．１ 被控对象数学模型确定 被控对象的近似数学模型为： Ｇ∽一 ｅ ０ｊ （９） ３．２广义预测控制算法实现 将式（５）离散化，得： Ｇ（ 一 ）一ｉ— 即：ａ一０．９３２ ４，６—０．００８ ５， 一６。 一６ （１０） 则由式（７）和式（８）得： （口一１．９３２ ４）ｙ（ｔ＋６）＋（１一ａ） Ａｕ（￡）一 ０．００８ ５ ＋０．９３２ ４ｙ（ｔ＋５） （日一１．９３２ ４）ｙ（ｔ＋６）＋（１一ａ）ｊ，即＋０．９３２ ４ｙ（ｔ＋５） （￡）＝Ｕ（￡一１）＋ ０．００８ ５ 系统的期望值为Ｙ ：０．１００ ｍ，参考轨迹的时间常 数口一０．２，零阶保持器的采样周期为５ Ｓ， （￡一１）一ｏ。 通过ＭＣＧＳ组态软件对系统进行实时监控，系统输出曲 线的运行环境如图２所示。图中实线为系统的输出曲线 ｊ，（￡），虚线为系统的期望值 ｐ。 ３．３模拟实验结果分析 ３．３．１控制系统性能分析 在ＪＷＳ一６／３—４综合实验装置上进行了ＰＩＤ控制的 模拟实验，其ＰＩＤ调节控制面板如图３所示。 图２系统输出曲线的运行环境 图３ ＰＩＤ调节控制面板
６４ 河北工程技术高等专科学校学报 广义预测控制适用于开环不稳定的非最小相位系统、未知时延或阶次未知的生产过程。单步广义预测控 制算法结构简单，容易实现，而且在线调试的参数少，易于调试。由系统的输出曲线可以看出，它能很好地使 系统的输出跟踪期望值，调节时间在２５ ｍｉｎ左右，相对于ＰＩＤ控制其快速性要好的多，而且系统：具有较好 的稳态性能，其稳态误差小于０．００５ ｍ。 ３．３．２系统节能效果分析 通过模拟实验，当系统的输出达到系统的期望值时，变频器的输出频率稳定在３Ｏ Ｈｚ左右。当电动机转 速低于额定转速运行时，电动机的理论节电为： Ｅ—Ｉ １一ｆ １ Ｉ．ＰＮ．于 ．（１１） 式中， 为电动机的实际转速； 为电动机的额定转速；Ｐ 为电动机的额定功率；于为工作时间，ｈ。 改造后系统与改造前间歇运行系统单位耗能比较： 根据式（１１），令于一１ ｈ，改造后控制系统电动机的节电量为： Ｅ 一［ 一（ ）。］・Ｐ ・ ＝［ 一（ ）。］・Ｐ 一［ 一（器）。］×３７—２９．００８ ｋｗ 则控制系统电动机的耗电量为： Ｅ２一ＰＮ・ 一Ｅ１—３７ Ｘ １—２９．００８—７．９９２ ｋＷ・ｈ 控制系统电动机的单位耗电量（于一１ ｈ）下降率为： △ 一 ‘ 一 ：６．３９ 由以上的能耗计算可以看出，控制系统在相同运行时间（１ ｈ）的前提下，改造后控制系统的耗电量大大 降低，其单位能耗降低了６．３９ ，达到了系统的设计指标。 参 考 文 献 Ｅｌｉ何其高．空分装置自动化［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８８． Ｅ２７蔡杰．空气过滤器专题讲座ＥＪ３．洁净与空调技术，２００２，（３）：６２—６３． ［３］郭敬枢．一种含纯滞后对象的模型预测反馈的控制方法［Ｊ］．基础自动化，１９９４，１（１）：１２—１５． ［４］刘玉民．用ＧＰＣ算法实现对一阶惯性加纯滞后对象的预测控制［Ｊ］．唐山学院学报，２００５，１８（２）：１００—１０１ Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｗｅｔ Ａｉｒ Ｆｉｌｔｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ＨＥ Ｈｏｎｇ—ｍｅｉ，ＳＵＮ Ｘｉａｏ—ｈｕｉ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｂｅｉ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｃａｎｇｚｈｏｕ ０６１００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ａｎ ｏｎ—ｓｉｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔａｔ ｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｌａｎｔ ＤＣＳ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ——ｗｅｔ ａｉｒ ｆｉｌｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｅｐｌｙ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｒｅｎｏｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｕｐｄａｔｅ Ｏ［ｔｈｅ ｃｏｎ— ｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｉｔ ｈａｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｃｅｒｔａｉｎ ｒｅｓｕｈｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｅｔ ａｉｒ ｆｉｌｔｅｒ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ；ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ （责任编辑：张铁壁）
