水下电弧控制系统串级预测函数控制的研究与应用

Research and Application of Cascade PFC Control for Submerge Arc Control System ZHANG Hui,WANG Qin-ruo (Faculty of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510090, China) Abstract: In this paper, the working principle of the submerge arc control system is introduced. The cascade PFC strategy is presented by combining PFC with PID control, and applied to the non - linear second - order plus delay plant of submerge arc. The main aim of this application is to enhance the stabilization and the gas output of the Magnegas (or call arc gas) manufacturing system. Simulations show that PFC- PID cascade control for magnegas manufacturing system has better performance than classical digital PID controller. The system has been used in arc gas automatic product line successfully, and gains satisfactory effect, Key words : Predictive Functional Control (PFC) ; cascade control ; Magnegas 1 引言 水下电弧有着广泛的用途，其中应用之一是水下制取“电弧气”[1,2]。在大电流、大功率条件下制造电弧气的一个关键要素就是保持电弧电压和电流的恒定也即控制电弧间距保持不变，使电弧能在水下稳定放电。但水下电弧的稳定控制却非常困难，如运用常规PID控制进行调节，会经常因跟不上电压变化速度或因超调量过大，引起断弧或短路 现象的产生，难以维持水下电弧的稳定，影响电弧气产气效率和成份。 本文针对电弧气生产过程中弧间电压的控制难、扰动因素较多，常规串级PID控制难以取得满意的调节效果的特点，而预测函数控制(PFC)[3,5]可以克服其他模型预测控制可能出现规律不明的控制输入问题的优点，将PFC和PID控制相结合，提出了串级预测函数的水下电弧稳定控制的策略，试验结果表明，采用PFC-PID串级控制策略的水下电弧控制系统的动态品质明显优于采用传统PID控制的系统，具有较强的鲁棒性和抗干扰能力。 2 水下电弧控制系统的工作原理 在水下电弧控制系统中，电弧放电在反应器中完成，气体由此产生。电极控制装置连续地将碳棒电极送入反应器中并维持电极电弧的稳定，从而保持电弧电压电流的恒定，使得产气成分稳定和产气效率提高[4]。水下电弧控制系统示意图如图1所示： 1．控制器2．伺服放大器3．220W交流伺服电动机4．进退限位开关5．碳棒检测开关6．前进限位开关7．阴极碳棒8．阳极碳棒9．下棒控制电磁阀10．反应堆T．反应罐温度P．反应罐压力U．电弧电压I．电弧电流 图1 水下电弧控制系统示意图 碳棒的进退是通过伺服电机经传动作用来实现控制的。控制器通过不断检测T，P，U，I值的大小及各开关量的状态，来控制电机的转速，通过动丝杆传动作用推动炭棒前进，当碳棒前进速度同碳棒燃烧速度一致时，可认为弧长基本不变，从而实现整个电弧的电压电流恒定控制。 由于阴极碳棒相对阳极碳棒燃烧速度很慢，在工艺设计时，将阴极碳棒与推进导杆连为一体，由伺服电机控制该碳棒的进退，其换棒工序需人工手动完成；阳极碳棒则与推进导杆相分离，导杆只可往前推进碳棒，而不能控制其后退，通过位置检测开关检测碳棒是否推进到位，以决定是否进入自动换棒工序。在进行换棒时，电机控制阴极导杆快速后退，同时另一电机控制阳极碳棒自动跟进，以免断弧。 3 PFC - PID串级电弧控制系统 预测函数控制的优点在于控制过程中的各参数对控制性能的影响恰好各有侧重，可以根据性能要求很快整定出参数，其控制算法简单，对模型要求低，易于工程实现。将预测函数控制和PID控制相结合，构成以PFC为监督层，常规PID为控制层的PFC - PID串级水下电弧控制系统的结构原理如图1所示。 的过程模型来修正实际测量值，利用数学归纳法可以得到K+P时刻的模型输出： 4 系统仿真 (1)当扰动D=O时，采用①，②两种方法的控制系统阶跃响应曲线如图2中所示。 从图2中可以看出，采用PFC - PID串级控制相比PID控制没有超调量，不会引起电弧短路造成灭弧。过渡过程时间更短，其动态特性明显优于采用传统的PID控制。 (2)当扰动D≠0时，在t=40□60时加入一个幅值为0．5的阶跃干扰，采用①，②两种方法的控制系统阶跃响应曲线如图3中所示。 从图3可以看出在阶跃干扰下PFC - PID控制较PID控制超调量更小，其抗脉冲干扰能力更强，具有较好的动态特性，更能保证电弧产气过程的稳定性控制。 5 实际应用 注：图4、5中横坐标为时间轴。单位为秒(S)；纵坐标为输出电压值，单位为伏特(V)。 从图上可以看出，当设定工作电压为38V时，实际控制输出的电压的波动范围90％以上在内，而在该条件下当电弧电压在V左右时，处于临界断弧状态；当电弧电压超过42V时，则出现断弧，产气过程不能连续工作。由此可见，运用PFC— PID串级控制，基本实现了产气过程对电弧电压的稳定控制。 6 结论 将PFC和PID控制相结合，提出了PFC—PID串级控制策略，给出了其具体算法。仿真实验和实际应用表明，该种控制方法具有良好的鲁棒性和抗干扰能力。其算法简单，易于工程实现，能有效的克服电弧的扰动，使工作电压更平稳。该控制策略具有较高的实用价值，现已成功应用于水下电弧气自动生产线中作为电弧电压稳定性控制。 参考文献 [1] NATIONAL HYDROGEN VISION MEETING[J]. Washington, DC. November 15 - 16, 2001. [2] A.K. Aringazin, Toroidal configuration of the orbit of the electron of the hydrogen atom under strong external magnetic fields [J].May 10, 2001. [3] VanDoren, Vance J. Advanced control software goes beyond PID[J]. Control Engineering, Jan98, Vol. 45 Issue 1, p73,4p, 4c. [4] 董培新．水下电弧控制系统设计及预测函数控制应用研究[D]．广东工业大学硕士论文．2002．18～24． [5] 王树青，等，先进控制技术及应用[M]．北京：化学工业出版社，．2001．111～128． [6] 李鹤歧李春旭，等．电弧喷涂控制系统研究之一：数学模型的建立及PID控制器设计[J]．电焊机．2001．3l(1)．12～16． [7] 侯志林．过程控制与自动化仪表[M]．北京：机械工业出版社2000．178．