CN109917640A

CN109917640A - 一种喷雾干燥塔进风温度内模pid控制方法、装置和设备

Info

Publication number: CN109917640A
Application number: CN201910219159.5A
Authority: CN
Inventors: 刘美俊
Original assignee: Xiamen University of Technology
Current assignee: Xiamen University of Technology
Priority date: 2019-03-21
Filing date: 2019-03-21
Publication date: 2019-06-21
Anticipated expiration: 2039-03-21
Also published as: CN109917640B

Abstract

本发明实施例提供一种喷雾干燥塔进风温度内模PID控制方法、装置和设备，该方法包括：获取喷雾干燥塔的进风温度偏差；将所述进风温度偏差输入内模PID控制器进行运算后得到输出结果，以根据所述输出结果对所述喷雾干燥塔的进风温度进行调节，提高控制精度；其中，所述内模PID控制器通过将内模控制器与常规PID控制器相融合获得，所述内模控制器进行预先设计。本发明提供的内模PID控制器的鲁棒性更强，提高了干燥塔温度控制精度，提高了控制***的自适应性和响应速度。

Description

一种喷雾干燥塔进风温度内模PID控制方法、装置和设备

技术领域

本发明涉及工程控制技术领域，具体而言，涉及一种喷雾干燥塔进风温度内模PID控制方法、装置和设备。

背景技术

喷雾干燥塔是目前建筑行业广泛采用的一种制粉生产设备，通过雾化、干燥，形成满足含水率要求的细粉粒。干燥塔热效率的高低主要取决于进风温度和尾气排放温度的大小：进风温度越高，干燥塔热效率越高，反之热效率则越低；尾气温度的影响则与之相反。因此，要提高热效率的主要途径为：提高进风温度、降低尾气温度。然而，尾气排放温度主要受粉料水分和换热***的整体性能影响，属于多点多层次的控制，控制难度大，实际操作不容易，控制效果不理想。而进风温度主要取决于热风炉内的燃烧情况，属于单点控制，通过采用先进的控制技术，可以取得良好的控制效果和节能效果，技术实施方便，但是由于被控对象存在较大滞后，干扰因素多，用传统的PID算法其控制精度难以保证。

内模控制技术(Internal Model Control，IMC)是近年来发展起来的一项新技术，其优点是任意逼近复杂的非线性曲线的能力，具有较强的非线性逼近能力和自学习能力。喷雾干燥塔整个生产过程属于热能交换，干扰因素多，而内模控制不依赖于被控对象的精确数学模型(控制时采用近似模型)，是依据人对被控对象的操作经验构成适当的算法进行控制的，非常适合于此类设备对象的控制，在干燥塔运行生产过程中，干燥塔进风温度符合控制指标要求，干燥粉的含水率也就达到了要求。

因此，如何设计一种基于内模PID(IMC-PID)的进风温度控制***，以解决上述技术问题，即为本领域技术人员的研究方向所在。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种喷雾干燥塔进风温度内模PID控制方法、装置和设备，以改善现有技术中控制精度差的问题。

本发明实施例提供了一种喷雾干燥塔进风温度内模PID控制方法，包括:

获取喷雾干燥塔的进风温度偏差；

将所述进风温度偏差输入内模PID控制器进行运算后得到输出结果，以根据所述输出结果对所述喷雾干燥塔的进风温度进行调节，提高控制精度；其中，所述内模PID控制器通过将内模控制器与常规PID控制器相融合获得，所述内模控制器进行预先设计。

优选的，所述内模控制器的设计过程具体包括：

将所述被控对象模型分解为两项和有：

其中：对任一角频率ω，有

引入滤波器F(s)，得到：

其中，γ为对象模型的相对阶次且γ>0，T_f为低通滤波器的参数。

优选的，所述常规PID控制器的传递函数为：

其中，K_P、T_I、T_d分别为常规PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数。

优选的，所述内模PID控制器通过将内模控制器与常规PID控制器相融合获得，具体包括：

将内模控制***中的内环反馈环节传递函数与常规PID传递函数等效，则：

由于G_PID(s)存在积分环节，将其表示为：

得到，

根据泰勒级数展开上式，得到：

式中，

令得到：

进而得到：

由以上各式可得内模PID控制器的控制系数：增益系数K_P、积分时间T_I和微分时间T_d。

优选的，所述内模PID控制器通过将内模控制器与常规PID控制器相融合获得，还包括对所述内模PID控制器进行参数整定，步骤如下：

对被控对象进行低阶模型等效；

对等效模型进行分解；

求出和在s＝0处的各阶次导数；

选取滤波器常数T_f，并求解D(s)在s＝0处的各阶导数；

求得f(s)在s＝0处的各阶导数；

求出内模PID控制器参数。

优选的，对所述内模PID控制器进行参数整定，具体包括：

获取被控对象的近似一阶惯性加纯滞后传递函数：

根据内模PID参数整定方法分解上式得到：

取滤波器参数γ＝1，得到：

D(0)＝T_f+τ

进而得到，

经过化简，可以得到内模PID控制器的参数为：

本发明实施例还提供了一种喷雾干燥塔进风温度内模PID控制装置，包括：

温度偏差获取单元，用于获取喷雾干燥塔的进风温度偏差；

进风温度调节单元，用于将所述进风温度偏差输入内模PID控制器进行运算后得到输出结果，以根据所述输出结果对所述喷雾干燥塔的进风温度进行调节，提高控制精度；其中，所述内模PID控制器通过将内模控制器与常规PID控制器相融合获得，所述内模控制器进行预先设计。

本发明实施例还提供了一种喷雾干燥塔进风温度内模PID控制设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如上所述的喷雾干燥塔进风温度内模PID控制方法。

本发明所提供的喷雾干燥塔进风温度内模PID控制方法、装置和设备的有益效果是：

与传统的PID控制相比，本发明通过将内模控制器与常规PID控制器相融合获得内模PID控制器，内模PID控制器的鲁棒性更强，并且对于比较复杂的干燥塔进风温度控制，可以利用近似数学模型表达式来表达进风温度，提高了干燥塔温度控制精度，提高控制***的自适应性和响应速度，同时可提高生产效率和产品质量，符合节能、低耗的发展趋势。同时内模PID控制器也利用了模糊控制思想，但是与模糊规则下的控制过程相比，它更加简化。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明第一实施例提供的喷雾干燥塔进风温度内模PID控制方法的流程示意图；

图2为本发明第一实施例中喷雾干燥塔的组成结构示意图；

图3是本发明第一实施例中内模控制器的结构示意图；

图4是本发明第一实施例中不同PID参数整定方法的控制效果对比图。

图5是本发明第二实施例提供的喷雾干燥塔进风温度内模PID控制装置的结构示意图。

图标：1-热风炉；2-进口管温度变送器；3-干燥塔体；4-控制屏；5-泥浆泵；6-雾化器；7-振动筛；8-尾气温度变送器；9-排风机；10-水浴除尘器；11-烟囱；12-Ziegler-Nichols整定方法；13-Eivera整定方法；14-Cohen-Coon整定方法；15-IMC-PID整定方法；201-温度偏差获取单元；202-进风温度调节单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，本发明第一实施例提供了一种喷雾干燥塔进风温度内模PID控制方法，包括:

S101，获取喷雾干燥塔的进风温度偏差；

在本实施例中，喷雾干燥塔如图2所示，其工作原理为：1)燃料经喷嘴进入热风炉1中燃烧，加热混合室中的空气至450～500℃，高温烟气通过热风管道进入干燥塔体3；2)含水率为33％～40％的泥浆，由泥浆泵送至雾化器6，在塔内雾化成50～300ppm的雾滴群；3)雾滴群与高温烟气进行热湿交换，脱水后迅速被干燥成含水率为6％～8％左右的球状粉料，并在重力作用下聚集于塔底卸出；4)含有微细粉尘的废气经旋风分离器和水浴除尘器10除尘净化后，由排风机9经送至烟囱111排入大气。干燥塔热效率的高低主要取决于进风温度和尾气排放温度的大小：进风温度越高，干燥塔热效率越高，反之热效率则越低。喷雾干燥塔通过雾化、干燥，形成满足含水率要求的细粉粒，干燥塔的进风温度是影响产品含水率的重要因素。

温度偏差是输入给定与实际检测所得输出值的差。在工业的生产过程中，控制器通过收集温度数据，将其与输入控制器与参考值进行比较，获取温度偏差，将所述温度偏差作为数学模型的计算输入值，可以根据所述温度偏差的大小智能控制和调节温度，使***更加准确、稳定。

S102，将所述进风温度偏差输入内模PID控制器进行运算后得到输出结果，以根据所述输出结果对所述喷雾干燥塔的进风温度进行调节，提高控制精度；其中，所述内模PID控制器通过将内模控制器与常规PID控制器相融合获得，所述内模控制器进行预先设计。

具体的，所述控制结构如图3所示，内模控制(Internal Model Control，IMC)的核心就是将被控对象模型并联到回路中，控制器逼近模型的动态逆，故其结构包括模型、控制、反馈环节三个部分。图2中，G_IMC(s)为内模控制器，G(s)为控制对象，为过程对象模型，D(s)为外界扰动，U为内模控制器输出。所述内模控制器的设计过程包括：

首先，不考虑***的鲁棒性和约束，设计一个稳定的理想控制器，具体包括：

将所述被控对象模型分解为两项和有：

其中：是一个全通滤波器传递函数，对任一角频率ω，有是具有最小相位特性的传递函数，即具有稳定性。

其次，通过引入滤波函器来保证***的稳定性和鲁棒性，在内模结构中加入滤波器，使滤波器的参数变成***的可调参数，具体如下：

引入滤波器F(s)，得到：

其中，γ为对象模型的相对阶次且γ>0，T_f为低通滤波器的参数，同时也是内模控制器仅有的设计参数。

在本实施例中，当过程模型已知时，一般根据工程经验将T_f赋值，然后根据实际的过程输出进行调整。

其中，所述常规PID控制器的传递函数为：

其中，K_P、T_I、T_d分别为PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数。

具体的，所述内模PID控制器通过将内模控制器与常规PID控制器相融合获得，包括：

由于G_PID(s)存在积分环节，将其表示为：

将(7)式代入(6)得到，

根据泰勒级数展开上式，得到：

式中，K＝f′(0),

令得到：

进而得到：

在本实施例中，通过内模控制技术和PID控制组合成内模PID控制器，使其适应喷雾干燥塔***的复杂性。该控制器可以很好解决喷雾干燥塔烧制过程中由于控制精度问题而引起的问题，提高了***的鲁棒性，提高了控制的响应速度。

在第一实施例的基础上，在一个优选实施例中，所述内模PID控制器通过将内模控制器与常规PID控制器相融合获得，还包括对所述内模PID控制器进行参数整定，步骤如下：

对被控对象进行低阶模型等效；

对等效模型进行分解；

求出和在s＝0处的各阶次导数；

选取滤波器常数T_f，并求解D(s)在s＝0处的各阶导数；

求得f(s)在s＝0处的各阶导数；

求出内模PID控制器参数。

具体的，对所述内模PID控制器进行参数整定，包括：

获取被控对象的近似一阶惯性加纯滞后传递函数：

根据内模PID参数整定方法分解上式得到：

其中，

取滤波器参数γ＝1，得到：

D(0)＝T_f+τ (19)

进而得到，

经过化简，可以得到内模PID控制器的参数为：

优选的，滤波器的时间常数T_f是一个可调整的参数，通过对控制器的控制效果进行验证，调整滤波器常数T_f，提高***的鲁棒性。

在本实施例中，基于内模PID的控制器，对温度控制***PID参数进行整定，确定相关控制系数，可以很好地解决喷雾干燥塔大滞后、大惯性和非线性等问题，达到最佳的温度控制效果，且设计简单，能够兼顾***的稳定性和鲁棒性，达到对***的无静差控制。

为了体现内模PID控制器的良好调节性，本发明将其与其他几种PID参数整定方法进行了对比，不同PID参数整定方法如表1所示，不同PID参数整定方法的参数值如表2所示，不同PID整定方法的控制效果如图4所示.

表1不同PID参数整定方法

表2不同PID参数整定方法的参数值

从图3可以看出，采用采用Ziegler-Nichols整定方法12获得的PID系数不但调节速度慢，且有很大的超调量出现；采用Eivera整定方法13获得的PID系数对整个***的调节速度是四种整定方法中最慢的；只有采用Cohen-Coon整定方法14和IMC-PID整定方法15的结果比较相近，但是明显采用IMC-PID整定方法15比采用Cohen-Coon整定方法14的调节速度快。

本发明第二实施例提供了一种喷雾干燥塔进风温度内模PID控制装置，包括：

温度偏差获取单元201，用于获取喷雾干燥塔的进风温度偏差；

进风温度调节单元202，用于将所述进风温度偏差输入内模PID控制器进行运算后得到输出结果，以根据所述输出结果对所述喷雾干燥塔的进风温度进行调节，提高控制精度；其中，所述内模PID控制器通过将内模控制器与常规PID控制器相融合获得，所述内模控制器进行预先设计。

优选的，所述内模控制器的设计过程具体包括：

将所述被控对象模型分解为两项和有：

其中：对任一角频率ω，有

引入滤波器F(s)，得到：

优选的，所述常规PID控制器的传递函数为：

由于G_PID(s)存在积分环节，将其表示为：

得到，

根据泰勒级数展开上式，得到：

式中，K＝f′(0),

令得到：

进而得到：

优选的，还包括对所述内模PID控制器进行参数整定，步骤如下：

对被控对象进行低阶模型等效；

对等效模型进行分解；

求出和在s＝0处的各阶次导数；

选取滤波器常数T_f，并求解D(s)在s＝0处的各阶导数；

求得f(s)在s＝0处的各阶导数；

求出内模PID控制器参数。

优选的，对所述内模PID控制器进行参数整定，具体包括：

获取被控对象的近似一阶惯性加纯滞后传递函数：

根据内模PID参数整定方法分解上式得到：

其中，

取滤波器参数γ＝1，得到：

D(0)＝T_f+τ (19)

进而得到，

经过化简，可以得到内模PID控制器的参数为：

本发明第三实施例提供了一种喷雾干燥塔进风温度内模PID控制设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上所述的喷雾干燥塔进风温度内模PID控制方法。

本发明实施例三中的设备可以为服务器、计算机等具备数据处理能力的设备。所述存储器、处理器相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。存储器中存储有喷雾干燥塔进风温度内模PID控制装置，所述控制装置包括至少一个可以软件或固件(firmware)的形式存储于所述存储器中的软件功能模块，所述处理器通过运行存储在存储器内的软件程序以及模块，如本发明实施例中的喷雾干燥塔进风温度内模PID控制装置，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现本发明实施例中的喷雾干燥塔进风温度内模PID控制方法。

其中，所述存储器可以是，但不限于，随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-OnlyMemory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)等。其中，存储器用于存储程序，所述处理器在接收到执行指令后，执行所述程序。

所述处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，NP)等。还可以是数字信号处理器(DSP))、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

可以理解，图中所示的结构仅为示意，还可包括更多或者更少的组件，或者具有不同的配置，各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。

在本发明实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置和方法实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，电子设备100，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种喷雾干燥塔进风温度内模PID控制方法，其特征在于，包括:

获取喷雾干燥塔的进风温度偏差；

2.根据权利要求1所述的喷雾干燥塔进风温度内模PID控制方法，其特征在于，所述内模控制器的设计过程具体包括：

将所述被控对象模型分解为两项和有：

其中：对任一角频率ω，有

引入滤波器F(s)，得到：

3.根据权利要求1所述的喷雾干燥塔进风温度内模PID控制方法，其特征在于，所述常规PID控制器的传递函数为：

4.根据权利要求1所述的喷雾干燥塔进风温度内模PID控制方法，其特征在于，所述内模PID控制器通过将内模控制器与常规PID控制器相融合获得，具体包括：

由于G_PID(s)存在积分环节，将其表示为：

得到，

根据泰勒级数展开上式，得到：

式中，

令得到：

进而得到：

5.根据权利要求4所述的喷雾干燥塔进风温度内模PID控制方法，其特征在于，所述内模PID控制器通过将内模控制器与常规PID控制器相融合获得，还包括对所述内模PID控制器进行参数整定，步骤如下：

对被控对象进行低阶模型等效；

对等效模型进行分解；

求出和在s＝0处的各阶次导数；

选取滤波器常数T_f，并求解D(s)在s＝0处的各阶导数；

求得f(s)在s＝0处的各阶导数；

求出内模PID控制器参数。

6.根据权利要求5所述的喷雾干燥塔进风温度内模PID控制方法，其特征在于，对所述内模PID控制器进行参数整定，具体包括：

获取被控对象的近似一阶惯性加纯滞后传递函数：

根据内模PID参数整定方法分解上式得到：

取滤波器参数γ＝1，得到：

D(0)＝T_f+τ

进而得到，

经过化简，可以得到内模PID控制器的参数为：

7.一种喷雾干燥塔进风温度内模PID控制装置，其特征在于，包括：

温度偏差获取单元，用于获取喷雾干燥塔的进风温度偏差；

8.一种喷雾干燥塔进风温度内模PID控制设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-6任一项所述的喷雾干燥塔进风温度内模PID控制方法。