［摘  要］該文對(duì)無模型控制律的一般形式及其參數(shù)的工程含義進(jìn)行了介紹詳細(xì)說明了無模型控制器的參數(shù)組態(tài)的設(shè)定問題。根據(jù)在線智能露點(diǎn)檢測儀中控制過程的特點(diǎn)應(yīng)用無模型控制器對(duì)其進(jìn)行控制對(duì)相應(yīng)的參數(shù)組態(tài)和控制方法進(jìn)行了分析和討論。應(yīng)用結(jié)果表明無模型控制器在檢測儀表中的應(yīng)用具有較好的控制效果。
  ［關(guān)鍵詞］無模型控制律；露點(diǎn)；參數(shù)組態(tài)?
1引言?
    現(xiàn)在以被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論得到了很大的發(fā)展但是由于大量實(shí)際被控對(duì)象給不出合適的數(shù)學(xué)模型現(xiàn)代控制理論在許多場合遇到了困難�！白赃m應(yīng)控制”、“模糊控制”、“預(yù)測控制”、“智能控制”、“專家系統(tǒng)”等方法的出現(xiàn)，德圖PH計(jì)試圖解決對(duì)模型的依賴問題。但實(shí)質(zhì)上仍沒有擺脫模型框架的束縛有時(shí)還要用到建模及系統(tǒng)辨識(shí)等手段。這些方法已用于一些動(dòng)態(tài)過程控制中。但由于控制算法復(fù)雜不能適應(yīng)未知非線性不能抑制不確定強(qiáng)干擾所以其應(yīng)用范圍仍受到很大限制。?
    文獻(xiàn)［１］提出了多輸入單輸出非線性系統(tǒng)的不依賴于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的控制算法并稱之為無模型控制律。經(jīng)過多年的研究無模型控制技術(shù)已達(dá)到了實(shí)用階段。根據(jù)這一理論設(shè)計(jì)制造出的無模型控制器在煉油、化工、輕工、焦炭、化肥、造紙及電力等行業(yè)應(yīng)用收到了滿意的效果。?
    根據(jù)實(shí)際需要作為無模型控制器應(yīng)用的一個(gè)新領(lǐng)域在我們研制的在線智能露點(diǎn)檢測儀中應(yīng)用無模型控制律作為儀表內(nèi)相應(yīng)參數(shù)的控制方法取得了控制穩(wěn)定、檢測精度高、反應(yīng)快速等良好的使用效果。
    本文在工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上對(duì)無模型控制律一般形式的各參數(shù)的工程意義及參數(shù)組態(tài)進(jìn)行介紹和分析并針對(duì)其在儀表檢測中的使用進(jìn)行說明和探討。?
2無模型控制律的一般形式及各參數(shù)的工程意義
    “無模型控制器”是“無需建立模型的自適應(yīng)控制器”的簡稱它的控制算法由基本無模型控制算法和功能組合算法兩部分組成。無模型控制律的一般形式：?
到。G(…)是適當(dāng)?shù)暮瘮?shù)表示控制律的功能組合部分。而??
    Ab,C,d,αβσ是無模型控制律的組態(tài)參數(shù)無模型控制律的算法的功能組合部分由一系列功能算法經(jīng)適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合而組成。這些參數(shù)的工程含義如下：?
    λk是偏差y0－y(k)的放大、縮小倍數(shù)即偏差的增益。?
    gk在系統(tǒng)平穩(wěn)時(shí)即測量值y(k)變化很小gk＝0；當(dāng)y(k)變化加快時(shí)gk是一個(gè)正變數(shù)隨y(k)變化的絕對(duì)值增大而增大。由于gk的存在使無模型控制器具有克服大干擾的能力。?
    A是反向調(diào)節(jié)強(qiáng)度起預(yù)先反向調(diào)節(jié)作用可克服超調(diào)使系統(tǒng)盡快的達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。?
    b是克服靜差作用權(quán)數(shù)其克服靜差作用的強(qiáng)度與此參數(shù)成正比。?
    C是穩(wěn)定作用與快速轉(zhuǎn)向權(quán)數(shù)此參數(shù)取值適當(dāng)可使系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。
    參數(shù)αdσ都是為了避免相應(yīng)算式的分母為0所以它們都是適當(dāng)小正數(shù)。?
    αβ的存在主要是保證控制器自身的穩(wěn)定性。?
    為了解決調(diào)節(jié)過程的快速性和穩(wěn)定性的矛盾在無模型控制器的算法中還設(shè)有智能區(qū)間。智能區(qū)間是以設(shè)定值y0為中心一個(gè)適當(dāng)?shù)恼龜?shù)h為半徑的區(qū)間［y0－h(huán),y0＋h］。智能區(qū)間h是無模型控制器的另一個(gè)重要參數(shù)。一般地說，在智能區(qū)間外無模型控制律將快速地克服靜差；在智能區(qū)間內(nèi)無模型控制律將進(jìn)行穩(wěn)定調(diào)節(jié)。?
3無模型控制器的參數(shù)組態(tài)?
    依據(jù)無模型控制律設(shè)計(jì)制造的F00—1系列無模型控制器在煉油、化工、造紙等行業(yè)的應(yīng)用取得了良好的效果。實(shí)踐證明無模型控制器的控制功能遠(yuǎn)優(yōu)于大量應(yīng)用的PID調(diào)節(jié)器。無模型控制器具有參數(shù)自整定功能但這種整定功能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行所以給定一組良好的參數(shù)初值還是十分必要的。我們僅就單回路情形說明參數(shù)組態(tài)的一般方法；對(duì)于串級(jí)環(huán)節(jié)參數(shù)組態(tài)則稍復(fù)雜一些。?
    λk：是控制律的增益也是它的靈敏度其初值一般取成1。?
    h：它的取值范圍是0～100%。例如當(dāng)y0＝60%而h=5%時(shí)智能區(qū)間為(55%65%)。h的取值依據(jù)系統(tǒng)的時(shí)滯和超調(diào)量而定一般的說超調(diào)量大h的值相應(yīng)的就得大些。一般取3%～5%。?
    A：初始值取為1觀察系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化如果測量值總是處于給定值的上方或下方這說明A的值大了應(yīng)減�。蝗绻�產(chǎn)生振蕩則說明A的值小了應(yīng)適當(dāng)加大直到消除振蕩為止。?
    b：先取一個(gè)適當(dāng)?shù)某踔等绻�產(chǎn)生振蕩并且測量值在設(shè)定值上下不斷的擺動(dòng)這說明b值給大了應(yīng)當(dāng)減小。如果u(k)的值變化緩慢使得不能夠及時(shí)的對(duì)測量值進(jìn)行跟蹤調(diào)節(jié)，說明b值小了應(yīng)增大。?
    C：一般取一個(gè)適當(dāng)值(不應(yīng)過大)后幾乎不需改變。?
    其余參數(shù)都可以取成小正數(shù)。例如：a=0.001b=0.001。?
    在單回路調(diào)節(jié)的情形參數(shù)組態(tài)完成以后一般的無需改變。如果十分必要也僅需改動(dòng)λk和A。?
4露點(diǎn)儀的原理及控制方法?
    氣體濕度測量和控制在化工生產(chǎn)、空氣調(diào)節(jié)及醫(yī)藥食品等方面都有非常重要的作用。而作為低溫氣體用的測濕儀器——露點(diǎn)檢測儀其精度直接關(guān)系到測濕效果。我們研制的智能在線露點(diǎn)檢測儀［３］采用Am２４１α同位素、熱電式制冷器和半導(dǎo)體勢壘探測器由于采用無模型控制律方法作為控制露層的手段使檢測儀的響應(yīng)速度和控制精度有了明顯的提高并在實(shí)際應(yīng)用中取得了比較滿意的效果。??
    α源放置在半導(dǎo)體制冷器冷端表面α源是在銀基片上噴涂一層Am２４１而形成的表面平整光潔。α源相對(duì)處安裝有半導(dǎo)體探測器以接收α粒子并產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)供輸出檢測。制冷器通以電流使制冷端制冷電流越大制冷越深使α源表面溫度越低。當(dāng)α源表面溫度達(dá)到氣體露點(diǎn)溫度時(shí)在其表面形成一薄露層吸收部分α粒子使得達(dá)到探測器表面上的α粒子數(shù)目及能量降低。探測器探測到此能量的降低并以某一降低值做為目標(biāo)狀態(tài)值控制制冷器制冷電流的大小進(jìn)而控制α源表面溫度使露層厚度始終處于某一定值達(dá)到平衡狀態(tài)此時(shí)α源表面溫度就是氣體露點(diǎn)溫度原理框圖示于圖4—2。?
?
    當(dāng)對(duì)露層厚度進(jìn)行控制時(shí)如果超調(diào)過大即在α源表面結(jié)露過厚則需要較長時(shí)間才能揮發(fā)到正常厚度此時(shí)被控對(duì)象為一大時(shí)滯系統(tǒng)使達(dá)到穩(wěn)定并顯示出露點(diǎn)值的時(shí)間延長不利于在線檢測。而且多次超調(diào)易在α源表面遺留下水痕影響其表面清潔及α粒子的正常溢出。在進(jìn)行自動(dòng)閉環(huán)測量控制過程中當(dāng)檢測接受α粒子能量的狀態(tài)值小于起始值30%時(shí)需自動(dòng)返回自校以克服α源污染等原因造成的狀態(tài)信號(hào)不正常情況。
    針對(duì)以上特點(diǎn)無模型控制器的參數(shù)組態(tài)就應(yīng)有所變化。A：根據(jù)情況比一般值稍大取為1.4；λk：取為1.8；b則不應(yīng)過大設(shè)成0.1。將制冷電流的控制輸出限制在較小范圍內(nèi)如10%～60%以防止制冷過深或升溫過快。智能區(qū)間半徑h設(shè)為較小的值如2%以便更精確穩(wěn)定地調(diào)節(jié)露點(diǎn)厚度。?
    在智能區(qū)間內(nèi)的上半?yún)^(qū)即由高溫接近露點(diǎn)溫度時(shí)越逼近露點(diǎn)溫度也就是露層厚度越接近預(yù)定值h?k就越��；在智能區(qū)間內(nèi)的下半?yún)^(qū)由低溫接近露點(diǎn)溫度時(shí)即過厚露層揮發(fā)時(shí)gk應(yīng)更小因揮發(fā)時(shí)間要長于結(jié)露時(shí)間。這些均由程序自動(dòng)判定和執(zhí)行。
    因探測器為金硅勢壘探測器具有負(fù)的溫度系數(shù)即溫度升高反向漏電流增大計(jì)數(shù)值減小。探測器本身的溫差小時(shí)(10℃以內(nèi))在軟件上對(duì)測量值進(jìn)行補(bǔ)償；溫差大時(shí)則需要重新校準(zhǔn)目標(biāo)值。為克服α源表面污染及溫度影響每24小時(shí)重復(fù)一次α源溫度及狀態(tài)恢復(fù)過程進(jìn)行狀態(tài)初始化。?
5結(jié)論?
    經(jīng)過現(xiàn)場測試露點(diǎn)儀精度為±0.5℃符合設(shè)計(jì)要求在線實(shí)時(shí)顯示了待測氣體的露點(diǎn)儀器運(yùn)行狀態(tài)良好。?
    通過在自動(dòng)檢測儀表中的應(yīng)用進(jìn)一步說明了無模型控制律的優(yōu)越性和有效性。我們還將繼續(xù)拓寬無模型控制器的應(yīng)用范圍完善控制算法使之更好地在控制領(lǐng)域發(fā)揮作用。?