基于预测控制的湿式空气滤清器控制系统的设计

2011-11-09和红梅孙晓晖

河北水利电力学院学报 2011年2期

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)

1 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50～100h,通常仅为干式滤清器的 1/5左右[1]。

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Zc表示[2],即

式中,mcp为过滤器捕集到的粉尘量;mup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。

图1 现场控制站的结构框图

控制系统分为主回路部分和控制回路部分。图 1为控制回路,硬件设备包括:上位机、文本显示器、S7200PLC、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

考虑被控对象为CARIM A模型,则实际系统可以表示成如下形式:

式中,A(z-1)=1-az-1,B(z-1)=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 y(t)不被第一次控制变量u(t)所影响。为了消除系统纯滞后时间的影响,预测时域应取为[d+1,d+P][3]。

系统理想预测输出为

3)目标函数

其目标函数为:

4)最优控制律

目标函数可写成

5)单步预测控制律

当预测步长 P=1,控制步长l=1时,即为单步预测控制时,则 Diophantine方程的解为E1(z-1)=1;F1(z-1)=(1+a)-az-1;

由式(1),系统最优预测输出:yp(t+d+1)=bΔu(t)+[(1+a)-az-1]y(t+d)

令λ=0,则目标函数为:J= [yp(t+d+1)-yr(t+d+1)]2

由式(5)和式(6),得最优控制律:

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:

3.2 广义预测控制算法实现

将式(5)离散化,得:

即:a=0.9324,b=0.0085,d=6。

则由式(7)和式(8)得:

系统的期望值为ysp=0.100 m,参考轨迹的时间常数a=0.2,零阶保持器的采样周期为5 s,u(t-1)=0。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 y(t),虚线为系统的期望值 ysp。

3.3 模拟实验结果分析

3.3.1 控制系统性能分析

在 JWS-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

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 30 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: