一种串级比例双辅助回路pid控制系统
技术领域
1.本发明属于煤气自动化领域，涉及一种串级比例双辅助回路pid控制系统。
背景技术：2.在瓦斯利用和化工合成等相关领域，经常需要将两种高低不同浓度值的气体进行充分混合，等到工艺要求的浓度稳定的混合气体。
3.现有的混合技术方案大多停留在手动控制阶段，某些自动控制也仅仅采用简单pid控制算法，仅对流量或浓度一个回路进行进行控制。
4.简单pid调节虽然结构简单，但由于全量输出，所以每次输出均与过去状态有关，计算时要对进行累加，工作量大；并且，因为计算机输出的对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，输出的将大幅度变化，会引起执行机构的大幅度变化，有可能因此造成严重的生产事故。
5.传统的单回路调节，一般仅能对气体的浓度或者流量一个参数进行调节，如果优先满足了浓度，那么就无法实现对流量的调节。
6.本发明能解决传统调节方案中出现的调节过程中浓度或流量的突变，实现精确的调节，并且实现流量和浓度的同时调节控制。
技术实现要素：7.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种串级比例双辅助回路pid控制系统。
8.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
9.一种串级比例双辅助回路pid控制系统，该系统包括混配器、传感器、执行器、智能控制系统和管道；
10.所述混配器通过管道依次连接传感器和执行器；
11.然后与用气设备连接；
12.所述传感器和执行器与智能控制系统信号连接；
13.高浓度气体a经过管道与低浓度气体b在混配器中混合，在两股气体的进气管道上分别设置流量传感器、浓度传感器和调节阀，混合均匀后的气体经过管道输送到后端的用气设备上，切断阀的作用是当混合后的浓度超限时，切断阀快速关闭，防止混合气进入后端用气设备；
14.所述混配器用于提供两种气体混合的空间，混配器的内部装有螺旋叶片，实现对气体的扰流和充分混合；
15.传感器是对气体组分、流量和压力的参数的测定，并将测得的参数通过电信号输入智能控制系统中；
16.智能控制系统实现对测量参数的读取、存储和分析，并输出控制信号驱动执行器，实现对流量和浓度的控制；
17.执行器是运动部件，接收智能控制系统的信号，并执行调节和切断的动作。
18.可选的，所述传感器包括流量传感器和浓度传感器；
19.所述执行器包括调节阀和切断阀。
20.可选的，所述智能控制系统采用变速积分pid的方式控制，具体为：
21.改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应：偏差越大，积分越慢，反之则越快；为此，设置系数f(e(k))，它是e(k)的函数；当e(k)的绝对值增大时，f减小，反之增大；变速积分的pid积分项表达式为：
[0022][0023]
系数f与偏差当前值|e(k)|的关系是线性的或非线性的，设为：
[0024][0025]
f值在[0,l]区间内变化，当|e(k)|差大于所给分离区间a+b后，f＝0，不再对当前值e(k)进行继续累加；当偏差|e(k)|小于b时，加入当前值e(k)，即积分项变为积分动作达到最高速；而当偏差|e(k)|在b与a+b之间时，则累加计入的是部分当前值，其值在0～|e(k)|之间随|e(k)|的大小而变化，其积分速度在和之间；变速积分pid算法为：
[0026][0027]
可选的，所述控制系统包括3个pid功能块，分别为：主pid功能块，气体a辅助pid功能块和气体b辅助pid功能块；
[0028]
主pid功能块反馈信号为混配后的浓度，给定值按工艺要求选定；主pid功能块输出为“给定气体a流量”；用其作为两辅助控制回路的给定值；
[0029]
气体a辅助pid功能块反馈信号为气体a流量，其控制输出加载给气体a管道调节阀，控制气体a进入混配器的流量；
[0030]
气体b辅助pid功能块反馈信号为气体b管道流量，其控制输出加载给气体b管道调节阀，控制气体b进入混配器的流量；气体b控制回路的给定值，总是与瓦斯回路的设定值，按“a/b的比例”规定的比例变化，使进入混配器的气体a和气体b保持合适的比例，以保证混配后浓度有较高的准确度和稳定性；
[0031]
当混配后浓度低于给定值时，主pid功能块控制输出将增加；即气体a控制pid功能块的给定气体a流量增加，使得气体a流量偏差增大，经气体a辅助pid功能块调节，将增大对气体a调节阀的控制输出，使气体a阀门增大开度，增加气体a流量；同时，气体b控制辅助pid功能块的给定气体b流量将按气体b比例减小，使得气体b流量偏差减小，经气体b辅助pid功能块调节，将减小对气体b调节阀的控制输出，使气体b阀门减小开度，减少气体b流量；
[0032]
串级比例双辅助回路的计算顺序是先主回路pid1，后副回路pid2；控制方式采用异步采样控制，即主回路的采样控制周期t1不是副回路衷样控制周期t2的整数倍。
[0033]
本发明的有益效果在于：
[0034]
传统的单回路调节，一般仅能对气体的浓度或者流量一个参数进行调节，如果优先满足了浓度，那么就无法实现对流量的调节。
[0035]
本发明能解决传统调节方案中出现的调节过程中浓度或流量的突变，实现精确的调节，并且实现流量和浓度的同时调节控制。
[0036]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0037]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0038]
图1为本发明系统原理图；
[0039]
图2为本发明中串级比例双辅助回路pid控制原理图。
具体实施方式
[0040]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0041]
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0042]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0043]
请参阅图1～图2，为一种串级比例双辅助回路pid控制系统。系统包括：混配器、传感器(流量传感器、浓度传感器等)、执行器(调节阀、切断阀)、智能控制系统、管道等。高浓度气体a经过管道与低浓度气体b在混配器中混合，在2股气体的进气管道上分别设置流量传感器、浓度传感器和调节阀，混合均匀后的气体经过管道输送到后端的用气设备上，在该管道上设置有流量传感器、浓度传感器和切断阀，该切断阀的作用是当混合后的浓度超限时，切断阀快速关闭，防止混合气进入后端用气设备。如图1所示。
[0044]
混配器是该装置系统的主体设备，混配器提供两种气体混合的空间，其内部装有
螺旋叶片，实现对气体的扰流和充分混合；传感器是对气体组分、流量、压力等参数的测定，并将测得的参数通过电信号输入智能控制系统中；智能控制系统是本装置系统的核心设备，它实现对测量参数的读取，存储，分析，并输出控制信号驱动执行器，实现对流量、浓度的控制；执行器是运动部件，接收智能控制系统的信号，并执行调节和切断的动作。
[0045]
(1)采用快速反应的浓度传感器和高精度的超声波气体流量计，为高精度的智能控制提供及时可靠的数据。
[0046]
(2)采用变速积分pid控制代替传统的pid控制，提高控制的精度，其具体过程为：
[0047]
在普通的pid控制算法中，由于积分系数是常数，所以在整个控制过程中，积分增量不变。而系统对积分项的要求是，系统偏差大时积分作用应减弱甚至全无，而在偏差小时则应加强。积分系数取大了会产生超调，甚至积分饱和，取小了又迟迟不能消除静差。因此，如何根据系统偏差大小改变积分的速度，对于提高系统品质是很重要的。变速积分pid可较好地解决这一问题。
[0048]
改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应：偏差越大，积分越慢，反之则越快；为此，设置系数f(e(k))，它是e(k)的函数；当e(k)的绝对值增大时，f减小，反之增大；变速积分的pid积分项表达式为：
[0049][0050]
系数f与偏差当前值|e(k)|的关系是线性的或非线性的，设为：
[0051][0052]
f值在[0,l]区间内变化，当|e(k)|差大于所给分离区间a+b后，f＝0，不再对当前值e(k)进行继续累加；当偏差|e(k)|小于b时，加入当前值e(k)，即积分项变为积分动作达到最高速；而当偏差|e(k)|在b与a+b之间时，则累加计入的是部分当前值，其值在0～|e(k)|之间随|e(k)|的大小而变化，其积分速度在和之间；变速积分pid算法为：
[0053][0054]
(3)采用串级比例双辅助回路pid控制方式，实现对流量和浓度的精确控制，如图2所示。
[0055]
系统用了3个pid功能块，分别为：主pid功能块，气体a辅助pid功能块，气体b辅助pid功能块。
[0056]
主pid功能块反馈信号为混配后的浓度，给定值按工艺要求选定。主pid功能块输出为“给定气体a流量”。用其作为两辅助控制回路的给定值。
[0057]
气体a辅助pid功能块反馈信号为气体a流量，其控制输出加载给气体a管道调节阀，控制气体a进入混配器的流量。
[0058]
气体b辅助pid功能块反馈信号为气体b管道流量，其控制输出加载给气体b管道调
节阀，控制气体b进入混配器的流量。气体b控制回路的给定值，总是与瓦斯回路的设定值，按“a/b的比例”规定的比例变化，使进入混配器的气体a和气体b保持合适的比例，以保证混配后浓度有较高的准确度和稳定性。
[0059]
从pid函数控制原理可知，当混配后浓度低于给定值时，主pid功能块控制输出将增加。即气体a控制pid功能块的给定气体a流量增加，使得气体a流量偏差增大，经气体a辅助pid功能块调节，将增大对气体a调节阀的控制输出，使气体a阀门增大开度，增加气体a流量。同时，气体b控制辅助pid功能块的给定气体b流量将按气体b比例减小，使得气体b流量偏差减小，经气体b辅助pid功能块调节，将减小对气体b调节阀的控制输出，使气体b阀门减小开度，减少气体b流量。
[0060]
串级比例双辅助回路的计算顺序是先主回路(pid1)，后副回路(pid2)。控制方式采用异步采样控制，即主回路的采样控制周期t1不是副回路衷样控制周期t2的整数倍。这种是因为一般串级智能控制系统中主控对象的响应速度慢、副控对象的响应速度快的缘故。
[0061]
串级控制的优点为：
[0062]
(a)将干扰加到副回路中，由副回路控制对其进行抑制；
[0063]
(b)副回路中参数的变化，由副回路给予控制，对被控量gc1的影响大为减弱；
[0064]
(c)副回路的惯性由副回路给予调节，因而提高了整个系统的响应速度。
[0065]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
技术特征：1.一种串级比例双辅助回路pid控制系统，其特征在于：该系统包括混配器、传感器、执行器、智能控制系统和管道；所述混配器通过管道依次连接传感器和执行器；然后与用气设备连接；所述传感器和执行器与智能控制系统信号连接；高浓度气体a经过管道与低浓度气体b在混配器中混合，在两股气体的进气管道上分别设置流量传感器、浓度传感器和调节阀，混合均匀后的气体经过管道输送到后端的用气设备上，切断阀的作用是当混合后的浓度超限时，切断阀快速关闭，防止混合气进入后端用气设备；所述混配器用于提供两种气体混合的空间，混配器的内部装有螺旋叶片，实现对气体的扰流和充分混合；传感器是对气体组分、流量和压力的参数的测定，并将测得的参数通过电信号输入智能控制系统中；智能控制系统实现对测量参数的读取、存储和分析，并输出控制信号驱动执行器，实现对流量和浓度的控制；执行器是运动部件，接收智能控制系统的信号，并执行调节和切断的动作。2.根据权利要求1所述的一种串级比例双辅助回路pid控制系统，其特征在于：所述传感器包括流量传感器和浓度传感器；所述执行器包括调节阀和切断阀。3.根据权利要求1所述的一种串级比例双辅助回路pid控制系统，其特征在于：所述智能控制系统采用变速积分pid的方式控制，具体为：改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应：偏差越大，积分越慢，反之则越快；为此，设置系数f(e(k))，它是e(k)的函数；当e(k)的绝对值增大时，f减小，反之增大；变速积分的pid积分项表达式为：系数f与偏差当前值|e(k)|的关系是线性的或非线性的，设为：f值在[0,l]区间内变化，当|e(k)|差大于所给分离区间a+b后，f＝0，不再对当前值e(k)进行继续累加；当偏差|e(k)|小于b时，加入当前值e(k)，即积分项变为积分动作达到最高速；而当偏差|e(k)|在b与a+b之间时，则累加计入的是部分当前值，其值在0～|e(k)|之间随|e(k)|的大小而变化，其积分速度在和之间；变速积分pid算法为：
4.根据权利要求1所述的一种串级比例双辅助回路pid控制系统，其特征在于：所述控制系统包括3个pid功能块，分别为：主pid功能块，气体a辅助pid功能块和气体b辅助pid功能块；主pid功能块反馈信号为混配后的浓度，给定值按工艺要求选定；主pid功能块输出为“给定气体a流量”；用其作为两辅助控制回路的给定值；气体a辅助pid功能块反馈信号为气体a流量，其控制输出加载给气体a管道调节阀，控制气体a进入混配器的流量；气体b辅助pid功能块反馈信号为气体b管道流量，其控制输出加载给气体b管道调节阀，控制气体b进入混配器的流量；气体b控制回路的给定值，总是与瓦斯回路的设定值，按“a/b的比例”规定的比例变化，使进入混配器的气体a和气体b保持合适的比例，以保证混配后浓度有较高的准确度和稳定性；当混配后浓度低于给定值时，主pid功能块控制输出将增加；即气体a控制pid功能块的给定气体a流量增加，使得气体a流量偏差增大，经气体a辅助pid功能块调节，将增大对气体a调节阀的控制输出，使气体a阀门增大开度，增加气体a流量；同时，气体b控制辅助pid功能块的给定气体b流量将按气体b比例减小，使得气体b流量偏差减小，经气体b辅助pid功能块调节，将减小对气体b调节阀的控制输出，使气体b阀门减小开度，减少气体b流量；串级比例双辅助回路的计算顺序是先主回路pid1，后副回路pid2；控制方式采用异步采样控制，即主回路的采样控制周期t1不是副回路衷样控制周期t2的整数倍。
技术总结本发明涉及一种串级比例双辅助回路PID控制系统，属于煤气自动化领域。该系统包括混配器、传感器、执行器、智能控制系统和管道；所述混配器通过管道依次连接传感器和执行器；然后与用气设备连接；所述传感器和执行器与智能控制系统信号连接；高浓度气体A经过管道与低浓度气体B在混配器中混合，在两股气体的进气管道上分别设置流量传感器、浓度传感器和调节阀，混合均匀后的气体经过管道输送到后端的用气设备上，切断阀的作用是当混合后的浓度超限时，切断阀快速关闭，防止混合气进入后端用气设备；本发明能解决传统调节方案中出现的调节过程中浓度或流量的突变，实现精确的调节，并且实现流量和浓度的同时调节控制。且实现流量和浓度的同时调节控制。且实现流量和浓度的同时调节控制。
技术研发人员：甘海龙 肖露 黄克海 张群 杨娟 霍春秀 肖正 朱菁 张涛
受保护的技术使用者：中煤科工集团重庆研究院有限公司
技术研发日：2022.04.06
技术公布日：2022/7/4
