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主题:HHS自控调节理念——续 何必“穿PC新鞋,走PID老路”

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自上次发表何必“穿PC新鞋,走PID老路”的奇谈怪论后,一直在思考,并不断改进“傻瓜温控”,逐渐感到“傻瓜温控”达到的效果,PID很难达到。
  于是,不要再“傻瓜” “傻瓜”的了,特提出“HHS自控调节理念”,似乎更有意义。
  HHS自控调节理念指:充分发挥计算机技术优势,直接根据被控参量(如温度)和驱动参量(如加热量)及相关参量(如散热等)间的“物理学”规律(公式),研究控制该系统.
经典自控调节理论是:把系统抽象成数学模型,以它为研究对象,应用经典或现代控制理论提供的方法,研究控制该系统.
冯纯伯院士的“自动控制所面临的挑战”一文使我心里一亮,更看清问题之所在,他说:“……人们发现原有的所谓现代控制理论有很大的局限性。这就提出了新的更高的要求,当前计算机科学和技术的高度发展也为更复杂更高层次的控制理论的发展提供了物质条件,因此,国际上普遍认为当前控制理论面临新的挑战,酝酿着新的发展。”
局限性在那?我认为下面是其中之一:
经典自控调节理论是:把系统抽象成数学模型,以它为研究对象,应用经典或现代控制理论提供的方法,研究控制该系统.
什么叫数学模型?各参量在变化时相互间的关系的数学公式。
实际上,抽象前就有数学公式表示系统各参量在变化时相互间的关系,这也应该是数学模型,比如说,牛顿三大定律公式(如f = ma),就是物体运动的数学模型,而且是绝对准确的。为下文说清楚,把抽象出的数学模型叫后数学模型,抽象前的数学模型叫前数学模型。
为什么不用前数学模型作为研究控制策略的对象,而绕个弯,用后数学模型?
有的教科书在讲自动控制理论前,先讲数学——拉普拉斯变换,前后数学模型抽象变换就是用拉普拉斯变换,为什么不用别的抽象法呢?
这要提到经典自控调节理论产生的时代,那时,用电来控制,只有R、L、C加放大器组成的模拟电路可用,用它完成控制需要的计算;要实现预想的控制效果,就要正确设计电路,选择R、L、C、放大器等的参数。拉普拉斯变换得到的后数学模型和RLC网络的电参量数学模型比较吻合,便于设计电路和元件参数。我想这是采用拉普拉斯变换的原因。
所以,那时,抽象成后数学模型是解决问题的直路,是完全必要的,也可说是唯一的路。但是,若前数学模型复杂——参变量多,相应地公式也多,都要抽象准确就难办。这就是主要局限。
现在是IT时代,不需用R、L、C加放大器组成的模拟电路完成控制需要的计算,完全可用系统的前数学模型作为研究控制策略的对象,进行控制计算。不用走抽象这条弯路,这样一来,至少抽象带来的难处和它造成的误差没有了。
局限其二,抽象时,往往将前数学模型中某些参量取某一固定值,然后进行抽象,这带来的后果不详说了。
后数学模型的参数的含义和其值大小对控制效果的影响,对一般生产者和用户是不明确的,这在模拟电路控制时代,是不需要了解的,因他不去设定参数,也不能设定。所以没关系。现在不同了,这个“不明确”会对生产和使用带来一些困难。
研究后数学模型的控制,已是纯数学问题,是数学家的天下,现在有关自动控制的学术论文,数学公式越来越翻新,对非数学专业人士,符号越来越看不懂,更谈不上应用。现在自动控制毕业的大学生,多数达不到数学专业人士水平,只好望洋兴叹。这对自动控制的进步是很不利的,也对大量需自控的产品的进步很不利。
冯纯伯院士提出“我们不能完全依靠数学家提供现成的果实”,HHS自控调节理念——用前数学模型来研究自动控制!就是好途经。
按前数学模型是否能总结出一些通用规律?我不敢说一定,问题是现在没人往这方面想,没人教这方面的知识。君不见自动控制论文中都是……,……。
例:永磁直流电机转动的调速
自整定出驱动U和转速N的关系:N=f(U),若非线性不大,则以直线代替,N=U0+K*U,即自整定出截距U0和斜率K,若非线性大,则以折线代替,自整定出U01、U02……和K1、K2……,调节时,按牛顿定律(前数学模型)——加速度a = f/m和速度V=a*t推理,得出输出增量计算公式:
转速偏差S由设定转速Nh计算:S=Nh-N,由转速的前次偏差S1和本次偏差S2计算:输出增量u=K*(S2-(S1-S2))=K*(2*S2-S1)
分析此式:(S1-S2)是偏差的减量,如果(S1-S2)=0,表示前次驱动增量未使转速增加,仍应以K*S2去增加驱动;如果(S1-S2)>0,表示前次输出增量已使转速增加(S1-S2),那么下一周期转速可能仍会增加(S1-S2),因此,就不能只用本次偏差去计算驱动增量,而要减去前次输出增量继续起作用引起的转速增量,得到u=K*(S2-(S1-S2))这一式。如果(S1-S2)<0,偏差加大,表示前次输出增量远不够,输出增量要加大((S2-(S1-S2))>S2),若S2=1/2*S1,则u=0,驱动不增加;若S2<1/2*S1,得到的u是负值,表示现驱动已可能引起超速,驱动要减小,这说明本公式有预测功能;若转速已超过设定转度,则S2<0,于是(S1-S2)>S2,求出的u是负值,将工作在减速状态。就是驱动增量为负,驱动减小。
u =K*(2*S2-S1)有一定的通用性。我在失重法控制流量时,也用此公式。
一个简单的推理,一个简单的公式,一个简单的自整定计算,就解决问题,大学生动动脑筋就想得出,但我接触到的几个,就不往这方面想,告诉他他还认为不一定是好方法,无理论根据,他只学了PID。
当然,还需要考虑一些其它因素,如启动时驱动是否直接加到由N=f(U)计算出的驱动的百分之几;给驱动增量定一个限度等。
冯纯伯院士说“一个有经验的驾驶员会根据被驾驶对象的状况、环境的变化等等随时改变驾驶策略,……为此实现仿人智能的控制将是值得探讨的,仿人控制将会提供给我们很多有益启示”
由于HHS自控调节理念按物理规律思维,各控制参数作用清楚,在“对象的状况、环境的变化时” 就容易想出对策,实现“仿人控制”。
解决非线性,用折线K1、K2……代替公式中的K,是否就是“仿人控制”,用PID实现此效果是否比这直观、简单?
待续。
表情
05-11-26 22:12
我来具体一下复杂的回路的控制策略:
   应采用 规则 + 差量控制 (此方法本人已成功用于多台大型发电锅炉),规则+差量控制的重点在控制对象的规则模型的建立,规则模型的建立主要应由系统的设计人员来提供,或由控制对象的历史运行数据分析得来;如锅炉的减温水流量与锅炉负荷的函数关系应由锅炉的性能设计人员来提供。
   规则+差量控制中的差量(设定值与测量值之差)控制,主要用于在系统运行时在线调整规则模型内的参数(调整哪些参数由系统的设计人员定),使规则模型更接近真实系统。
   差量控制方法的选择: 对大滞后系统用模糊控制法,一般系统可采用常规PID方法。
   规则  +  差量控制方法可用于多输入多输出复杂系统。
   规则  +  差量控制的特点:有自学习功能(对被调整参数的记忆),对操作人员的经验依赖性不强,控制精度高,响应快,抗干扰能力强。
已成功应用于:
广东东莞德永佳纺织制衣有限公司(港商独资)新厂热电联产工程 4炉(75T/H CFB)2机(15MW)主汽温度、床温、负荷(主汽压力)控制;
山西永济热电厂 一炉(武汉凯迪410T/H  CFB锅炉)  的 主汽温控制;
海宁红宝热电厂 130T/h CFB  的 主汽温控制;
05-12-09 14:54
自控理论应该不断发展,支持!
05-12-13 09:18

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