乳化炸药生产线油水相流量自抗扰控制

民爆库

       王德瑞
      
       (葛洲坝易普力新疆爆破工程有限公司，新疆乌鲁木齐，830000)
      
       摘 要：为了满足乳化炸药生产过程中油相流量和水相流量的控制要求，设计了油相流量和水相流量的自抗扰控制器(ADRC)，通过设计跟踪微分器(TD)，合理安排过渡过程，设计扩张状态观测器(ESO)估计扰动，利用误差信号设计非线性反馈控制律，从而实现油相和水相流量的高性能控制。为了验证控制器的优越性和可行性，在Matlab／Simulink中搭建被控对象模型，分别对比例积分微分(PID)控制器和ADRC进行仿真比较，结果表明采用ADRC的油相流量和水相流量控制系统的响应时间短，响应过程无超调，且抗干扰能力更强。
      
       关键词：乳化炸药；油相流量；水相流量；自抗干扰控制器
      
       1引言
      
       乳化炸药作为一种新型环保的工业炸药，具有稳定可靠的爆破性能和良好的抗水性能，其生产工艺简单，成本低廉，便于存储运输，是最具优势、最具发展潜力的工业炸药，在我国民爆行业中得到了广泛应用[1，2]。
      
       为了能够满足乳化炸药的大量需求，其自动化、连续化的生产是其主要发展方向，而在生产工程中，乳胶基质的混合配对是整个生产工程中的关键部分，它是由油相溶液和水相溶液按一定比例混合后，经过高速剪切乳化得到[3]，因此油相流量和水箱流量的精确控制决定着炸药质量。如果油相流量偏低，则炸药会出现“破乳”现象；如果油相流量偏高，则爆炸速度降低，威力减小，反之如果水相流量偏低，炸药的爆破效果降低；如果水相流量偏高，炸药稳定性能降低，缩短了炸药的储存周期。因此油相流量和水相流量的高性能控制在连续化、自动化的乳化炸药牛产过程中起着决定性作用[4]。
      
       由于比例积分微分(proportion integration differentiation，PID)控制器结构简单，不依赖于被控对象的精确数学模型，容易实现，所以在大多数乳化炸药的生产线中，均采用PID控制器对油相和水相流量进行控制，但是PID控制器由于其比例和积分的同时作用，快速性和超调量存在矛盾，不能同时满足，所以往往不能对控制对象进行精确有效的控制，且当外界存在干扰时，稳定性能降低，使产品的质量受到影响。
      
       近年来，一种由中科院研究员韩京清提出的基于PID控制理论和现代控制理论的自抗扰控制器(auto disturbance rejection controller，ADRC)得到了广泛应用[5~7]，ADRC能够解决快速性和超调量的矛盾，且不依赖于被控对象的精确数学模型，能够使被控系统获得良好的动静态性能和抗干扰能力，因此本文采用ADRC设计油相流量和水相流量控制器，且与PID控制器的控制效果进行对比，结果表明ADRC响应过程无超调，响应时间短，具有更强的抗干扰能力。
      
       2乳化工艺流程及控制器设计
      
       2．1乳化工艺流程
      
       乳化炸药的生产工艺技术流程由原材料的制备、油相和水相的控制输送、乳化器乳化以及后期处理等几个环节组成，其主要的工艺流程图如图l所示。
      
      
      
       乳化炸药由油相溶液和水相溶液组成。油相溶液由乳化剂和柴油按比例混合后加热得到；水相溶液由硝酸铵、柠檬酸和水按比例混合加热后得到。分别将油相溶液和水相溶液装入油相储罐和水相储罐中，然后对油相泵和水相泵进行反馈控制，将油相溶液和水相溶液抽人乳化器中进行乳化，在乳化器的高速剪切乳化下形成乳胶基质，最后对乳胶基质进行冷却和敏化从而得到成品炸药。
      
       2．2油相流量和水相流量ADRC的设计
      
       ADRC由跟踪微分器(tracking differentiator，TD)、扩张状态观测器(extended state observer，ESO)和非线性误差反馈控制律三部分组成[8]，在此选取二阶ADRC进行设计控制器设计，
      
       其结构框图如图2所示。
      
      
      
       2．2．1跟踪微分器
      
       跟踪微分器TD的主要作用是解决超调量和快速性之间的矛盾，它根据输入和对象安排过渡过程，同时提供各阶导数，从而有效解决了实际系统中微分信号难于获得的问题。
      
       油相流量和水相流量的给定信号v经过TD后可得到两个输出，分别为跟踪给定信号v1和给定信号微分v2，这两个信号的离散形式为：
      
      
      
       式中，h为采样时间；r为速度因子。
      
       u(x1，x2，r，h)为离散的最速控制函数，其计算表达式为：
      
      
      
       式中，d=rh，do=hd，m=v1+hv2，sign(*)为符号函数。由此可得到给定信号v的跟踪给定信号v1和给定信号微分v2。由此可以看出TD能够实现快速无超调地跟踪给定，同时可得到良好的微分信号，因此可以避免PID控制器中因给定值突变而导致控制量突变，从而避免了油相流量和水相流量被控系统的超调。
      
       2．2．2扩张状态观测器
      
       ESO能够将油相流量和水相流量被控系统的建模、未建模动态以及外界扰动归结为“总和扰动”，从而实现了单一扰动的估计，便于进行补偿，因此油相流量和水相流量被控系统具有良好的稳定鲁棒性能，是ADRC的核心部分，其表达式为：
      
      
      
       式中，β1，β2，β3为可调参数。
      
      
      
       2．2．3 非线性误差反馈控制律
      
       通过TD和ESO可得过渡过程的误差信号为：
      
      
      
       生成的误差积分信号为：
      
      
      
       取非线性误差反馈控制律为u0=k0e0+k1e1+k2e2，u0经过补偿后可得油相流量和水相流量
      
       ADRC的输出为：
      
       u=u0-z3/b (7)
      
       3仿真研究
      
       为了验证ADRC的有效性和优越性，在。Matlab／Simulink中搭建油相流量系统和水相流量系统模型。由于油相流量系统和水相流量系统为非自衡系统，因此取油相流量和水相流量被控系统为单容对象和积分环节的串联，其表达式为：
      
      
      
       式中，K，Ta，Ts，为待定参数。根据乳化工艺生流量控制的先验知识，结合控制系统的各项指标[9]，在油相流量被控对象中取K=1，Ta=6，Ts=12，=0．5，则可得油相流量被控对象的模型为：
      
      
      
       在水相流量被控对象中K=1，Ta=8，Ts=20，=0．5，则水相流量被控对象的模型分别为：
      
      
      
       分别对PID控制器和ADRC的控制效果进行仿真对比。取油相流量控制系统中的PID控制器参数为kp=10，ki=0．08，kd=0．002，水相流量控制系统中的PID控制器参数为kp=13，ki=0．1，kd=0．003。根据经验对ADRC控制器参数进行整定，油相流量控制系统中取b=1．1，h=0．01，r=400，β1=100，β2=400，β3=700，k0=3，k1=2，k2=5，水相流量控制系统中取b=1．3，h=0．008，r=500，β1=70，β2=350，β3=600，k0=4，kl=5，k2=2。油相流量给定值为140L／h，水相流量给定值为2660L／h，在第4分钟时油相流量给定值突变至210L／h，水相流量给定值突变至3990L／h。图3和图4给出了PID控制器和ADRC的对比仿真结果。
      
      
      
      
      
       由图3中可以得到，在油相流量被控系统中，采用PID控制器需要64s的调节时间跟踪给定值，当在第4分钟给定值突变时，需要再经过50s达到稳态，且超调量大。而采用ADRC，油相流量系统在启动过程中仅仅需要38s的调节时间到达稳态，给定突变后也只需要31s进入稳态，相比于PID控制器调节时间明显变短，且调节过程无超调。由图4可以看出，PID控制器下，水相流量经过102s的调节时间到达稳态，在第4分钟流量突变为1890L／h后，PID控制器经过54s的调节时间跟踪给定值，且超调量大，而ADRC启动过程中经过60s跟踪给定值，给定值变化后经过48s达到稳态，且都没有超调。可见ADRC的调节时间明显小于PID控制器，且抗干扰能力更强，保证了油相流量和水相流量严格按照工艺要求进行控制，从而生产出高质量的乳化炸药。
      
       同时由图3和图4对比可知，油相流量超前于水相流量到达稳态，从而保证了生产初期就能够生成油包水型乳胶基质，将初始废料的产生量降到最低，最大化利用原材料。
      
       4结论
      
       本文采用ADRC对乳化炸药生产工艺流程中的油相流量和水相流量进行控制，设计了跟踪微分器、扩张状态观测器以及非线性控制律。仿真结果表明本文设计的ADRC控制效果明显优于PID控制器，在动态响应过程中无超调量且响应时间短，抗干扰能力强，能够满足油相流量和水相流量的控制要求，保证了乳化炸药自动化、连续化的高质量生产。
      
       参考文献
      
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       [3]彭建飞，王越胜，张贵平．乳化炸药油水相流量模糊控制器的设计[J]．机电工程，2007,24（12）:75～78．
      
       [4]柯成银，何波，廖长风，等．控制图在乳化炸药水相密度控制中的应用[J]．爆破器材，2008，37(3)：34～36．
      
       [5]陈茂胜．基于自抗扰控制永磁同步电机伺服系统研究[J]．微电机，2013，46(12)：5l～54．
      
       [6]程启明，程尹曼，汪明媚，等．基于混沌粒子群算法优化的自抗扰控制在蒸汽发生器水位控制中的应用研究[J]．华东电力，2007，23(1)：42～45
      
       [7]陈红，曾建，王广军．蒸汽发生器水位的自抗扰控制[J]．中国电机工程学报，2010，30(32)：103～107．
      
       [8]韩京清．自抗扰控制技术[M]．北京：国防工业出版社，2008．
      
       [9]黄德先，王京春，金以慧．过程控制系统[M]．北京：清华大学出版社，2011．
      
       摘自《中国爆破新进展》
      
      
原文网址：

1. http://www.cbsw.cn/news.do?newsId=93001

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