-
在杜瓦回温的过程中要求杜瓦内的压强不能超过安全阈值,这个过程主要是回收氦气。由于回气阀不具有开度控制的功能,只有开和关两种状态,在阀门打开的时候,杜瓦内的压强会快速变化,相当于整个系统加入了比较大的扰动,同时整个2K低温系统也是一个比较大的惯性系统,若使用原有的PID参数调节效果不是很理想,调节时间和超调会更大,具体的如图5所示。
从图5中可以看出,在大惯性系统下对于突然的扰动,原有固定参数的PID,其超调量和稳态时间都会差于模糊PID控制下的效果,因此在2K控制系统的氦压调节中使用了模糊PID控制算法。模糊PID具有响应速度块、调节时间短、超调量小、抗干扰能力强等特点[6]。
模糊控制算法是建立在偏差e和偏差的变化率ec与
$ {K}_{\mathrm{p}} $ 、$ {K}_{\mathrm{i}} $ 、$ {K}_{\mathrm{d}} $ 之间的非线性函数,从而实现参数$ {K}_{\mathrm{p}} $ 、$ {K}_{\mathrm{i}} $ 、$ {K}_{\mathrm{d}} $ 、随着偏差e和偏差的变化率ec的变化而自行调整[6]。所以模糊控制器输出的$ {K}_{\mathrm{p}} $ 、$ {K}_{\mathrm{i}} $ 、$ {K}_{\mathrm{d}} $ 就是我们需要的PID控制器的输入,建立的模糊规则如表1所列。表中的e, ec的模糊子集:e, ec = {负大(NB, Negative Big),负中(NM, Negative Middle),负小(NS, Negative Small),零(ZO, Zero),正小(PS, Positive Small),正中(PS, Positive Middle),正大(PS, Positive Big)}。接下来根据每个参数的隶属度函数,再结合模糊规则得到PID参数模糊矩阵表,查出修正参数带入下式计算[6]:
其中
${K'}_{\mathrm{p}}$ 、${K'}_{\mathrm{i}}$ 、${K'}_{\mathrm{d}}$ 为前一个周期的PID参数;${e}_{j}、e{c}_{j}$ 为对应模糊表中的值;$ {q}_{\mathrm{p}} $ 、$ {q}_{\mathrm{i}} $ 、$ {q}_{\mathrm{d}} $ 为相应的修正系数;${K}_{\mathrm{p}}$ 、${K}_{\mathrm{i}}$ 、${K}_{\mathrm{d}}$ 为计算后的比例、积分、微分的值。PID NB(ec) NM(ec) NS(ec) ZO(ec) PS(ec) PM(ec) PB(ec) NB(e) PB/NB/PS PB/NB/NS PM/NM/NB PM/NM/NB PS/NS/NB ZO/ZO/NM ZO/ZO/PS NM(e) PB/NB/PS PB/NB/NS PM/NM/NB PS/NS/NM PS/NS/NM ZO/ZO/NS NS/ZO/ZO NS(e) PM/NB/ZO PM/NM/NS PM/NS/NM PS/NS/NM ZO/ZO/NS NS/PS/NS NS/ZO/ZO ZO(e) PM/NM/ZO PM/NM/NS PS/NS/NS ZO/ZO/NS NS/PS/NS NM/PM/NS NM/PM/ZO PS(e) PS/NM/ZO PS/NS/ZO ZO/ZO/ZO NS/PS/ZO NS/PS/ZO NM/PM/ZO NM/PB/ZO PM(e) PS/ZO/PB ZO/ZO/NS NS/PS/PS NM/PS/PS NM/PM/PS NM/PB/PS NB/PB/PB PB(e) ZO/ZO/PB ZO/ZO/PM NM/PS/PM NM/PM/PM NM/PM/PS NB/PB/PS NB/PB/PB 图6中显示的是在正常情况下突然加入扰动的时候模糊PID对
$ {K}_{\mathrm{p}} $ 、$ {K}_{\mathrm{i}} $ 、$ {K}_{\mathrm{d}} $ 的自调整。由图6可知,$ {K}_{\mathrm{p}} $ 、$ {K}_{\mathrm{i}} $ 、$ {K}_{\mathrm{d}} $ 在加入扰动时会有一个瞬时的变化,$ {K}_{\mathrm{p}} $ 、$ {K}_{\mathrm{i}} $ 的变化是一致的,比例环节$ {K}_{\mathrm{p}} $ ,根据偏差量成比例地调节系统控制量,减少偏差。$ {K}_{\mathrm{i}} $ 用于消除系统的稳态误差,提高系统的无差度,因为引入了扰动,积分环节进行调节,直至没有误差,积分调节停止,积分环节输出一个常量,所以在自调节过程中会有较大的变化。$ {K}_{\mathrm{d}} $ 根据偏差量的变化率调节系统控制量,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,用于改善系统的动态性能,所以在引入扰动的那一刻会有很大的变化,之后由于PI的作用已经开始调节,控制变量的误差变化率开始变小,所以$ {K}_{\mathrm{d}} $ 的变化应该非常缓慢。本文首先将模糊规则用脚本程序表示,然后利用evalfis函数将模糊规则控制表格导出,下面表2表示的是
$ {K}_{\mathrm{p}} $ 的查询表,$ {K}_{\mathrm{i}} $ 和$ {K}_{\mathrm{d}} $ 方法一样,在这里不做赘述[7]。Kp −6(ec) −5(ec) −4(ec) −3(ec) −2(ec) −1(ec) 0(ec) 1(ec) 2(ec) 3(ec) 4(ec) 5(ec) 6(ec) −6(e) 10 9 8 8 8 6 5 4 3 3 2 2 0 −5(e) 9 9 8 7 6 4 4 3 2 2 1 0 −1 −4(e) 8 8 8 7 6 4 3 2 2 1 1 −1 −2 −3(e) 8 7 7 6 5 3 2 2 1 0 0 −1 −3 −2(e) 8 6 6 5 4 3 2 1 0 0 −1 −1 −4 −1(e) 6 5 4 3 3 2 1 1 0 −1 −1 −2 −4 0(e) 5 4 4 2 2 1 1 0 −1 −1 −3 −3 −4 1(e) 5 3 2 2 1 1 0 −1 −1 −2 −3 −4 −5 2(e) 5 2 2 1 1 0 −1 −1 −2 −3 −5 −5 −7 3(e) 4 2 1 1 0 −1 −1 −2 −3 −3 −5 −6 −7 4(e) 3 2 0 0 −1 −1 −3 −3 −5 −5 −5 −6 −7 5(e) 2 1 0 −1 −2 −2 −3 −4 −5 −6 −6 −6 −8 6(e) 0 −1 −1 −2 −3 −4 −6 −6 −7 −7 −7 −8 −9 -
模糊PID控制算法需要在PLC中实现的,模糊推理部分如果直接采用PLC指令完成在线的推理,难度较大,同时程序执行会比较慢,实时性不强。所以采用西门子S1500系列PLC的软件中集成的PID的模块,可以直接调用,其中的输入参数
$ {K}_{\mathrm{p}} $ 、$ {K}_{\mathrm{i}} $ 、$ {K}_{\mathrm{d}} $ 可以根据软件搭建的2K控制系统的仿真模型,用模糊PID 规则得到查询表作为PID模块的输入,这样可以增强实时性。其中PLC程序可以完成对偏差e和变化率ec计算,根据这两个参数可以到查询表中查询具体的PID参数[8]。首先在PLC中建立一个DB全局数据块,并在数据块中建立一个数组存放查找表中的数据。将13×13表格放入到一维的数组中,先将e和ec的范围转换成[0, 12],则转换到数组中的具体位置为
$ v=13\times e+ec $ ,该位置就是偏移地址,PLC中一个实数存放为4个字节,得到的最终偏移地址为4v,对于相应的$ {K}_{\mathrm{i}} $ 、$ {K}_{\mathrm{d}} $ 实现方法也类似。具体实现如图7所示。使用该算法在PLC中控制杜瓦回温过程内的压强实际变化如图8所示。
从图8中的结果可以看出,使用该控制方法,调节时间短、超调量小、稳定性较好。
The Key Technology of 2K Superconducting Cryogenic Vertical Measurement Control System
doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021047
- Received Date: 2021-05-31
- Rev Recd Date: 2021-07-12
- Available Online: 2022-06-29
- Publish Date: 2022-06-29
-
Key words:
- 2 K superconducting cryogenic vertical measurement /
- control system /
- Sequencer /
- fuzzy PID /
- EPICS
Abstract: According to the requirements for the cryogenic vertical measurement system of the Chinese ADS Front-end Demo Linac(CAFe), a 2K superconducting cryogenic vertical measurement control system is designed. One of the main difficulties of the system is to achieve 2K process control in a simple and reliable way, and the other is the control of the pressure in the Dewar during the temperature recovery process. To address these two points, Sequencer, an integrated package in the Experimental Physical and Industrial Control System(EPICS), was used in the paper to implement control of sequential processes such as gas displacement and cavity cooling, enabling easy implementation of multiple process controls. For the temperature recovery process, components such as a Programmable Logic Controller(PLC) are used as the hardware control part, and fuzzy Proportion Integral Differential(PID) a control of the heater is used to stabilize the pressure in the Dewar. The smaller response time and overshoot compared to conventional PIDs ultimately provide a viable and efficient solution to achieve a 2K superconducting cryogenic vertical control system.
Citation: | Guoqiang SHEN, Hai ZHENG, Hu CAO, Rongfeng ZHANG, Wenwen SHEN, Youxin CHEN. The Key Technology of 2K Superconducting Cryogenic Vertical Measurement Control System[J]. Nuclear Physics Review, 2022, 39(2): 188-194. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021047 |