非线性控制

简介

传统的PID控制器和许多先进控制方法都能有效地控制线性过程。事实上，大多数过程都是非线性的。对于一个非线性程度不高的过程，可以把它当作一个线性过程处理。可是，要控制好一个极端非线性过程，则相当困难。

CyboSoft是美国国家仪器有限公司（NI）的战略合作伙伴，位于美国加州的Rancho Cordova。CyboSoft为极端非线性过程提供了突破性的无模型自适应（MFA）控制解决方案，不需要建立过程模型或重新调整控制器参数。MFA免去了传统的非线性表征过程，组态、投运Nonlinear MFA控制器十分的方便。

利用NI的LabVIEW实时开发环境，嵌入式Nonlinear MFA控制器能在PC上运行，或下载到NI的FieldPoint分布式I/O和PXI实时控制器中。

解决方案

为什么非线性过程难控？

非线性控制是现代控制理论中的一大难点。线性控制系统理论已经发展的非常成熟了，然而，非线性控制依然是令人头痛的问题。非线性控制之所以困难，是因为非线性行为变化多端。

通常，要使一个自动控制器能有效地控制一个非线性过程，首先要对该过程进行线性化。常用的方法是设计一个反相的非线性函数来补偿非线性行为，使整个过程的输入－输出关系线性化。拟合非线性曲线是一件枯燥乏味的事，往往会由于过程的不确定因素使得以前的努力付之东流。

非线性无模型自适应（MFA）控制器

Nonlinear MFA是一种通用型控制器，为非线性控制问题提供了一种更为有效的解决方案。它非常适用于非线性过程，或配有非线性的传感器、执行器及其它组件的过程。

Nonlinear MFA控制器与PID控制器的比较

下图显示了LabVIEW中极度非线性过程的控制趋势图。Nonlinear MFA控制器（上方）能在全量程范围内控制该过程；PID（下方）在线性区域的控制不错，而在非线性区域则失去了控制能力。



Nonlinear MFA控制器在LabVIEW中的设置

Nonlinear MFA只需配置少量参数，包括控制器增益Kc，过程时间常数和过程非线性因素。如下图所示，面板上的曲线图显示了过程的输入与输出之间的非线性程度。

过程非线性因素（Process Linearity Factor）是“0～10”之间的一个数。“10”代表了一个极端非线性过程，“0”则代表了一个线性过程。注意，图上的非线性曲线的最上方和最下方都以“10”标记，这就是说Nonlinear MFA并不关心过程非线性的方向。例如，阀门的“快开”和“快关”分别以凸和凹的曲线表示。

使用Nonlinear MFA的时候，无需关心非线性曲线特征的细节。曲线可以是凹的，凸的或“S”形状。只要简单地告诉控制器要控制的过程是极端非线性过程（“9”或“10”），还是非线性程度较高的过程（“5”或“6”），或是稍微有些非线性的过程（“1”或“2”）；Nonlinear MFA有足够的本领来处理余下的事。



非线性控制应用举例

流量和压力回路是典型的非线性过程，在不同的操作条件下会使执行器失去控制作用。阀门不可避免的损伤老化也会使其由线性变为非线性。由于能够节能，变频驱动（VFD）已经成为一种流行的流量调节方式；然而，其本身的非线性性给过程增加了一个非线性因素。

在生物技术微型反应器中，用于培养细胞的溶解氧是另一个非线性过程的例子。随着细胞的生长，它们会突然开始消耗大量的氧。由于需要大量的生物技术实验和繁多的细胞种类，用传统的非线性表征方法来解决这个非线性问题，其难度和成本都是巨大的。

基于Compact FieldPoint的Nonlinear MFA控制系统

NI的Compact FieldPoint分布式I/O产品为实现非线性控制系统提供了一个理想的硬件平台，下表列出了所需的组件和配件编号。两种选型中至少使用2个Nonlinear MFA控制器。也可选用NI的FieldPoint产品来实现这个控制系统。需要详细的产品信息和编号，请参考“pH控制”解决方案。

选项1. 远程I/O（MFA在PC上运行）

选项2. 嵌入式实时控制器（MFA在FieldPoint上运行）

CyboSoft在LabVIEW中的嵌入式MFA控制软件

下表列出了嵌入式MFA控制软件的类型，可向CyboSoft订购。SISO（单输入单输出）MFA控制器可配置成下列MFA控制器。

• SISO MFA － 取代PID，免去了手工参数调整；
• Nonlinear MFA － 控制极端非线性过程；
• MFA pH － 控制pH过程；
• Feedforward MFA － 抑制可测的扰动；
• Anti-delay MFA － 控制大滞后过程；
• Robust MFA － 迫使过程变量维持在预定的范围。

总结

即使过程增益成百倍的变化，Nonlinear MFA也能在全量程范围内精确地控制非线性过程。使用Nonlinear MFA无需线性化计算或建立过程模型，只需象征性设置一下MFA控制器增益Kc，无需重新调整。

这个通用性好，功能强大的解决方案简便易用，不需要太多的先进控制或过程建模的知识和经验，无需非线性表征或建立过程模型。使用NI的FieldPoint和CyboSoft的嵌入式Nonlinear MFA控制器能自动控制难以解决的非线性回路，实现平滑的操作过程，延长执行器的使用寿命，提高产品质量，提高生产效率，以及减少能源和材料的浪费。