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水位智能控制的实现

作者: 来源: 发布时间:2018-2-11 16:12:47  点击数:479
在智能控制领域中,仿人智能控制占有重要地位。它的基本思想就是利用各种自动机器或智能机器模仿、延伸和扩展人的智能,对复杂对象达到较高精度的控制,提高自动化水平。由于这种控制方法只研究和模拟有丰富经验的运行操作人员的操作程序和规律,并加以整理、归纳、总结,以软件控制程序代替人工的操作,并不依赖和涉及对象的精确数学模型,故而对系统的时变性、非线性等有较好的鲁棒性。
1 控制对象分析
某单位生产、生活用水是水库的水经自然落差送到加压泵站,再由加压泵站输送到净化站水池,净化站水池距抽水泵房较远,且水位高低由泵站控制,主要控制目的是保证净化站的水位维持设定位置,使进入净化站的总水量与流到用户的总水量基本一致,一方面达到节能的目的,另一方面防止净化站水池溢出。然而,从泵站给水量的增减到净化站水位的变化,要经历长距离的输送管道,受管网压力、流量的影响。这类对象属于多容性、大惯性及变参数的动态系统,很难建立较理想的数学模型,不适于用常规的pid调节方案。针对以上特点,用可编程调节器实现了仿人智能控制策略,获得了较高的控制精度。
2 传统的控制
闭环控制系统由控制器、执行机构、被控对象及检测环节组成,其结构框图如图2—1所示。

控制器是闭环控制系统的核心,它的控制算法决定了系统的控制特性及控制效果。传统的控制系统最常用的控制规律是pid。pid调节器是一种线性调节器,它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差e(t),r(t)-y(t)将偏差e(t)进行比例p、积分i、微分d运算,再通过线性组合构成控制量对控制对象进行控制。
图2-2为典型的二阶系统单位阶跃响应曲线。通常采用系统偏差与其变化率的乘积e×de/dt作为特征量,反映系统误差的变化趋势,在ab段,或cd段等,e×de/dt>0,说明误差正在增大;在bc段,或de段等,e×de/dt<0,表示误差正在减小。在pid控制中利用该特征变量,可以使积分作用更加符合人的控制特征。实际上,控制系统中引入积分作用是减少系统稳态误差的重要途径,但这种积分控制作用也存在以下缺点:其一,积分控制作用针对性不强,甚至有时不符合控制系统的客观需要;其二,只要有误差存在就一直不断进行积分,导致“积分饱和”,降低系统的快速性;其三,积分参数不易选择,而选择不当往往导致系统出现振荡。人的记忆功能一般来说具有某种选择性,而常规pid控制的积分作用对误差信号的记忆中也包括了对控制不利的信息,缺乏智能性。图2—2中,在ab段或cd段等,e×de/dt>0,说明误差正在增大,可考虑控制器实施pid作用,以使误差绝对值朝减小方向变化,迅速减小误差的绝对值。在bc或de段,e×de/dt<0,说明误差绝对值正在减小,可将pid控制器中积分作用去掉,停止积分,以利于系统借助于惯性向稳态过渡。在时刻a,c,e,虽然e=0,但de/dt≠0,说明系统误差在某一时刻虽为零,但很快将变为不平衡状态,此时若停止积分作用,则调节器控制作用削弱,不利于系统及时消除误差。在f到g时刻,e×de/dt=0,但|e|≠0,说明这段时间里系统偏差固定不变,也必须加上积分作用,尽快消除偏差。当e=e×de/dt=0,分离积分作用。

另外,水位系统由于惯性大、迟延时间长,控制器输出指令u(t)会经常处于饱和点。实际水位信号低于设定值时,控制器输出指令u(t)要求增加输出量,由于迟延等因素的存在,往往使u(t)出现100%饱和。当实际水位信号回升时,指令u(t)仍在100%,只有当实际水位信号超过设定值时,输出才从100%开始下降。由于存在惯性,水位仍然上升;要使输出指令u(t)退出饱和点,经历若干时间,水位才开始下降,一旦低于设定值,又开始一个新的动作周期,使水位在较大范围内波动。解决办法是在线监测偏差变化率de/dt,根据de/dt的符号,在一个有限域内决定设定值的跟踪方向。调节系统在水位状态变化后,即发生控制作用,不完全依据设定值与被调量的偏差e来决定u(t)的增或减,就会取得一种较为合理的超前控制效果。例如,当de/dt>0时,设定值切换到有限域的下限,再加上pid,使u(t)尽快减小;反之,de/dt<0时,设定值切换到上限,u(t)尽快增大。
3 智能控制
仿人智能控制是以人工智能和自动控制理论为基础,总结人的控制经验以产生规则描述,根据以上的分析,可得到相应控制算法。
3.1仿人智能控制

式中,u(n)为第n次输出,kp为比例系数,k为修正系数,e为偏差,de/dt为偏差变化率。
3.2控制器输出
设正常设定值为lvo,控制器输出上、下限分别为umax、umin,水位实际值为lf,则有
if lvo-lf≤m(m为事先设定好的偏差范围),进行仿人智能控制;
if lvo-lf>m,采用bang-bang控制,u=umax或umin。
该智能控制算法从控制结构和控制行为两方面模仿人的一些特点和功能,包括人的在线特征辨识、特征记忆及直接推理逻辑等。控制器主要根据输入信号即系统误差的大小、方向、其变化趋势做出相应的决策以及相应的控制模式。
4 可编程调节器控制策略的实现
从以上分析可知,实现文中的控制策略需要微分、乘法、比较、开关、与、或等等运算功能块,再加上pid控制功能块即可。
采用西门子可编程控制器s7-200可实现水位的智能控制,笔者分别将仿人智能控制、bang-bang控制编制成子程序段,在仿人智能控制子程序中相应调用s7-200提供的pid控制功能块。
5 应用效果分析
该控制方案应用在某单位自动水位控制上,自投运以来,一直效果良好。以前主要依靠人工观测水位,通知泵站控制室,因此净化站水位波动很大。改进后,机组负荷稳定时,最大误差可控制到设定水位±2.5cm以下(设定水位为500cm),满足用户需求,控制输出变化正常。实践证明,用仿人智能控制方案实现的控制策略,系统动态响应快,鲁棒性强,并且系统具有较高的控制精度。
工业仪表与自动化装置

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