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纯滞后系统PID-模糊控制

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《工业控制计算机》2013年第26卷第1期 41 纯滞后系统PI D一模糊控制 PID——fuzzy Control System with Pure Lag 尹 超 李茂军 张 静 (长沙理工大学电气与信息工程学院,湖南长沙410076) 摘 要 为了保证城市供水质量,常常采用变频恒压供水方式。针对恒压供水系统的非线性、随机性、大惯性和纯滞后特性,提 出了一种带Smith预估的PID一模糊复合控制策略。这种控制策略融合了模糊控制动态响应性能好、PID控制调节精度高 以及Smith预估纯滞后补偿的优点。在保留了系统很好的动态过程平稳性和稳态性能的基础上,明显改善了系统的动态过 程快速性,同时对被控对象模型参数变化具有很好的适应性,鲁棒性好。仿真实验结果表明:带Sm_fh预估的PID一模糊复 合控制策略可使恒压供水系统的动态稳态性能明显优于常规PID、模糊控制和PID一模糊复合控制。 关键词:变频,恒压供水,PID控制,模糊控制,Smith预估控制 Abstract In order to ensure the quality of urban water supply,the water supply with frequency conversion and constant pressure is often used.A PID-fuzzy control strategy with Smith predictor is proposed for the constant pressure water supply system. which has the characters of nonlinearity,randomicity,large inertia and big delay This control strategy combines the advan— rages of good dynamic response of fuzzy control,high regulation accuracy of PID control and pure lag compensation of Smilh predictor On the basis of retaining the system S stationarity,dynamic process and steady state performance,this con— trol strategy can evidently improve the speedability of dynamic process,has good robustness and has well adaptability to variational model parameters. Keywords:frequency conversion,water supply with constant pressure,PID control,fuzzy contro1 Sm_th predictive control 城市供水系统管网分布范围广、铺设复杂、弯管多、具有大滞 电 控制策l4 咯 后、非线性及参数时变等特点,采用传统的P JD控制很难达到满 意的效果,而模糊控制技术可避免传统PID控制的一些弊端 ], 进水l侧门 l 变磊器 {卒 0器. 压 r 表 鲁棒性较好,但是模糊控制属于有差控制,调节精度不高。PID 市政舒网 储水池 交流电机 控制和模糊控制都未消除纯滞后对控制系统的影响。无论是 【 / - 供水管道 PID控制还是模糊控制都无法达到理想的控制效果,有必要开 圭= 水泵机组 拓提高恒压供水系统性能的新的途径。 图1 变频恒压供水系统示意图 文献【2]设计了模糊PID控制策略,设定误差阈值转换开 关,在不同的情况下使用不同的控制方法达到了较好的控制效 电机为执行机构,水泵机组为控制对象。压力传感器安装水泵出 果。文献【3】利用遗传算法对模糊控制规则和PID参数进行全局 1:3管道中,控制器通过压力传感器不断检测管网中的压力,并与 优化,设计了一种智能优化控制策略,使其更好地适应供水系统 输入到控制器输入端的给定压力和环境参数进行比较,然后通 的实际需求。文献[4】提出了采用可调整修正因子模糊PID控制 过内部控制算法产生控制量去实时地控制变频器的输出功率, 算法,提高了系统的稳定性、可靠性。文献[5]提出了参数寻优模 从而控制电机转速,调整管道中的水压,使其始终处于最佳工作 糊控制算法,其动态性能和抗扰动能力均优于传统的控制方式, 状态。 具有较强的鲁棒性。文献【6】设计了一种参数自适应模糊PID控 2带Sm.1h预估的PID一模糊控制策略 制器,能够对供水系统中的水压调节进行有效控制。这些控制策 单纯采用模糊控制的恒压变频供水系统的静态性能较差, 略有的是对常规模糊控制的改进,有的在PID控制中用遗传算 可能导致实际压力达不到设定值。这主要是因为,通常的模糊控 法、模糊规则或其他启发式方法整定其控制参数,仍未充分考虑 制器以误差和误差变化作为输入,具有类似于比例微分控制的 城市恒压供水系统的非线性、随机性、大惯性和纯滞后特性。 作用,而缺少积分控制,导致了模糊控制的静态性能不佳,不利 针对城市供水系统的特点,本文提出一种带Smith预估的 于消除供水系统的压力误差。 PID~模糊控制策略,这种控制策略可使恒压供水系统的动态、 考虑到PID控制动态响应性能较差,但控制精度高和静态 静态性能明显优于常规PID、模糊控制和PID一模糊复合控制。 性能好;模糊控制有良好动态响应性能和快速响应能力,但存在 1 变频恒压供水系统 稳态误差;因此,把PID控制和模糊控制融合,让两者优势互补, 城市变频恒压供水系统如图1所示。系统由储水池、供水管 构成PlD模糊复合控制,如图2所示。 网、水泵、变频器、压力检测仪表和控制器等组成。 针对PID和模糊控制的特点,总结出一套整定原则: 压力传感器为反馈检测元件,变频器为功率驱动器件,交流 1)当IeI较大时,为使系统具有较好的跟踪性能,增强自适应 湖南省教育厅科学研究项目(10C0376) 42 能力,应使模糊控制起主要作用。 2)当Iel较小时,为使系统具有较好的稳态性能,应使PID控 制起主要作用。 根据P JD一模糊控制器的原理,PID一模糊复合控制系统的控 制量U(t)由PID控制算法计算出的控制量um(t)和由模糊控制 算法计算出的控制量u 一(t)加权求和组成,其权系数根据偏差e (t)的大小自适应调整。模糊控制部分的卡义系数由公式(1)确定: :1-e ‘ f1 1 其巾a为与对象惯性时间常数、纯滞后时间等有关的修正 系数,通过调整的大小,可以改变PID和模糊控制的不同加权程 度,模仿了人工操作手动控制时的思维特点。可通过实验整定, 人量实验表明a从[O 3,1]中取值较为合适。 Pl。 ]川 模糊控制器 H Lj+ 图2 PID一模糊复合控制系统 PID控制采取式(1)所示的常规PID控制算法: u(f)=kpe(f)+kj{ e(T) +kD d e( t)一 (2) 控制参数k。、k。和kD可按常规PID控制参数整定方法整 定;模糊控制采取基于偏差及偏差变化率的二维模糊控制器,先 离线计算模糊控制表,实际控制时查询模糊控制表即可得到控 制繁。 在__『:业过程控制中,由于物料或能量的传输延迟,许多被控 制对象具有纯滞后性质 对象的这种纯滞后性质常引起系统产生 超调或者振荡,Smjfh预估控制可消除纯滞后对控制系统的影响。 “(¨‘ ~㈧ P 】. 图3带Smjfh预估器的控制系统 为了获得最佳性能,本文融合模糊控制动态响应性能好、 PID控制调节精度高和SmlIh预估控制消除纯滞后的优点,构 成带Smilh预估的PID一模糊控制系统,如图3所示,其中G。 (S)e 表示被控对象的传递函数,G。(s)(1一e )为Smith预估 器,控制器D(S)选取PID一模糊复合控制系统。 这种带SmIth预估的PID一模糊控制系统在偏差很小时控 制量主要由PID控制算法给出,可以达到PID控制的很高调节 精度;在偏差较大时控制量主要由模糊控制算法给出,可以实现 模糊控制的良好动态响应性能,而Smith预估控制则消除了纯 滞后部分对控制系统的影响。 3仿真实验及结果分析 由于变频调速恒压供水系统的控制对象是一个时变的、非 线性的、滞后的、模型不稳定的对象,我们难以得出它的精确数 学模型,只能进行近视等效。 水泵由初始状态向管网进行恒压供水,供水管网从初始压力 开始启动水泵运行,至管网压力达到稳定要求时经历两个过程: 1)水泵将水送到管网中,这个阶段管网压力基本保持初始 压力,这是一个纯滞后的过程; 2)水泵将水充满整个管网,压力随之逐渐增加直到稳定,这 是一个大时间常数的惯性过程。 变频器和电机可近似等效为小时间常数的一阶惯性环节; 系统中其他控制和检测环节,例如继电控制转换、压力检测等的 纯滞后系统PID一模糊控制 时间常数和滞后时间与供水系统的时间常数和滞后时间相比, 可忽略不计,均可可等效为比例环节,即町以写成: G(s)=Gp(s)e 而~ S)。 (3) 式中:k为系统的总增益,T 、 分别为系统的大小惯性时间 常数,T为系统滞后时问。厂 r  ) 对参数k、T 、T 、+T的辨识可以采用离线歼环阶跃响应辨识,-一  ^ 具体的作法是在开环状态下让控制器输出一适当幅度的阶跃信 “ f 号,使水泵转速达到…一十^ 定幅度然后记录下水压的变化过程再根 ^ 一 据输入输出数据进行辨识。经过辨识,( 参数为:k=15、T1=7.2、T = ) 0 4、-r=2 3。 G { D(s)一 G ( ) 一 ▲  l—L……一……~一一 】图4带纯滞后环节的控制系统 1)仿真实验系统结构如图4,控制器D(s)分别取PID控制 器、模糊控制器和PID一模糊复合控制器。系统输入r(t)取单位阶 跃信号。仿真实验步骤如下: 对象模型取G(S),控制器取PID控 制器,画出并保存系统输出信号YpID(t)波形。(2)对象模型取G(s), 控制器取模糊控制器,画出并保存系统输出信号y (t)波形。⑨ 对象模型取G(S),控制器取PID一模糊复合控制器,画出并保存 系统输出信号y D-F (t)波形。参数a从[0.3,1]中取值。 2)仿真实验系统结构如图3,控制器取PID一模糊复合控制 器,画出并保存系统输出信号ySm【h_m 一(t)波形。 图5是仿真实验1)、2)的结果,从图5可以看出:PID控制 稳态误差为O,控制精度高,但超凋量较大,调节时间较长;模糊 控制调节时间较短,但存在稳态误差,控制精度不高,有超调; PID一模糊复合控制可以融合PID控制和模糊控制的优点,达到 超调量小,调节时间较短,控制精度高的目的;带Smith预估的 PID一模糊控制消除了纯滞后的影响,达到了超凋小,调节时间 短,控制精度高的目的。 图5不同控制策略响应仿真对比图 图6带Smjth预估的PID一模糊控制响应曲线 (下转第44页) 辅网程控系统的构建及其在某发电公司中的应用 补给水系统有控制权限,对其余各分站只具备监测功能而不具 备控制功能,以防止误操作现象的发生。 水系统网络控制机柜放置于锅炉补给水系统控制室内。对于 水系统辅助车间网采用10OM工业以太网(光纤),网络通讯介质 冗余配置;水系统通讯接LI的设计能满足通过水系统辅助车间监 控网络的上位机实现对水系统网络内各系统进行远方监视和控 制、参数和报警显示、报表打印、程序在线修改和下载等功能。水 信号的发散从而影响参数的稳定性。通过将全部的终端电阻进行 检查紧固保证其接触良好,从而解决了模拟量参数的跳变现象 3.2通讯问题 在设备投运初期,上位机与下位机通讯存在时常中断问题, 通讯一旦中断所有设备状态、参数都无法监视,设备无法操作, 给设备的安全运行带来极大隐患,通过不断地试验及检查发现 通讯中断主要原因是:远程IO分离器接触不良,在分离器接入 系统内各PLC控制程序的组态和修改可在水系统网络系统的工 程师站上进行,并通过通讯网络在线下载到各子系统的PLC中。 水系统网络由操作员站、工程师站、服务器、网络交换机、数 据通讯系统等人机接口及PLC控制系统、PLC网络接口组成。 水系统中各子系统联接集中监控主干网络为冗余10OM以太光 纤网络,室外采用铠装光缆;网络结构采用星形拓扑,便于工程 同轴通讯电缆时,没有完全接触牢靠,屏蔽层接触不良,从而导 致远程l0通讯模块与下层功能模块的通讯中断,上位机和下位 机无法正常通讯,严重影响设备的正常运行。通过将远程l0分 离器与同轴通讯电缆进行了重新连接,固定牢固解决了这一通 讯问题,为设备安全运行打好基础。 3.3上位机软件内部故障 在设备正常运行过程中还会出现这样一种情况,上位机与 实施和故障隔离,减小网络故障造成的影响,另外水系统网络通 过数据库服务器预留有与SIS系统的联网接口。 下位机通讯正常,PLC硬件无故障,但是上位机操作画面的设备 状态、参数都无法正常显示,经过检查发现数据库参数异常,把 备份数据库重新装入后,设备状态、参数都显示正常,经过咨询 厂家此问题有可能是软件设计不很完善造成的。遇到此类问题 我们就通过软件重新安装和数据库重新装入来解决。 4结束语 随着计算机网络和控制技术的发展,现在新机组的辅网程 软件部分主要由监控软件、编程软件以及实时数据库组成, 它们分别实现PLC网络上位机人机接口的监视和控制、PLC逻 辑控制功能以及系统内部、外部的数据接口。 系统采用iFIX分布式数据库软件实现水集中控制网络实 时数据库的共享,服务器安装1套iFIX SCADA盲节点软件,用 于采集水系统各车间实时数据,同时水网、补给水及凝结水操作 员站配置iFIX3.0软件,不仅具有画面监控功能,同时能产生水 系统的全部实时数据库,而且水网上的三台操作员站的数据库 互为备用。 当任何一台操作员站故障时不影响数据库调用,并在操作 员站恢复后可通过数据库恢复数据。编程软件基于Windows 2000及以上版本环境下运行,能对各系统PLC进行控制算法 和逻辑组态的软件。PLC编程软件设计符合IEC1 131—3的标 准,同时提供梯形图、指令列表、功能块图、顺序列表、结构化文 控系统多数采用集中控制方式,就是将“水”网、“灰”网、“煤”网 连成一个监视网络,实现在单元控制室集中监测、远方操作和运 行管理。某发电公司辅控网包含了所有外围系统的控制,给运行 人员提供了友好的用户界面供运行人员操作,辅网程控系统的 投入运行提高了自动化水平,大大减轻了运行人员的劳动强度, 减少了运行人员,为企业减少了开支,带来了效益,同时辅控网 系统从根本上改变了传统电厂辅机系统的运行模式,为电力系 统的自动化打开了一个新的领域。 参考文献 [1]施耐德公司.Modicon Quantum硬件用户手册/编程手册[K] [2]郭宗仁可编程序控制器应用系统设汁及通信网络技术[M]人民邮 电出版社,2002 本等编程语言;完成离线仿真,程序开发、调试、诊断等功能。 3存在的主要问题及解决方法 3 1参数跳变 在设备投运初期精处理系统在运行中模拟量参数存在跳变现 象,检查压力、流量变送器及温度元件未发现异常,更换Al卡件, 还是存在参数跳变现象,证明Al卡件是好的,经过多方面查找问 题最终发现问题出在终端电阻上,因为终端电阻接触不良会造成 [3]王卫兵PLC系统通信、扩展与网络互连技术[M].机械工业出版社, 2004 [收稿日期:2012 1O 8] (上接第42页) Based on PLC and Fuzzy Control 2009 International Confer— ence on Measuring Technology and Mechatronics Automation 为了考察本文提出的带Smith预估的PID一模糊控制策略 对被控对象参数变化的适应性,让被控对象(3)式中参数分别在 T__=6.7~8、T,=0.3~0,5、T=2~2.6之间随机变化,进行了大量仿 真实验,图6给出了部分仿真结果。从图6可以看出:当被控对 象参数变化时,系统动态过程快速性、平稳性以及稳态性能仍然 很好。 f2]Suling LI.Lina LIU.Dawei CHEN Fuzzy Controi and Simula— tion of the constant pressure water supply system for small— type water works 201 1 International Conference on Elec. tronic&Mechanical Engineering and Information Technology [3]冯冬青,孔祥伟,许仿.城市恒压变频供水系统的一种智能优化控制 策略[J]郑州大学学报(工学版),201 1,32(1):85-88 [4]王瑞兰基于模糊PID控制的变频调速恒压供水控制系统[D]山东 大学,2006 从上述仿真实验结果可以得到如下结论:①城市变频恒压 供水带Sm_lh预估的PID一模糊复合控制的水压调节效果与 PID控制、模糊控制以及PID一模糊复合控制相比,无论是动态 响应性能还是调节精度都要好得多。②带Smllh预估的PID-模 糊复合控制策略对控制对象模型参数变化有很好的适应性。 参考文献 [1]Peng Xiaohong,Xiao Laisheng The Variable Frequency and Speed Regulation Constant Pressure Water Supply System 【5]李国芳,张秀彬.基于参数寻优模糊控制变频凋速恒压供水系统的设 计[J].微电脑应用,201 1,27(3):18—21 [6]沈晖,刘大铭参数自适应模糊PID在恒压供水中的应用[J]中国农 村水利水电,2007(9):63—66 [7]康会峰,黄新春,王元基于DSP的变频恒压供水模糊控制系统应用 [J].电机与控制应用,2010,37(5):16—2O [收稿日期:2012 9.22] 

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