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  • AI人工智能调节器在恒压供水中的应用

    中国教育装备采购网 2010/3/17 11:05:47 围观267次 我要分享

    陈伟(厦门大学自动化系,福建 厦门 361005)
    摘要:介绍由AI人工智能调节器和PLC等组成的变频调速恒压供水系统,阐述了该系统的实现方案及线路原理。由于AI仪表的自学习的模糊控制算法,使系统具有结构简单、运行稳定、性能指标高等优点。
    关键词:供水;变频;AI智能调节器
    引言

    恒压供水在工业和民用供水系统中已普遍使用,由于系统的负荷变化的不确定性,采用传统的PID算法实现压力控制的动态特性指标很难收到理想的效果。在恒压供水自动化控制系统的设计初期曾采用多种进口的调节器,系统的动态特性指标总是不稳定,通过实际应用中的对比发现,应用模糊控制理论形成的控制方案在恒压系统中有较好的效果。在实施过程中选用了AI-808人工智能调节器作为主控制器,结合FX1N PLC逻辑控制功能很好地实现了水厂的全自动化恒压供水。对于单独采用PLC实现压力和逻辑控制方案,由于PLC的运算能力不足编写一个完善的模糊控制算法比较困难,而且参数的调整也比较麻烦,所以所提出的方案具有较高的性价比。

    工作原理

    系统主要由AI-808人工智能调节器、变频器、控制接触器组、水泵、阀门、压力变送器等组成。由于水泵功率较大,为节约成本,只用1台变频器,3台水泵的其中2台可以采用变频调速,这样在某1台故障或维护时可以切换到另1台进行变频控制。图1为供水系统的原理框图。

              


    压力传感器检测出水总管压力,经变送器送至AI-808仪表,与设定值比较得到压力误差和误差变化率,经AI-808特有的模糊、PID相结合的控制算法运算后,将输出控制信号(4~20mA)送到变频器控制端。通过调节频率从而使出水管压达到要求指标。当用户和水量增加时,在一台水泵变频达到50Hz仍不能满足供水压力要求,PLC将检测到AI-808调节器的压力低信号,按其逻辑及工艺要求,加入另1台水泵工频运行;同样,在用户用水量下降,PLC通过收到AI-808调节器的水压高信号后,将其中1台工频水泵退出运行。
    系统运行时,变频器是固定控制某一台水泵,不实施多台水泵切换的方法。这样可以避免频繁切换对系统及变频器造成的冲击,并具有较高的可靠性。同时也考虑到灵活性及检修等方面,系统可采用手动方式选择2台水泵中的1台变频运行,也可以减少某1台水泵长期低频运行所造成的损耗。

    控制算法

    工业过程中常用的PID控制器适用于线性定常系统,而供水系统的对象时常含有非线性、时变环节,而且有些参数未知式缓慢变化,因此单独采用PID控制较难达到理想的控制效果,AI人工智能调节器采用模糊控制和改进PID相结合的双模控制算法,入图2所示

            
    当控制开始时,误差e=Y-s较大,即偏差| e |≥EM时(EM为双模控制算法e的边界值),系统采用模糊控制算法,具有较好的动态性能。在误差逐渐减小,即偏差| e |<EM时,采用改进PID控制算法,消除积分饱和现象,使系统静态性能达到最佳。
    将误差e和误差变化率c整量化及模糊化后,采用带修正因子的模糊控制规则:
    P=[αe+(1+α)c]
    式中:P为控制量U的整量化值;α为修正因子,介于0,1之间的数。
    改变α的值可以改变双模算法的模糊控制规则,从而改变系统的动态品质。AI调节器在调节过程中具有自学习、自调整功能。
    改进型PID算法采用抗积分饱和及不完全微分方式。其传函形式为:

                 
    式中:KD为微分增益,在阶跃作用下,PD输出初始值和最终值之比;为限制微分突变作用太强,KD取值不宜过大,一般取5~10。
    在调试过程中,在定值变化时控制系统调节过程中如图3。在通过调节阀门反映负荷变化时其调节过程如图4所示。

    设备选型及功能
     AI-808人工智能工业调节器
    AI-808人工智能调节器具有模糊逻辑PID调节及参数自整定功能的先进控制算法。在误差大时,运用模糊法进行调节,以消除PID饱和积分现象;当误差减小时,采用改进后的PID算法进行调节,并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化。其具有无超调、高精度、参数确定简单,对复杂对象也能获得较好控制效果等特点。其整体调节效果比一般的PID算法更明显。这一点在系统调试中得到验证,起初选用日本生产的单纯PID调节器,在用水量变化和水泵投退过程中,其超调量和稳定时间均不理想,在改用AI-808智能仪表后,其动态、静态指标均满足了要求。
     可编程控制器
    选用FX1N系列可编程控制器,输出为继电器类型。由于PLC只完成水泵自动切换等逻辑功能,所以不需要模拟量输入输出模块,从而节省了投资,系统的压力闭环控制由AI-808人工智能仪表完成,其算法的优越性远高于PLC内部较为简单的PID算法。
     变频器
    采用艾默生TD2000-4T2000P型变频器,适用于水泵型负载。可通过手动电位计或AI-808调节器输出的电流信号来控制频率。这二种模式的切换由操作台手动/自动开关来实现。将变频器多功能端子定义为电位计-电流信号控制模式。
     控制台
    系统控制台设计兼顾了手动和自动2种操作方式。手动状态下,每一台水泵和阀门都可以单独开启/停止,变频器频率可通多圈电位计手动调节;在自动模式下,通过选择开关确定要投入运行的水泵,这样在某台水泵维修时,可以让其退出自动运行的行列,而不影响系统的正常运行。控制台除了PLC、AI-808调节器外,还设有水位显示仪、分管压力显示仪、频率表。
    参数设置
    AI-808调节器提供丰富的用户设置方式,使其对不同的控制均能达到满意的控制效果。参数设置决定系统的静态和动态性能,该系统的参数设置如下:给定值:0.43~0.47Mpa
    HIAL:上限报警,不用。
    LOAL:下限报警,不用。
    dHAL:正偏差报警,系统用于控制水泵的切换,Dhal=0.05
    dLAL:负偏差报警,系统用于控制水泵的切换,dLAL=0.05.
    Df:回差(死区、滞环),用于避免因测量输入值波动而产生频繁调节作用,在回差范围内位式调节不起作用,Df=0.05。
    Ctrl:控制方式,采用AI人工智能调节/PID调节,Ctrl=1。
    M5:保持参数,主要决定调节算法中的积分作用,和PID积分时间类似,M5越小,系统积分作用越强。M5=0时取消积分和AI人工智调节,成为PD调节器,系统值=25。
    P:速率参数,与每秒内仪表输出变化100%时测量值时应变化大小成正比,P=1000/每秒测量值的升高单位值(系统以0.1定义为一个单位),P=5。
    T:滞后时间,t越小,则比例和积分作用均成正比增强,而微分作用相对减弱,但整体反馈作用增强:反之,t越大,则比例和积分作用均减弱,而微分作用相对增强,t=4。
    Ctl:输出周期,反映仪表运算调节的快慢,Ctl=2。
    Sn:输入反馈信号类型,Sn=33,信号为1~5V。
    结语

    系统采用AI-808人工智能调节器和FX1N PLC相结合的变频调速恒压供水方案已在现场运行多年,情况表明:
    (1)用AI人工智能调节器,采用模糊控制和PID结合的控制方案,发挥了2种控制器的优点,达到较好的动态和稳态指标,对系统压力调节具有恢复时间快、超调小等优点。其自整定功能为用户提供了一种方便快捷的参数设置方法,系统稳定误差在 ±0.01Mpa。
    (2)电机功率为180kW,采用单台变频切换的方式有利于降低系统造价。
    (3)变频调速系统使水泵电机在软起动下运行,无冲击电流、使用寿命长,同时具有良好的节能效果。

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