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    宇電AI人工智能調(diào)節(jié)器在恒壓供水中的應(yīng)用

    更新時間:2015-12-18      點擊次數(shù):2675

    陳偉(廈門大學(xué)自動化系,福建 廈門 361005)
    摘要:介紹由AI人工智能調(diào)節(jié)器和PLC等組成的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng),闡述了該系統(tǒng)的實現(xiàn)方案及線路原理。由于AI儀表的自學(xué)習(xí)的模糊控制算法,使系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、性能指標(biāo)高等優(yōu)點。
    關(guān)鍵詞:供水;變頻;AI智能調(diào)節(jié)器

    引言

        恒壓供水在工業(yè)和民用供水系統(tǒng)中已普遍使用,由于系統(tǒng)的負(fù)荷變化的不確定性,采用傳統(tǒng)的PID算法實現(xiàn)壓力控制的動態(tài)特性指標(biāo)很難收到理想的效果。在恒壓供水自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計初期曾采用多種進(jìn)口的調(diào)節(jié)器,系統(tǒng)的動態(tài)特性指標(biāo)總是不穩(wěn)定,通過實際應(yīng)用中的對比發(fā)現(xiàn),應(yīng)用模糊控制理論形成的控制方案在恒壓系統(tǒng)中有較好的效果。在實施過程中選用了AI-808人工智能調(diào)節(jié)器作為主控制器,結(jié)合FX1N PLC邏輯控制功能很好地實現(xiàn)了水廠的全自動化恒壓供水。對于單獨(dú)采用PLC實現(xiàn)壓力和邏輯控制方案,由于PLC的運(yùn)算能力不足編寫一個完善的模糊控制算法比較困難,而且參數(shù)的調(diào)整也比較麻煩,所以所提出的方案具有較高的性價比。

    工作原理

        系統(tǒng)主要由AI-808人工智能調(diào)節(jié)器、變頻器、控制接觸器組、水泵、閥門、壓力變送器等組成。由于水泵功率較大,為節(jié)約成本,只用1臺變頻器,3臺水泵的其中2臺可以采用變頻調(diào)速,這樣在某1臺故障或維護(hù)時可以切換到另1臺進(jìn)行變頻控制。圖1為供水系統(tǒng)的原理框圖。

              


    壓力傳感器檢測出水總管壓力,經(jīng)變送器送至AI-808儀表,與設(shè)定值比較得到壓力誤差和誤差變化率,經(jīng)AI-808*的模糊、PID相結(jié)合的控制算法運(yùn)算后,將輸出控制信號(4~20mA)送到變頻器控制端。通過調(diào)節(jié)頻率從而使出水管壓達(dá)到要求指標(biāo)。當(dāng)用戶和水量增加時,在一臺水泵變頻達(dá)到50Hz仍不能滿足供水壓力要求,PLC將檢測到AI-808調(diào)節(jié)器的壓力低信號,按其邏輯及工藝要求,加入另1臺水泵工頻運(yùn)行;同樣,在用戶用水量下降,PLC通過收到AI-808調(diào)節(jié)器的水壓高信號后,將其中1臺工頻水泵退出運(yùn)行。
    系統(tǒng)運(yùn)行時,變頻器是固定控制某一臺水泵,不實施多臺水泵切換的方法。這樣可以避免頻繁切換對系統(tǒng)及變頻器造成的沖擊,并具有較高的可靠性。同時也考慮到靈活性及檢修等方面,系統(tǒng)可采用手動方式選擇2臺水泵中的1臺變頻運(yùn)行,也可以減少某1臺水泵長期低頻運(yùn)行所造成的損耗。

    控制算法

        工業(yè)過程中常用的PID控制器適用于線性定常系統(tǒng),而供水系統(tǒng)的對象時常含有非線性、時變環(huán)節(jié),而且有些參數(shù)未知式緩慢變化,因此單獨(dú)采用PID控制較難達(dá)到理想的控制效果,AI人工智能調(diào)節(jié)器采用模糊控制和改進(jìn)PID相結(jié)合的雙模控制算法,入圖2所示

            
    當(dāng)控制開始時,誤差e=Y-s較大,即偏差| e |≥EM時(EM為雙模控制算法e的邊界值),系統(tǒng)采用模糊控制算法,具有較好的動態(tài)性能。在誤差逐漸減小,即偏差| e |將誤差e和誤差變化率c整量化及模糊化后,采用帶修正因子的模糊控制規(guī)則:
    P=[αe+(1+α)c]
    式中:P為控制量U的整量化值;α為修正因子,介于0,1之間的數(shù)。
    改變α的值可以改變雙模算法的模糊控制規(guī)則,從而改變系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)。AI調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過程中具有自學(xué)習(xí)、自調(diào)整功能。
    改進(jìn)型PID算法采用抗積分飽和及不*微分方式。其傳函形式為:

                 
    式中:KD為微分增益,在階躍作用下,PD輸出初始值和zui終值之比;為限制微分突變作用太強(qiáng),KD取值不宜過大,一般取5~10。
    在調(diào)試過程中,在定值變化時控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程中如圖3。在通過調(diào)節(jié)閥門反映負(fù)荷變化時其調(diào)節(jié)過程如圖4所示。

    設(shè)備選型及功能  AI-808人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器

        AI-808人工智能調(diào)節(jié)器具有模糊邏輯PID調(diào)節(jié)及參數(shù)自整定功能的先進(jìn)控制算法。在誤差大時,運(yùn)用模糊法進(jìn)行調(diào)節(jié),以消除PID飽和積分現(xiàn)象;當(dāng)誤差減小時,采用改進(jìn)后的PID算法進(jìn)行調(diào)節(jié),并能在調(diào)節(jié)中自動學(xué)習(xí)和記憶被控對象的部分特征以使效果*化。其具有無超調(diào)、高精度、參數(shù)確定簡單,對復(fù)雜對象也能獲得較好控制效果等特點。其整體調(diào)節(jié)效果比一般的PID算法更明顯。這一點在系統(tǒng)調(diào)試中得到驗證,起初選用日本生產(chǎn)的單純PID調(diào)節(jié)器,在用水量變化和水泵投退過程中,其超調(diào)量和穩(wěn)定時間均不理想,在改用AI-808智能儀表后,其動態(tài)、靜態(tài)指標(biāo)均滿足了要求。  

    可編程控制器

        選用FX1N系列可編程控制器,輸出為繼電器類型。由于PLC只完成水泵自動切換等邏輯功能,所以不需要模擬量輸入輸出模塊,從而節(jié)省了投資,系統(tǒng)的壓力閉環(huán)控制由AI-808人工智能儀表完成,其算法的*性遠(yuǎn)高于PLC內(nèi)部較為簡單的PID算法。  

    變頻器

        采用艾默生TD2000-4T2000P型變頻器,適用于水泵型負(fù)載。可通過手動電位計或AI-808調(diào)節(jié)器輸出的電流信號來控制頻率。這二種模式的切換由操作臺手動/自動開關(guān)來實現(xiàn)。將變頻器多功能端子定義為電位計-電流信號控制模式。  

    控制臺

        系統(tǒng)控制臺設(shè)計兼顧了手動和自動2種操作方式。手動狀態(tài)下,每一臺水泵和閥門都可以單獨(dú)開啟/停止,變頻器頻率可通多圈電位計手動調(diào)節(jié);在自動模式下,通過選擇開關(guān)確定要投入運(yùn)行的水泵,這樣在某臺水泵維修時,可以讓其退出自動運(yùn)行的行列,而不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。控制臺除了PLC、AI-808調(diào)節(jié)器外,還設(shè)有水位顯示儀、分管壓力顯示儀、頻率表。

    參數(shù)設(shè)置

        AI-808調(diào)節(jié)器提供豐富的用戶設(shè)置方式,使其對不同的控制均能達(dá)到滿意的控制效果。參數(shù)設(shè)置決定系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能,該系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置如下:給定值:0.43~0.47Mpa
    HIAL:上限報警,不用。
    LOAL:下限報警,不用。
    dHAL:正偏差報警,系統(tǒng)用于控制水泵的切換,Dhal=0.05
    dLAL:負(fù)偏差報警,系統(tǒng)用于控制水泵的切換,dLAL=0.05.
    Df:回差(死區(qū)、滯環(huán)),用于避免因測量輸入值波動而產(chǎn)生頻繁調(diào)節(jié)作用,在回差范圍內(nèi)位式調(diào)節(jié)不起作用,Df=0.05。
    Ctrl:控制方式,采用AI人工智能調(diào)節(jié)/PID調(diào)節(jié),Ctrl=1。
    M5:保持參數(shù),主要決定調(diào)節(jié)算法中的積分作用,和PID積分時間類似,M5越小,系統(tǒng)積分作用越強(qiáng)。M5=0時取消積分和AI人工智調(diào)節(jié),成為PD調(diào)節(jié)器,系統(tǒng)值=25。
    P:速率參數(shù),與每秒內(nèi)儀表輸出變化*時測量值時應(yīng)變化大小成正比,P=1000/每秒測量值的升高單位值(系統(tǒng)以0.1定義為一個單位),P=5。
    T:滯后時間,t越小,則比例和積分作用均成正比增強(qiáng),而微分作用相對減弱,但整體反饋作用增強(qiáng):反之,t越大,則比例和積分作用均減弱,而微分作用相對增強(qiáng),t=4。
    Ctl:輸出周期,反映儀表運(yùn)算調(diào)節(jié)的快慢,Ctl=2。
    Sn:輸入反饋信號類型,Sn=33,信號為1~5V。

    結(jié)語

        系統(tǒng)采用AI-808人工智能調(diào)節(jié)器和FX1N PLC相結(jié)合的變頻調(diào)速恒壓供水方案已在現(xiàn)場運(yùn)行多年,情況表明:
    (1)用AI人工智能調(diào)節(jié)器,采用模糊控制和PID結(jié)合的控制方案,發(fā)揮了2種控制器的優(yōu)點,達(dá)到較好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)指標(biāo),對系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)具有恢復(fù)時間快、超調(diào)小等優(yōu)點。其自整定功能為用戶提供了一種方便快捷的參數(shù)設(shè)置方法,系統(tǒng)穩(wěn)定誤差在 ±0.01Mpa。
    (2)電機(jī)功率為180kW,采用單臺變頻切換的方式有利于降低系統(tǒng)造價。
    (3)變頻調(diào)速系統(tǒng)使水泵電機(jī)在軟起動下運(yùn)行,無沖擊電流、使用壽命長,同時具有良好的節(jié)能效果。

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