張紅升， 繆袁泉， 丁琪， 聞峣

(中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司， 上海 201208)

0 引 言

封水泵通過向泥泵軸端和吸入端注水，防止泥泵工作過程中泥沙進入泵軸損壞泥泵.在實際施工過程中，隨著泥泵轉(zhuǎn)速及串并聯(lián)工況的變化泥泵內(nèi)部壓力不斷變化.為保證封水流量恒定，往往需要操作人員不停地調(diào)節(jié)封水泵轉(zhuǎn)速，這使操作人員工作強度較大而且調(diào)節(jié)滯后性嚴重.目前控制封水泵的方法主要有高低兩檔調(diào)速和泥泵轉(zhuǎn)速曲線擬合兩種.高低兩檔調(diào)速雖然能滿足封水流量的要求，但封水泵長時間工作在高功率輸出模式下不利于節(jié)能減排，也會增加設(shè)備磨損.曲線擬合方法因不能區(qū)分泥泵串并聯(lián)模式，在實際應用中受到很大限制.

為使封水泵控制更加自動化和智能化，即能根據(jù)封水流量的反饋值自動調(diào)整封水泵轉(zhuǎn)速，進而調(diào)節(jié)封水流量至設(shè)定值，無須人為干預，本文引入模糊免疫自適應比例積分微分(Proportion Integration Differentiation, PID)控制方法對封水泵進行自動控制，通過模糊推理對PID參數(shù)進行自適應整定，達到靈活準確的控制目的[1].

1 封水泵工作及控制原理

泥泵是挖泥船的核心疏浚設(shè)備之一.在工作過程中,泥泵殼內(nèi)會產(chǎn)生很大的壓力，泵殼內(nèi)的泥沙可能會在高壓作用下沖破泥泵軸端和吸入端的水封，進而損壞泵軸.

1.1 封水泵工作原理

圖1 封水泵工作示意

封水泵安裝在泥泵旁邊，通過管路將清水注入泥泵軸端和吸入端，防止泥沙損壞泵軸，見圖1.泥泵運轉(zhuǎn)前需要先啟動封水泵，在運轉(zhuǎn)過程中需要不斷調(diào)整封水泵轉(zhuǎn)速使封水流量不低于設(shè)定值.

1.2 封水泵控制數(shù)學模型

為保證泥泵正常工作,通常需要設(shè)定一個封水流量F′，封水流量與封水泵轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系，通過調(diào)節(jié)封水泵轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)封水流量.系統(tǒng)根據(jù)實際封水流量的反饋值F，通過PID整定，依據(jù)轉(zhuǎn)速與流量的正比例關(guān)系控制封水泵的速度，進而達到控制封水流量的目的.封水泵控制模型見圖2.

圖2 封水泵控制模型

2 模糊免疫自適應PID控制

2.1 控制器概述

PID控制作為一種高效穩(wěn)定的控制方法廣泛應用于工業(yè)控制中.常用的PID控制器有：常規(guī)PID控制器、模糊PID控制器、模糊免疫PID控制器.常規(guī)PID控制器僅靜態(tài)控制參數(shù)，不適用于非線性和大時滯系統(tǒng)控制.模糊PID控制器運用模糊控制原理，可在線動態(tài)整定控制參數(shù)，在非線性和大時滯控制系統(tǒng)中得到良好應用.模糊免疫PID控制器引入生物免疫學原理，結(jié)合模糊控制方法在線自適應整定控制參數(shù)，在實際應用過程中其性能比模糊PID控制器更加優(yōu)越.

2.2 免疫反饋原理

根據(jù)文獻[1-4]中對免疫系統(tǒng)的描述，生物免疫系統(tǒng)由T細胞和B細胞組成[2].T細胞可以根據(jù)外來抗原的數(shù)量分泌TH細胞和TS細胞，TH細胞用于刺激B細胞生成，TS細胞用于抑制B細胞產(chǎn)生.[3]當外來抗原較多時分泌的TH細胞量增加，TS細胞量減少；當外來抗原較少時，分泌的TH細胞量減少，TS細胞量增加.B細胞可以分泌抗體，抑制外來抗原的數(shù)量.[4]生物免疫系統(tǒng)機理[5]見圖3.

圖3 生物免疫系統(tǒng)機理

2.3 模糊免疫自適應PID控制器設(shè)計

模糊免疫PID控制器是根據(jù)生物免疫系統(tǒng)機理設(shè)計出的一個非線性控制器.根據(jù)文獻[5-6]中對免疫PID控制器的推導可知增量式免疫PID控制器的輸出[6]

U(k)=U(k-1)+KP1(e(k)-e(k-1))+KIe(k)+

KD(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))

(1)

式中：KP1=K(1-ηf(U(k)，ΔU(k)))為比例調(diào)節(jié)系數(shù)(K=K1為控制反應速度(K1為激勵因子)；η=K2/K1為控制穩(wěn)定效果(K2為抑制因子);f(*)為選定的非線性函數(shù)，表示細胞抑制刺激能力的大小，取值限定為[0，1))；KI為積分系數(shù)；KD為微分系數(shù)[7]；e為封水泵實際流量與設(shè)計流量的差值.

在實際施工過程中封水流量隨泥泵內(nèi)壓實時變化，為保護泥泵，要求在封水流量小于設(shè)定值時系統(tǒng)能快速將流量增大到設(shè)定值，但對絕對精度要求不高.根據(jù)封水泵控制特點，本系統(tǒng)PID控制模式為：采用模糊免疫PID控制方法在線整定控制器的比例系數(shù)KP，采用模糊PID控制方法在線整定KI和KD.

模糊免疫自適應PID控制器的結(jié)構(gòu)見圖4，系統(tǒng)輸入為封水流量設(shè)定值F′，反饋值為封水泵的實際流量F.PID控制器輸入為e及其變化率Δe.模糊免疫調(diào)節(jié)實時計算出KP1，模糊推理系統(tǒng)實時計算出積分整定系數(shù)ΔKI和微分整定系數(shù)ΔKD.PID控制器的參數(shù)KP，KI，KD計算式為

(2)

圖4 模糊免疫自適應PID控制器結(jié)構(gòu)

2.3.1 模糊免疫自適應PID控制器比例參數(shù)模糊免疫自調(diào)整

由式(1)可知，免疫PID控制的重點是比例參數(shù)中非線性函數(shù)f(*)的選取.[8]逼近非線性函數(shù)的方法很多，常用且最簡單的方法是采用模糊控制器逼近非線性函數(shù).本文采用一個二維模糊控制器逼近非線性函數(shù)f(*)[9-12],輸入、輸出變量模糊化參數(shù)見表1.

表1 輸入、輸出變量模糊化參數(shù)

為求出變量在模糊子集內(nèi)的隸屬度，作出輸入、輸出變量的隸屬度函數(shù)曲線[13]，見圖5.

圖5輸入、輸出變量隸屬度函數(shù)曲線

根據(jù)李亞普諾夫穩(wěn)定性定理，逼近非線性函數(shù)f(U(k),ΔU(k))的模糊控制規(guī)則[14]見表2.

表2 模糊控制規(guī)則

2.3.2 模糊免疫自適應PID控制器積分和微分參數(shù)模糊自調(diào)整

系統(tǒng)積分和微分參數(shù)采用模糊控制進行整定，將e和Δe作為模糊控制器輸入，輸出為ΔKI和ΔKD.輸入、輸出變量模糊化參數(shù)見表3.

表3 輸入、輸出變量模糊化參數(shù)

圖6 三角隸屬度函數(shù)曲線

考慮到設(shè)計簡便及實用性要求，采用三角隸屬度函數(shù)，見圖6.根據(jù)實際操作經(jīng)驗和PID參數(shù)整定規(guī)則，得到對ΔKI和ΔKD整定的模糊控制規(guī)則，見表4和5.

表4 ΔKI模糊控制規(guī)則

表5 ΔKD模糊控制規(guī)則

3 仿真分析

由圖7可知，模糊免疫自適應PID控制器較常規(guī)PID控制器控制響應時間短、超調(diào)量小、動態(tài)穩(wěn)定效果好.

4 應用實例

為直觀地分析模糊免疫自適應PID控制器的動態(tài)控制效果，將實船檢測的模糊免疫自適應PID控制數(shù)據(jù)與常規(guī)高低兩檔控制數(shù)據(jù)進行對比，見表6.

表6 實船控制數(shù)據(jù)對照

由表6可知：PID控制模式可以控制封水泵以最低的轉(zhuǎn)速輸出安全封水流量；高低兩檔控制模式雖然能保障安全封水流量，但是封水泵轉(zhuǎn)速一直較大，封水流量超出安全設(shè)定值較多，造成不必要的能源消耗且使設(shè)備磨損加快.由此可見，模糊免疫自適應PID控制器可以很好地對封水泵流量進行控制.

5 結(jié)論

基于西門子PLC的模糊免疫自適應PID控制器可以根據(jù)泥泵工況自動動態(tài)調(diào)整封水泵轉(zhuǎn)速，從而保持設(shè)定的封水流量.其自動動態(tài)調(diào)整的特性使其在解放人的勞動力的基礎(chǔ)上，最大限度地減少封水泵的能源消耗和設(shè)備磨損.本控制器在上海航道局新海虎8號10 000 m3耙吸挖泥船上得到很好的應用.

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