CN102393642B - 气液两相流管道控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种气液两相流管道控制装置及控制方法，属于无线控制装置领域，过程如下：下位机的微处理器通过控制台输入输出端口采集压力数据和流量数据；将采集的数据传递给上位机，上位机对采集的数据进行处理，计算变频器频率输出值，上位机将频率输出值传递给下位机；下位机的微处理器通过控制台输入输出端口将频率输出值写入变频器；变频器通过写入的频率控制异步电机的转速；异步电机通过转速的改变来调节泵的输出，从而控制进站管道内气液两相流的流速和压力，本发明采用改进自抗扰控制器，气液两相流管道系统控制效果得到了很大改善，如调节时间更短，控制精度更高，抗干扰能力更强，鲁棒性更好等。

Description

气液两相流管道控制装置及控制方法

技术领域

本发明属于无线控制装置领域，特别涉及一种气液两相流管道控制装置及控制方法。

背景技术

气液两相流流动是指在同一流动体系中，同时存在气相和液相两种流动介质的流动现象，它是多相流动现象中最为常见的类型之一。气液两相流根据组分、流动环境、流动状态等可分成各种类型。如根据物质组分的不同，气液两相流可分为单组分气液两相流（气液两相的组分为同种物质），如水蒸气—水两相流（又称气液两相流）和双组分气液两相流（气液两相流的组分为两种不同的物质，如空气—水两相流等）；根据流动环境的不同，气液两相流又可分为管内气液两相流和管外气液两相流等等。而气液两相管流（即管内气液两相流）在工业过程中更为常见，应用更为广泛。

目前，现有的气液两相流管道监控系统中使用的测控装置均使用传统的有线装置，机动性、便利性均较差，布线成本高，而且有极大的安全隐患，极易发生触电、火灾等安全事故。其主要有如下缺点:

(1)安全隐患大，传输线容易发生触电、火灾等安全事故；

(2)布线成本高，装潢费用大；

(3)施工复杂，由于传输线往往经过墙壁或者挂在墙壁上，因此在建筑物建设的时候就要布线，在生产过程中新增加通信点十分不方便；

(4)机动性、便利性差，通信点搬迁或更改后需要重新布线。

针对现有的气液两相流管道监控系统采用的控制方法多是传统的PID控制，而随着科技的进步和对控制品质要求的提高，传统PID控制技术的缺陷越来越凸现出来。PID的缺陷，概括起来就是信号处理太简单、未能充分发挥其优点，具体说来，有四个方面：

(1)产生误差的方式不太合理

控制目标V在过程中可以“跳变”，但是被控对象Y输出的变化都有惯性，不可能跳变，要求让缓变的变量Y来跟踪能够跳变的变量V，初始误差很大，易引起超调，很不合理。

(2)误差的微分信号的产生没有太好的办法

由于微分器物理不可实现，只能近似地来实现。

(3)误差积分反馈的引入有很多负作用

在PID控制中，误差积分反馈的作用是消除静差，提高系统响应的准确性，但同时误差积分反馈的引入，使闭环变得迟钝，容易产生振荡，易产生由积分饱和引起的控制量饱和。

(4)线性组合不一定是最好的组合方式

PID控制器给出的控制量是误差的现在、过去、将来三者的线性组合。大量工程实践表明，线性组合不一定是最好的组合方式，能否在非线性领域找到更合适的组合方式是值得探索的。

发明内容

针对现有装置存在的不足，本发明提出一种气液两相流管道控制装置及控制方法，以达到使管道控制的调节时间更短，控制精度更高，抗干扰能力更强，鲁棒性更好的目的。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明气液两相流管道控制装置，包括：压力变送器、流量变送器、PLC控制器、水泵、异步电动机、变频器、下位机和上位机，其中，所述的下位机包括显示器、微处理器和键盘，其中，所述的微处理器还包括有控制台输入输出端口，所述的上位机包括PC机，此外，所述的下位机还包括第一ZigBee无线接收模块，所述的上位机还包括第二ZigBee无线接收模块，其连接关系如下：压力变送器采集端固定在气液两相流管道上，流量传感器采集端固定在气液两相流管道上，压力变送器的输出端连接PLC控制器的第一输入端，流量传感器的输出端连接PLC控制器的第二输入端，PLC控制器的通讯接口连接控制台输入输出端口的通讯接口，PLC控制器的第一输出端连接变频器的输入端，变频器的输出端连接异步电动机的输入端，异步电动机的输出端连接水泵的输入端，水泵的输出端固定在气液两相流管道进站端，所述的上位机与下位机通过ZigBee无线接收模块进行通讯，其中，第一ZigBee无线接收模块的输入输出端连接微处理器，第二ZigBee无线接收模块的输入输出端连接PC机。

一种气液两相流管道控制方法，采用上述气液两相流管道控制装置，按以下步骤进行：

步骤1：下位机的微处理器通过控制台输入输出端口采集压力数据和流量数据；

步骤2：将步骤1采集的数据传递给上位机，由上位机对采集的数据进行处理，计算变频器频率输出值，采用改进的自抗扰控制方法进行控制，公式如下：

二阶跟踪微分即安排过渡过程的输出为

$\left\{\begin{array}{cc}{\stackrel{\·}{V}}_1=V_2\left(t\right)& \\ {\stackrel{\·}{V}}_2=u,& \left|u\right|\≤r\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，V₁(t)为t时刻二阶跟踪微分器跟踪输入量V(t)所得的输出量；

是V₁(t)的微分函数；V₂(t)为t时刻二阶跟踪微分器将输入量V(t)微分而得的输出量；

是V₂(t)的微分函数；u为当前扰动量；r为速度因子决定跟踪速度；

将(1)式离散化处理得

$\left\{\begin{array}{c}{V}_1(t+h)-V_1\left(t\right)=h\·V_2\left(t\right)\\ V_2(t+h)-V_2\left(t\right)=h\·\mathrm{fst}[V_1\left(t\right)-V\left(t\right),V_2\left(t\right),r,h_0]\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，V₁(t+h)和V₂(t+h)为t+h时刻V₁(t)和V₂(t)的函数；h为采样步长，单位为秒；t为当前时间，单位为秒；h₀为滤波因子起到对噪声的滤波作用；fst[ΔV(t),V(t),r,h₀]为快速控制最优综合函数；

非线性组合的输出为：

U₀(t)=β₁fal(e₁(t),α₁,δ₁)+β₂fal(e₂(t),α₂,δ2)   (3)

$\mathrm{fal}(e,\mathrm{\α},\mathrm{\δ})=\left\{\begin{array}{cc}{\left|e\right|}^{\mathrm{\α}}\mathrm{sgn}\left(e\right),& \left|e\right|>\mathrm{\δ}\\ \frac{e}{{\mathrm{\δ}}^{1-\mathrm{\α}}},& \left|e\right|\≤\mathrm{\δ}\end{array}\right.,\mathrm{\δ}>0---\left(4\right)$

$\mathrm{sgn}\left(e\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& e>0\\ 0,& e=0\\ -1,& e<0\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中，U₀(t)为t时刻非线性组合的输出；β₁和β₂为偏差e₁和e₂的非线性组合输出的比例放大系数；e表示给定的跟踪微分输出与相应反馈的差值，又称作偏差，e₁(t)为t时刻跟踪偏差，e₂(t)为t时刻微分偏差；α为系统内部参数，α₁和α₂分别表示跟踪部分和微分部分的内部参数，其中α₁α₂≥1时是“光滑反馈”；α₁α₂<1时是“非光滑反馈”；α₂α₂=0时是“变结构控制”；δ为线性区间的大小，δ₁和δ₂分别表示跟踪部分和微分部分的线性区间大小；fal(e,α,δ)为关于e,α,δ的非线性函数；sgn(e)为e的符号判断函数；

三阶状态扩张观测器输出为

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&epsiv;}\left(t\right)=z_1\left(t\right)-Y_1\left(t\right)\\ z_1(t+1)=z_1\left(t\right)+h(z_2\left(t\right)-{\mathrm{\&beta;}}_{01}\&CenterDot;\mathrm{\&epsiv;}\left(t\right))\\ z_2(t+1)=z_2\left(t\right)+h(z_3\left(t\right)-{\mathrm{\&beta;}}_{02}\&CenterDot;\mathrm{fal}((1+\mathrm{\&Delta;C})\&CenterDot;\mathrm{\&epsiv;}\left(t\right),{\mathrm{\&alpha;}}_{01},\mathrm{\&delta;})+b_0\&CenterDot;U\left(t\right))\\ z_3(t+1)=z_3\left(t\right)-h\&CenterDot;{\mathrm{\&beta;}}_{03}\&CenterDot;\mathrm{fal}((1+\mathrm{\&Delta;C})\&CenterDot;\mathrm{\&epsiv;}\left(t\right),{\mathrm{\&alpha;}}_{02},\mathrm{\&delta;})\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中，ε(t)是t时刻状态观测器输出的偏差值；Y₁(t)是t时刻被控对象的输出值；z₁(t)是t时刻三阶状态扩张观测器给出对象状态变量的跟踪估计值；z₂(t)是t时刻三阶状态扩张观测器给出对象状态变量的微分估计值；z₃(t)是t时刻三阶状态扩张观测器对估计对象所有不确定模型和外扰的实时总和作用的输出；z₁(t+1)、z₂(t+1)、z₃(t+1)是t+1时刻下一过程的z₁、z₂、z₃函数；U(t)为t时刻作用在被控对象上的输入值；b₀为动态补偿装置中所含的参数补偿因子；α₀₁和α₀₂为三阶状态扩张观测器的内部参数；β₀₁、β₀₂、β₀₃为三阶状态扩张观测器对应反馈量的比例放大系数；ΔC为互相关反馈修正系数；

其中ΔC由下式计算而得

根据伯努利方程

$\mathrm{gz}+\frac{p\left(t\right)}{\mathrm{\&rho;}}+\frac{v^2\left(t\right)}{2}=C\left(t\right)---\left(7\right)$

式中，g表示重力加速度；z表示位置水头；p(t)表示t时刻流体压力；ρ表示流体密度；v(t)表示t时刻流体流速；C(t)表示t时刻总力学能；

式中，第一项gz表示单位质量流体所具有的动能，第二项表示单位质量流体所具有的压力使能，第三项

表示单位质量流体所具有的动能，以上三种能量之和称为总力学能；

$\mathrm{\&Delta;C}=\frac{C(t+1)-C\left(t\right)}{C\left(t\right)}---\left(8\right)$

式中，C(t+1)为t+1时刻总力学能函数，

其它状态量的输出为：

e₁(t)=V₁(t)-z₁(t)   (9)

e₂(t)=V₂(t)-z₂(t)   (10)

$U\left(t\right)=U_0\left(t\right)-\frac{z_3\left(t\right)}{b_0}---\left(11\right)$

步骤3：上位机将步骤2的结果传递给下位机；

步骤4：下位机的微处理器通过控制台输入输出端口将步骤2求得的频率输出值写入变频器；

步骤5：变频器通过写入的频率控制异步电机的转速；

步骤6：异步电机通过转速的改变来调节泵的输出，从而控制进站管道内气液两相流的流速和压力，执行步骤1。

本发明优点：包括以下几方面：

1、改进自抗扰控制算法通过二阶跟踪微分器，解决了传统PID在快速和超调控制之间的矛盾，使得参数选择范围更大，整定起来更加方便；

2、改进自抗扰控制器是一种性能优异的控制器，由于控制器中没有积分环节，系统基本上无超调，对系统扰动的观测及补偿增强了系统抗扰动能力；

3、与标准的自抗扰控制算法相比，改进自抗扰控制器将原有的一个反馈变为两个相关反馈量。即控制压力时将压力和流量两个参数作为反馈信号，并将附属反馈（流量）进行系数补偿，然后再根据实际工业现场管道的情况将两个反馈做多次函数运算，最终算得更精确的输出量；

4、采用改进自抗扰控制器后，气液两相流管道系统控制效果得到了很大改善，如调节时间更短，控制精度更高，抗干扰能力更强，鲁棒性更好等。

附图说明

图1为本发明气液两相流管道装置结构框图；

图2为本发明实施例气液两相流管道装置下位机微处理器与键盘、显示器的电路连接原理图；

图3为本发明实施例气液两相流管道装置下位机微处理器与第一ZigBee无线接收模块连接的电路原理图；

图4为本发明实施例气液两相流管道装置上位机的PC机与第二ZigBee无线接收模块连接的电路原理图；

图5为本发明气液两相流管道控制方法的总流程图；

图6为本发明实施例气液两相流管道控制方法下位机数据处理流程图；

图7为本发明实施例气液两相流管道控制方法上位机中断流程图；

图8为本发明实施例气液两相流管道控制方法上位机传递数据流程图；

图9为本发明实施例气液两相流管道控制方法下位机中断流程图；

图10为本发明实施例气液两相流管道控制方法自抗扰控制器结构图。；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本实施例中，各设备型号如下：

水泵即异步电动机，型号为JB/T 10391-2006；变频器型号为V6-H-4T3.7G/5.5L；压力变送器采用rosemount的3051C型差压变送器；流量变送器采用SKLWGY型智能液体涡轮流量计；键盘采用普通的4*4数字键盘，微处理器的型号为ARM7LPC2138，ZigBee无线接收模块的型号为SZ05，如图1所示。

本实施例中，

3051C型差压变送器的输入采集端固定在气液两相流管道上，SKLWGY型智能液体涡轮流量计固定在气液两相流管道上，3051C型差压变送器的输出端连接PLC控制器的I0.3端口，SKLWGY型智能液体涡轮流量计的输出端连接PLC控制器的I0.5端口，PLC控制器的Q0.1端口连接V6-H-4T3.7G/5.5L变频器的输入端，V6-H-4T3.7G/5.5L变频器的输出端连接JB/T10391-2006异步电动机的输入端，JB/T 10391-2006异步电动机的输出端连接水泵；PLC控制器的MPI通讯接口连接控制台输入输出端口的RS232通讯接口；

所述的下位机，其电路原理图如图2所示，微处理器与4x4键盘通过GPIO口相接，微处理器的P0.15-P0.22脚分别连接行扫描线Row0-Row3脚、列扫描线Line0-Line3脚；微处理器与显示器采用GPIO口相接，微处理器的P0.11-P.0.13脚分别连接显示器片选CS脚、数据端SDAT、时钟端SCLK；

所述的下位机，其微处理器还包括控制台输入输出端口，如图3所示，其连接如下：微处理器与控制台输入输出端口采用RS-485串行接口，微处理器的P0.8_RX0端、P0.9_TX0端、GND端分别连接控制台输入输出端口的数据发送端PLC_Tx、数据接收端PLC_Rx和GND端；

所述的下位机与第一ZigBee无线接收模块的电路原理图如图3所示，

下位机中的微处理器与第一ZigBee无线接收模块采用RS-232串行接口相接，微处理器的P0.0_RX0端、P0.1_TX0端、GND端分别连接第一ZigBee无线接收模块的数据发送端ZigBee_RX、数据接收端ZigBee_TX和GND端；

上位机的PC机与第二ZigBee无线接收模块的电路连接原理图如图4所示，PC机的PC_Rx端、PC_Tx端、GND端分别连接第二ZigBee无线接收模块的数据接收端ZigBee_TX端、ZigBee_RX端和GND端

本实施例中，一种气液两相流管道控制方法，如图5所示，包括以下步骤：

步骤1：首先设定压力值为900Kpa即V(t)=900Kpa，然后由下位机的微处理器通过控制台输入输出端口采集压力数据和流量数据如表1所示：

表1为不同时间下压力流量采集到的五组数值

压力y1(t)/Kpa	流量y2(t)/m3/h
		335.141785	2.633076
807.725708	5.006846
		900.905701	5.754821
896.122681	5.734204
		154.513901	1.949482

步骤2：将步骤1采集到的第一组压力数据335.141785及流量数据2.633.76传递给上位机，由上位机对采集的数据进行处理，计算变频器频率输出值，采用以下计算模型参数进行计算：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_1\left(t\right)=h\&CenterDot;V_2(t-h)+V_1(t-h)\\ V_2\left(t\right)=h\&CenterDot;\mathrm{fst}[V_1(t-h)-V(t-h),V_2(t-1h),r,h_0]+V_2(t-h)\\ U_0={\mathrm{\&beta;}}_1\mathrm{fal}(e_1,{\mathrm{\&alpha;}}_1,{\mathrm{\&delta;}}_1)+{\mathrm{\&beta;}}_2\mathrm{fal}(e_2,{\mathrm{\&alpha;}}_2,{\mathrm{\&delta;}}_2)\\ \mathrm{\&epsiv;}=z_1\left(t\right)-Y_1\left(t\right)\\ z_1\left(t\right)=z_1(t-1)+h(z_2(t-1)-{\mathrm{\&beta;}}_{01}\&CenterDot;\mathrm{\&epsiv;})\\ z_2\left(t\right)=z_2(t-1)+h(z_3(t-1)-{\mathrm{\&beta;}}_{02}\&CenterDot;\mathrm{fal}((1+\mathrm{\&Delta;C})\&CenterDot;\mathrm{\&epsiv;},{\mathrm{\&alpha;}}_{01},\mathrm{\&delta;})+b\&CenterDot;U(t-1))\\ z_3\left(t\right)=z_3(t-1)-h\&CenterDot;{\mathrm{\&beta;}}_{03}\&CenterDot;\mathrm{fal}((1+\mathrm{\&Delta;C})\&CenterDot;\mathrm{\&epsiv;},{\mathrm{\&alpha;}}_{02},\mathrm{\&delta;})\\ e_1\left(t\right)=V_1\left(t\right)-z_1\left(t\right)\\ e_2\left(t\right)=V_2\left(t\right)-z_2\left(t\right)\\ U\left(t\right)=U_0\left(t\right)-\frac{z_3\left(t\right)}{b_0}\end{array}\right.$

$\mathrm{fal}(e,\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&delta;})=\left\{\begin{array}{cc}{\left|e\right|}^{\mathrm{\&alpha;}}\mathrm{sgn}\left(e\right),& \left|e\right|>\mathrm{\&delta;}\\ \frac{e}{{\mathrm{\&delta;}}^{1-\mathrm{\&alpha;}}},& \left|e\right|\&le;\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.,\mathrm{\&delta;}>0$

$\mathrm{sgn}\left(e\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& e>0\\ 0,& e=0\\ -1,& e<0\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;C}=\frac{C\left(t\right)-C(t-1)}{C(t-1)}\\ C\left(t\right)=\mathrm{gz}+\frac{p\left(t\right)}{\mathrm{\&rho;}}+\frac{v{\left(t\right)}^2}{2}\end{array}\right.$

其他参数取值分别如下：

r=25；h=1s；h₀=1.5s；β₁=0.89；β₂=1.11；α₁=1；α₂=1.2；δ₁=δ₂=δ=1；b₀=12；α₀₁=0.8；α₀₂=0.6；β₀₁=0.8；β₀₂=0.45；β₀₃=0.073；g=9.8m/s²；z=0.5m；ρ=600kg/m²；p(t)=y₁(t)；v(t)=y₂(t)；

由此计算出第一组数据对应的频率输出值为45.706，如表3的第一行所示：

表3为输出结果表

变频器输出U(t)/Hz
	45.706
33.047
	30.384

28.496
	47.512

步骤3：上位机将步骤2中计算得到的输出频率值45.706传递给下位机，上位机与下位机的通讯包括4个部分，分别如下：下位机对信号的中断处理，如图6所示，过程如下：

步骤3-1-1：系统初始化；

步骤3-1-2：设置定时器为200ms；

步骤3-1-3：判断定时器是否溢出，如果是，则执行步骤3-1-4，否则执行步骤3-1-3；

步骤3-1-4：通过RS-485协议从PLC控制器获取采样数据；

步骤3-1-5：微处理器将获取的出站压力、流量、电磁阀的开度和现场温度数据信息打包、编码；

步骤3-1-6：微处理器通过RS-232接口，向ZigBee无线接收模块发送数据；

步骤3-1-7：等待上位机中断执行信号；

上位机对信号的中断处理过程如下，如图7所示：

步骤3-2-1：下位机向上位机发送中断直行信号；

步骤3-2-2：PC机通过RS-232接口获取ZigBee无线接收模块接收的管道进出站压力、流量、电磁阀开度和现场温度信息等数据；

步骤3-2-3：PC机解码、拆分接收的数据包，提取数据信息；

步骤3-2-4：对数据信息进行显示；

上位机传递数据，如图8所示，按如下步骤进行：

步骤3-3-1：系统初始化；

步骤3-3-2：PC机判断是否有压力控制输入指令，如果有，执行步骤3-3-3，如果无，执行步骤3-3-2；

步骤3-3-3：PC机根据输入的命令利用改进的自抗扰控制方法进行处理得变频器频率输出；

步骤3-3-4：PC机将控制指令信息打包、编码；

步骤3-3-5：PC机通过RS-232接口，向ZigBee模块发送数据；

步骤3-3-6：等待下位机中断执行信号；

下位机对信号的中断处理，流程如图9所示，按如下步骤进行：

步骤3-4-1：上位机向下位机发送中断直行信号；

步骤3-4-2：微处理器通过RS-232接口获取ZigBee模块接收的数据；

步骤3-4-3：微处理器解码、拆分接收的数据包，提取变频器频率数据信息；

步骤3-4-4：通过RS-485协议向PLC控制器发送控制指令；

步骤3-4-5：PLC控制器通过控制指令控制变频器频率；

步骤4：下位机的微处理器通过控制台输入输出端口将频率输出值45.706写入变频器；

步骤5：变频器通过写入的频率控制异步点击的转速；

步骤6：异步电机通过转速的改变来调节泵的输出，从而控制进站管道内气液两相流的流速和压力，执行步骤1；

上述对第一组数进行处理的过程是初始的数据处理过程，初始过程，默认初始时刻之前的采集数据均为0，经过初始时刻后，系统会将上一时刻采集到的数据存入微处理器中，如表2所示：

表2为系统保存的上一次采样数据

压力y1(t-h)/Kpa	流量y2(t-h)/m3/h
		270.978027	2.149496
774.522583	4.800683
		900.616333	5.725886
898.509827	5.755906
		208.767365	4.810087

之后再反复执行步骤1～步骤6，获得的变频率输出频率的结果如图表3所示。

本实施例中，自抗扰控制器结构如图10所示，给定值V(t)通过二阶跟踪微分器得到两个输出信号V₁(t)和V₂(t)，其中V₁(t)是跟踪信号、V₂(t)是近似微分信号，这两个信号与三阶扩张状态观测器输出的反馈值z₁(t)和z₂(t)做比较得到两个偏差量e₁(t)和e₂(t)，再将两个偏差做非线性组合得到U₀(t)，之后与三阶扩张状态观测的另一个输出反馈z₃(t)的1/b₀倍做差得到最后的输出U_k，该输出作用于被控对象（变频器）上，对于反馈回路，主要由被控对象所产生的两个相关输出量y₁(t)和y₂(t)以及输出U_k的b₀倍作为反馈信号，经过三阶扩张状态观测器得到反馈输出z₁(t)、z₂(t)和z₃(t)，以此来完成整个闭环控制。

Claims (2)

1.一种气液两相流管道控制装置，包括压力变送器、流量变送器、PLC控制器、水泵、异步电动机、变频器、下位机和上位机，其中，所述的下位机包括显示器、微处理器和键盘，其中，所述的微处理器还包括有控制台输入输出端口，所述的上位机包括PC机，其特征在于：所述的下位机还包括第一ZigBee无线接收模块，所述的上位机还包括第二ZigBee无线接收模块，其连接关系如下：压力变送器采集端固定在气液两相流管道上，流量传感器采集端固定在气液两相流管道上，压力变送器的输出端连接PLC控制器的第一输入端，流量传感器的输出端连接PLC控制器的第二输入端，PLC控制器的通讯接口连接控制台输入输出端口的通讯接口，PLC控制器的第一输出端连接变频器的输入端，变频器的输出端连接异步电动机的输入端，异步电动机的输出端连接水泵的输入端，水泵的输出端固定在气液两相流管道进站端，所述的上位机与下位机通过ZigBee无线接收模块进行通讯，其中，第一ZigBee无线接收模块的输入输出端连接微处理器，第二ZigBee无线接收模块的输入输出端连接PC机。

2.采用权利要求1所述的气液两相流管道控制装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：下位机的微处理器通过控制台输入输出端口采集压力数据和流量数据；

步骤2：将步骤1采集的数据传递给上位机，由上位机对采集的数据进行处理，计算变频器频率输出值，采用改进的自抗扰控制方法进行控制，公式如下：

二阶跟踪微分即安排过渡过程的输出为

$\left\{\begin{array}{cc}{\stackrel{\&CenterDot;}{V}}_1=V_2\left(t\right)& \\ {\stackrel{\&CenterDot;}{V}}_2=u,& \left|u\right|\&le;r\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，V₁(t)为t时刻二阶跟踪微分器跟踪输入量V(t)所得的输出量；

是V₁(t)的微分函数；V₂(t)为t时刻二阶跟踪微分器将输入量V(t)微分而得的输出量；是V₂(t)的微分函数；u为当前扰动量；r为速度因子决定跟踪速度；

将(1)式离散化处理得

$\left\{\begin{array}{c}{V}_1(t+h)-V_1\left(t\right)=h\&CenterDot;V_2\left(t\right)\\ V_2(t+h)-V_2\left(t\right)=h\&CenterDot;\mathrm{fst}[V_1\left(t\right)-V\left(t\right),V_2\left(t\right),r,h_0]\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，V₁(t+h)和V₂(t+h)为t+h时刻V₁(t)和V₂(t)的函数；h为采样步长，单位为秒；t为当前时间，单位为秒；h₀为滤波因子起到对噪声的滤波作用；fst[ΔV(t),V(t),r,h₀]为快速控制最优综合函数；

非线性组合的输出为：

U₀(t)=β₁fal(e₁(t),α₁,δ₁)+β₂fal(e₂(t),α₂,δ₂)    (3)

$\mathrm{fal}(e,\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&delta;})=\left\{\begin{array}{cc}{\left|e\right|}^{\mathrm{\&alpha;}}\mathrm{sgn}\left(e\right),& \left|e\right|>\mathrm{\&delta;}\\ \frac{e}{{\mathrm{\&delta;}}^{1-\mathrm{\&alpha;}}},& \left|e\right|\&le;\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.,\mathrm{\&delta;}>0---\left(4\right)$

$\mathrm{sgn}\left(e\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& e>0\\ 0,& e=0\\ -1,& e<0\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中，U₀(t)为t时刻非线性组合的输出；β₁和β₂为偏差e₁和e₂的非线性组合输出的比例放大系数；e表示给定的跟踪微分输出与相应反馈的差值，又称作偏差，e₁(t)为t时刻跟踪偏差，e₂(t)为t时刻微分偏差；α为系统内部参数，α₁和α₂分别表示跟踪部分和微分部分的内部参数，其中α₁α₂≥1时是“光滑反馈”；α₁α₂<1时是“非光滑反馈”；α₂α₂=0时是“变结构控制”；δ为线性区间的大小，δ₁和δ₂分别表示跟踪部分和微分部分的线性区间大小；fal(e,α,δ)为关于e,α,δ的非线性函数；sgn(e)为e的符号判断函数；

三阶状态扩张观测器输出为

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&epsiv;}\left(t\right)=z_1\left(t\right)-Y_1\left(t\right)\\ z_1(t+1)=z_1\left(t\right)+h(z_2\left(t\right)-{\mathrm{\&beta;}}_{01}\&CenterDot;\mathrm{\&epsiv;}\left(t\right))\\ z_2(t+1)=z_2\left(t\right)+h(z_3\left(t\right)-{\mathrm{\&beta;}}_{02}\&CenterDot;\mathrm{fal}((1+\mathrm{\&Delta;C})\&CenterDot;\mathrm{\&epsiv;}\left(t\right),{\mathrm{\&alpha;}}_{01},\mathrm{\&delta;})+b_0\&CenterDot;U\left(t\right))\\ z_3(t+1)=z_3\left(t\right)-h\&CenterDot;{\mathrm{\&beta;}}_{03}\&CenterDot;\mathrm{fal}((1+\mathrm{\&Delta;C})\&CenterDot;\mathrm{\&epsiv;}\left(t\right),{\mathrm{\&alpha;}}_{02},\mathrm{\&delta;})\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中，ε(t)是t时刻状态观测器输出的偏差值；Y₁(t)是t时刻被控对象的输出值；z₁(t)是t时刻三阶状态扩张观测器给出对象状态变量的跟踪估计值；z₂(t)是t时刻三阶状态扩张观测器给出对象状态变量的微分估计值；z₃(t)是t时刻三阶状态扩张观测器对估计对象所有不确定模型和外扰的实时总和作用的输出；z₁(t+1)、z₂(t+1)、z₃(t+1)是t+1时刻下一过程的z₁、z₂、z₃函数；U(t)为t时刻作用在被控对象上的输入值；b₀为动态补偿装置中所含的参数补偿因子；α₀₁和α₀₂为三阶状态扩张观测器的内部参数；β₀₁、β₀₂、β₀₃为三阶状态扩张观测器对应反馈量的比例放大系数；ΔC为互相关反馈修正系数；

其中ΔC由下式计算而得

根据伯努利方程

$\mathrm{gz}+\frac{p\left(t\right)}{\mathrm{\&rho;}}+\frac{v^2\left(t\right)}{2}=C\left(t\right)---\left(7\right)$

式中，g表示重力加速度；z表示位置水头；p(t)表示t时刻流体压力；ρ表示流体密度；v(t)表示t时刻流体流速；C(t)表示t时刻总力学能；

式中，第一项gz表示单位质量流体所具有的动能，第二项

表示单位质量流体所具有的压力使能，第三项

表示单位质量流体所具有的动能，以上三种能量之和称为总力学能；

$\mathrm{\&Delta;C}=\frac{C(t+1)-C\left(t\right)}{C\left(t\right)}---\left(8\right)$

式中，C(t+1)为t+1时刻总力学能函数，

其它状态量的输出为：

e₁(t)=V₁(t)-z₁(t)    (9)

e₂(t)=V₃(t)-z₂(t)    (10)

$U\left(t\right)=U_0\left(t\right)-\frac{z_3\left(t\right)}{b_0}---\left(11\right)$

步骤3：上位机将步骤2的结果传递给下位机；

步骤4：下位机的微处理器通过控制台输入输出端口将步骤2求得的频率输出值写入变频器；

步骤5：变频器通过写入的频率控制异步电机的转速；

步骤6：异步电机通过转速的改变来调节泵的输出，从而控制进站管道内气液两相流的流速和压力，执行步骤1。

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