CN111308891B - 一种压载水设备滤网冲洗单元水压自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压载水设备滤网冲洗单元水压自适应控制方法，包括以下步骤：1)建立过滤器滤网对压力响应的反冲洗模型；2)设计反冲洗PID控制器；3)估计反冲洗模型的建模误差界，实现反冲洗PID控制器参数的鲁棒整定；4)得到反冲洗PID控制算法的离散实现方案。与现有技术相比，本发明具有精确自动反冲洗功能、冲洗平稳均匀、便于推广应用等优点。

Description

一种压载水设备滤网冲洗单元水压自适应控制方法

技术领域

本发明涉及船舶压载水过滤技术领域，尤其是涉及一种压载水设备滤网冲洗单元水压自适应控制方法。

背景技术

船舶压载水造成的海洋生物入侵问题是海洋面临的四大威胁之一，船舶压载水处理系统成为防止水污染和保护生物多样性的关键环节。压载水过滤是压载水最为基本的处理方式，通过过滤可以快速有效去除较大体积微生物以及其他杂志物质，从而缓解后续压载水处理的难度。压载水过滤因此成为众多压载水处理设备公司(如美国的Hyde，瑞典的Alfa Laval，青岛的海德威等)所采用的压载水预处理手段，因此，研究有效的压载水过滤技术具有重要的经济价值。

发明专利“压载水管理系统用自动反冲洗过滤器”(公布号CN103611353A)从机械构造的角度，设计一种压载水自动发冲洗过滤器。发明专利“一种用于船舶压载水系统的过滤器控制设备”(公布号CN104043284A)，设计一种船舶压载水系统过滤器控制设备，采用单片机作为控制模块，采用拨码开关设定反冲洗时间间隔，当过滤器进水口和出水口之间的压差为0.5bar时，控制过滤器马达转动进行反冲洗，当压差降到0.3bar时，停止反冲洗；该发明的特点是反冲洗采用开关控制方式，基于经验法设置反冲洗启停时间。

现有发明技术侧重于改良压载水处理设备的结构，或通过简单的开关控制方式来改善过滤器的处理效果，但是并没有将先进控制算法引入压载水处理系统，这造成过滤器滤网冲洗力度不均匀不精确，冲洗能耗过大，且容易堵塞滤网等问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种压载水设备滤网冲洗单元水压自适应控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种压载水设备滤网冲洗单元水压自适应控制方法，包括以下步骤：

1)建立过滤器滤网对压力响应的反冲洗模型；

2)设计反冲洗PID控制器；

3)估计反冲洗模型的建模误差界，实现反冲洗PID控制器参数的鲁棒整定；

4)得到反冲洗PID控制算法的离散实现方案。

所述的步骤1)中，过滤器滤网对压力响应的反冲洗模型的表达式为：

G_p(s)＝ke^-θs/(τs+1)

其中，模型参数k、θ和τ分别为反冲洗模型的静态增益、时滞和时间常数，通过采集到的过滤器进水口压力信号和出水口压力信号，获取过滤器滤网反冲洗压力信号的阶跃响应数据，确定反冲洗模型参数值。

所述的步骤2)中，反冲洗PID控制器的结构表达式为：

其中，控制器参数K_p、T_i、T_d和N分别为比例增益、积分时间常数、微分时间常数和微分滤波器时间常数。

所述的步骤2)中，采用多点频率响应模型匹配方法设计反冲洗PID控制器，具体为：

21)指定期望调节参考模型为

其中，τ_c为期望模型可调参数，用于折中闭环系统性能和鲁棒性，θ_c＝{K_p,T_i,T_d}，θ_p＝{k,θ,τ}，k为静态增益，θ为时滞，τ为时间常数，K_d＝T_i/K_p，D_Td(τ_c,θ_P,s)和

分别为T_d(s)的特征多项式和非最小相位部分，并满足条件

22)指定期望的开环传递函数模型为

其中，D_p(s)＝τs+1，实现的期望闭环性能等价于最小化频域性能指标

其中，ω_N为被控模型的极限频率，ω_i为优化频率值，G_p为反冲洗模型传递函数。

所述的步骤3)具体包括以下步骤：

31)定义鲁棒性能指标

其中，M_S为最大灵敏度峰值，G_c为PID控制器传递函数，ω为优化频率值；

32)估计反冲洗模型的误差上界，判断误差界的大小，

当误差界小于10％时，则设置较低的鲁棒性水平M_S＝1.8，以改善闭环系统的性能，此时PID控制器参数表达式为：

当误差界大于10％且小于30％时，则设置较高的鲁棒性水平M_S＝1.4，以获得平滑的闭环响应，此时PID控制器参数表达式为：

当误差界大于30％时，则返回步骤1)，重新建立反冲洗模型。

所述的步骤4)具体为：

将PID控制器的输出信号u(s)离散化，获取增量式PID控制算法为Δu(k)＝d₀Δu_d(k-1)+d₁e(k)+d₂e(k-1)+d₃e(k-2)，其中，

T_s为调节时间，N为微分滤波器时间常数，e(k)为当前k时刻跟踪误差，e(k-1)为k-1时刻跟踪误差,e(k-2)为k-2时刻跟踪误差，Δu(k)为当前k时刻控制器输出信号增量，Δu_d(k-1)为k-1时刻控制器输出信号增量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明由于建立了过滤器滤网对压力响应的反冲洗模型，实现了滤网精确自动反冲洗功能，避免了常规冲洗过程容易堵塞滤网和冲洗能耗过大的问题。

二、本发明所设计的PID控制算法考虑了建模误差的影响，能根据建模误差大小自适应调整系统性能和鲁棒性，使得滤网冲洗过程更加平稳以及冲洗力度更加均匀。

三、本发明给出了反冲洗PID控制算法的离散实现方案，因此本发明的控制算法很容易集成到常规的工业控制器中，以便于推广应用。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为当建模误差小于10％闭环系统响应图。

图3为当建模误差小于10％闭环系统鲁棒稳定性图。

图4为当建模误差大于10％且小于30％闭环系统响应图。

图5为当建模误差大于10％且小于30％闭环系统鲁棒稳定性图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

为了实现滤网彻底干净地清洗，提高反冲洗控制精度和降低设备能耗，本发明将自动控制技术引入船舶压载水反冲洗系统，建立过滤器滤网对压力响应的反冲洗模型，基于该反冲洗模型设计PID控制器，通过对建模误差的估计，实现反冲洗控制器参数的鲁棒整定，并给出了控制器的离散实现方案。

将本发明提出的方法用于压载水过滤器处理设备的建模和控制。所建立的过滤器滤网对压力响应的反冲洗模型为G_p(s)＝0.8e^-0.45s/(2.2s+1)，即k＝0.8、θ＝0.45和τ＝2.2。考虑对象参数分别发生以下摄动：(1)k＝0.872、θ＝0.4905和τ＝2.398(k、θ和τ同时摄动+9％)；(2)k＝0.728、θ＝0.4095和τ＝2.002(k、θ和τ同时摄动-9％)。由于建模误差上界小于10％，选取M_S＝1.8。根据公式

计算可得，PID控制器的参数为K_p＝4.6872，T_i＝1.6064，T_d＝0.1411。在t＝0s和t＝10s分别加入幅值为1单位阶跃设定值信号和幅值5的负向负载扰动信号，闭环系统的响应曲线如图2所示。为了产生平滑的设定值响应，所有设定值回路均加入了低通设定值滤波器F(s)＝1/(s+1)。由图2可知，无论对于标称系统，还是对于参数摄动系统，闭环系统均具有满意的跟踪性能和优越的扰动抑制性能。利用小增益定理分析闭环系统的鲁棒稳定性，定义乘性建模误差的幅值l_m以及闭环系统互补灵敏度函数T(s)＝(G_p(s)G_c(s))/(1+G_p(s)G_c(s))，则闭环系统的鲁棒稳定性分析如图3所示。

当建模误差界大于10％且小于30％时，考虑对象参数分别发生以下摄动：(1)k＝0.96、θ＝0.54和τ＝2.64(k、θ和τ同时摄动+20％)；(2)k＝0.64、θ＝0.36和τ＝1.76(k、θ和τ同时摄动-20％)。选取M_S＝1.4，根据公式

计算可得，PID控制器的参数为K_p＝2.9558，T_i＝1.4419，T_d＝0.1443。在t＝0s和t＝10s分别加入幅值为1单位阶跃设定值信号和幅值5的负向负载扰动信号，闭环系统的响应曲线如图4所示。为了产生平滑的设定值响应，所有设定值回路均加入了低通设定值滤波器F(s)＝1/(1.5s+1)。图5表明，当存在较大范围的建模误差时，闭环系统仍具有满意的鲁棒稳定性。

Claims (1)

1.一种压载水设备滤网冲洗单元水压自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立过滤器滤网对压力响应的反冲洗模型，过滤器滤网对压力响应的反冲洗模型的表达式为：

G_p(s)＝ke^-θs/(τs+1)

其中，模型参数k、θ和τ分别为反冲洗模型的静态增益、时滞和时间常数，通过采集到的过滤器进水口压力信号和出水口压力信号，获取过滤器滤网反冲洗压力信号的阶跃响应数据，确定反冲洗模型参数值；

2)设计反冲洗PID控制器，反冲洗PID控制器的结构表达式为：

其中，控制器参数K_p、T_i、T_d和N分别为比例增益、积分时间常数、微分时间常数和微分滤波器时间常数；

采用多点频率响应模型匹配方法设计反冲洗PID控制器，具体为：

21)指定期望调节参考模型为

其中，τ_c为期望模型可调参数，用于折中闭环系统性能和鲁棒性，θ_c＝{K_p,T_i,T_d}，θ_p＝{k,θ,τ}，k为静态增益，θ为时滞，τ为时间常数，K_d＝T_i/K_p，D_Td(τ_c,θ_P,s)和

分别为T_d(s)的特征多项式和非最小相位部分，并满足条件

22)指定期望的开环传递函数模型为

其中，D_p(s)＝τs+1，实现的期望闭环性能等价于最小化频域性能指标

其中，ω_N为被控模型的极限频率，ω_i为优化频率值，G_p为反冲洗模型传递函数；

3)估计反冲洗模型的建模误差界，实现反冲洗PID控制器参数的鲁棒整定，具体包括以下步骤：

31)定义鲁棒性能指标

其中，M_S为最大灵敏度峰值，G_c为PID控制器传递函数，ω为优化频率值；

32)估计反冲洗模型的误差上界，判断误差界的大小，

当误差界小于10％时，则设置较低的鲁棒性水平M_S＝1.8，以改善闭环系统的性能，此时PID控制器参数表达式为：

当误差界大于10％且小于30％时，则设置较高的鲁棒性水平M_S＝1.4，以获得平滑的闭环响应，此时PID控制器参数表达式为：

当误差界大于30％时，则返回步骤1)，重新建立反冲洗模型；

4)得到反冲洗PID控制算法的离散实现方案，具体为：

将PID控制器的输出信号u(s)离散化，获取增量式PID控制算法为Δu(k)＝d₀Δu_d(k-1)+d₁e(k)+d₂e(k-1)+d₃e(k-2)，其中，

T_s为调节时间，N为微分滤波器时间常数，e(k)为当前k时刻跟踪误差，e(k-1)为k-1时刻跟踪误差,e(k-2)为k-2时刻跟踪误差，Δu(k)为当前k时刻控制器输出信号增量，Δu_d(k-1)为k-1时刻控制器输出信号增量。

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