CN111459020A - 基于模糊自适应pid算法的矿用泵站调速方法 - Google Patents

基于模糊自适应pid算法的矿用泵站调速方法 Download PDF

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张全
魏亚伟
宋振灿
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Abstract

基于模糊自适应PID算法的矿用泵站调速方法，包含有如下步骤：设定泵站调速模型，驱动系统输入量；根据矿用乳化液泵站工作流程，确定系统输入量为压力误差量
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE002
与误差变化量
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE004
；将误差量作为被控对象设计PID控制器；将输入参数
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE008
模糊化处理；基于模糊决策理论，进行模糊控制规则设计；将求得参数进行去除模糊化处理；在线修正处理。本方法对矿用泵站系统进行研究，基于模糊自适应PID控制算法得出控制器模型，并在此基础上引入在线修正因子，使得系统误差减小，并提高系统的响应速度。

Description

基于模糊自适应PID算法的矿用泵站调速方法
技术领域
本发明涉及矿用泵站调速控制领域，更具体地说，特别涉及一种基于模糊自适应PID算法的矿用泵站调速方法。
背景技术
随着技术的发展，煤矿乳化液泵站应用得到一定的发展，泵站用调速变频器应用也越来越广泛。
传统的乳化液泵站控制通常采用定速运行，采用泄压阀的机械结构实现泵站压力的稳定，这样不仅容易损坏泄压阀，而且在乳化液泵运行时，由于电机定速运行以及泄压阀的工作，容易造成压力波动较大，电能浪费严重。采用传统的变频器来驱动乳化液泵站，由于在压力控制上采用传统的PID算法控制，导致变频器输出转速波动较大，泵站压力波动较大，为了保护设备，同时需要安装泄压阀进行泄压，另外由于输出转速较大，也容易造成变频器输出电流不稳从而容易损坏变频器内部元件，造成系统故障率高、影响正常生产效率等问题。
针对现有的矿用泵站稳定性差、压力控制不稳、电能浪费严重、容易损坏机械结构等特点，为了使得泵站控制系统得到更好的应用，设计一种稳定的、控制性能优越、成本低廉的泵站调速控制方法是矿用泵站控制的重要需求。
发明内容
（1）技术问题
因此，如何解决现有的矿用泵站稳定性差、压力控制不稳、电能浪费严重、容易损坏机械结构径的问题，成了本领域技术人员亟待解决的问题。
（2）技术方案
针对上述问题，本发明的内容是提供一种基于模糊自适应PID算法的矿用泵站调速方法。
基于模糊自适应PID算法的矿用泵站调速方法，包含有如下步骤：
设定泵站调速模型，驱动系统输入量；根据矿用乳化液泵站工作流程，确定系统输入量为压力误差量
Figure DEST_PATH_IMAGE002
与误差变化量
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；
将误差量作为被控对象设计PID控制器；将压力误差量
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
控制在较小范围内，通过调节
Figure DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure DEST_PATH_IMAGE010
三个参数，实现系统稳定快速的动态响应，设计PID控制器为：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为PID控制器输出；
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为设定泵站压力设定值与实际压力误差值；
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
为比例系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为积分时间；
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为微分时间；
将输入参数
Figure DEST_PATH_IMAGE016A
、
Figure DEST_PATH_IMAGE022
模糊化处理；模糊控制器的输入量为泵站压力设定值与实际压力误差
Figure DEST_PATH_IMAGE016AA
以及误差变化率
Figure DEST_PATH_IMAGE022A
，定义系统误差
Figure DEST_PATH_IMAGE016AAA
、误差变化率
Figure DEST_PATH_IMAGE022AA
、模糊量
Figure DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure DEST_PATH_IMAGE026
和PID控制器
Figure DEST_PATH_IMAGE006AA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
、
Figure DEST_PATH_IMAGE010A
三个参数的模糊论域，根据系统工作特定设计选择三角形隶属度函数；
基于模糊决策理论，进行模糊控制规则设计；
将求得参数进行去除模糊化处理；将模糊规则利用数学表达式进行表示，得到系统能够处理的、去除模糊化的控制量
Figure DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure DEST_PATH_IMAGE032
；
在线修正处理，对得到的控制量
Figure DEST_PATH_IMAGE028A
、
Figure DEST_PATH_IMAGE030A
、
Figure DEST_PATH_IMAGE032A
进行在线修正。
进一步的，将所述PID控制器进行离散式处理，得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE034
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
为
Figure DEST_PATH_IMAGE038
时刻的输出控制量；
Figure DEST_PATH_IMAGE040
为
Figure DEST_PATH_IMAGE038A
时刻的压力误差值；
Figure DEST_PATH_IMAGE006AAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE008AA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE010AA
分别为比例、积分、微分系数。
进一步的，根据所述隶属度函数，得到系统误差
Figure DEST_PATH_IMAGE016AAAA
、误差变化率
Figure DEST_PATH_IMAGE022AAA
的基本论域，设输出量的基本论域为
Figure DEST_PATH_IMAGE042
、
Figure DEST_PATH_IMAGE044
、
Figure DEST_PATH_IMAGE046
，应用模糊算法制作模糊查询表，系统运行时根据情况查询模糊查询表，得到对应的模糊控制量。
进一步的，引入修正因子
Figure DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure DEST_PATH_IMAGE050
、
Figure DEST_PATH_IMAGE052
，修正因子的选取符合变论域的输出论域伸缩因子的计算方法，考虑误差向量的影响，得到修正因子的数值，最终确定修正后的控制量。
（3）有益效果
①本方法对矿用乳化液泵站采用模糊自适应PID控制，原理简单、适应性强、系统鲁棒性强，能够实现压力自适应调整，改善泵站系统的运行性能。
②按照本方法训练出的泵站电机控制转速使得乳化液泵可根据压力因素自适应调整乳化液流量，达到恒压控制的目的。
③本方法引入在线修正因子，在模糊自适应PID控制的基础上提高系统的控制精度和响应速度。
④本方法适用于复杂的、时变性的矿用液体压力自适应动态调节过程。
⑤本方法在不增加使用成本、不改动硬件设计结构的前提下，能够实现泵站的自适应调速，提高控制精度，延长泵站的工作寿命和使用效率。
附图说明
图1为本基于模糊自适应PID算法的调速控制方法的工作原理示意图；
图2为本基于模糊自适应PID算法的调速控制方法用于矿用泵站调速流程图；
图3是本基于模糊自适应PID算法的调速控制方法的步骤流程示意图；
图4为本基于模糊自适应PID算法的调速控制方法的误差模糊数的隶属度；
图5为本基于模糊自适应PID算法的调速控制方法的误差模糊数的隶属度；
图6为本基于模糊自适应PID算法的调速控制方法的的模糊规则表；
图7为本基于模糊自适应PID算法的调速控制方法的的模糊规则表；
图8为本基于模糊自适应PID算法的调速控制方法的的模糊规则表。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
基于模糊自适应PID算法的调速控制方法应用于矿用乳化液泵站，其工作原理如图1所示：通过信号采集系统采集矿用乳化液泵站中的压力传感器信号，经过信号识别处理后，依据设定的压力值工控机采用模糊自适应PID控制算法进行系统输出，将频率给定通过矿用隔爆变频器的变频控制系统进行频率输出，对泵站电机的减速器进行自适应调节，从而输出合适压力的乳化液。即泵站电根据压力因素自适应调整乳化液流量，机控制转速使得乳化液泵可根据压力因素自适应调整乳化液流量。
基于模糊自适应PID算法的调速控制方法，包括以下步骤，如图3所示：
步骤一：设定泵站调速模型，驱动系统输入量。根据矿用乳化液泵站工作流程（如图2所示），确定系统输入量为设定压力与实际压力误差量
Figure DEST_PATH_IMAGE002AA
与误差变化量
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
。
步骤二：将误差量作为被控对象设计PID控制器。将压力误差量
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAA
控制在较小范围内，通过调节
Figure DEST_PATH_IMAGE006AAAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE008AAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE010AAA
三个参数，实现系统稳定快速的动态响应。
设计简单的PID控制器为：
Figure DEST_PATH_IMAGE012A
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE014A
为PID控制器输出；
Figure DEST_PATH_IMAGE016AAAAA
为设定泵站压力设定值与实际压力误差值；
Figure DEST_PATH_IMAGE006AAAAA
为比例系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE018A
为积分时间；
Figure DEST_PATH_IMAGE020A
为微分时间。
由于工控机为离散式运行，需要将PID控制器进行离散式处理，得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE034A
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE036A
为
Figure DEST_PATH_IMAGE038AA
时刻的输出控制量；
Figure DEST_PATH_IMAGE040A
为
Figure DEST_PATH_IMAGE038AAA
时刻的压力误差值；
Figure DEST_PATH_IMAGE006AAAAAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE008AAAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE010AAAA
分别为比例、积分、微分系数。
步骤三：将输入参数
Figure DEST_PATH_IMAGE016AAAAAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE022AAAA
模糊化处理。模糊控制器的输入量为泵站压力设定值与实际压力误差
Figure DEST_PATH_IMAGE016AAAAAAA
以及误差变化率
Figure DEST_PATH_IMAGE022AAAAA
，即此系统为双输入单输出的模糊控制器。其中，系统误差
Figure DEST_PATH_IMAGE016AAAAAAAA
、误差变化率
Figure DEST_PATH_IMAGE022AAAAAA
、模糊量
Figure DEST_PATH_IMAGE024A
、
Figure DEST_PATH_IMAGE026A
和PID控制器
Figure DEST_PATH_IMAGE006AAAAAAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE008AAAAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE010AAAAA
三个参数的模糊论域为：
Figure DEST_PATH_IMAGE054
Figure DEST_PATH_IMAGE056
Figure DEST_PATH_IMAGE058
Figure DEST_PATH_IMAGE060
Figure DEST_PATH_IMAGE062
其模糊子集为：
Figure DEST_PATH_IMAGE064
Figure DEST_PATH_IMAGE066
Figure DEST_PATH_IMAGE068
Figure DEST_PATH_IMAGE070
Figure DEST_PATH_IMAGE072
考虑矿用乳化液泵站工作特点，设计三角形隶属度函数，即
Figure DEST_PATH_IMAGE074
，
Figure DEST_PATH_IMAGE076
，
Figure DEST_PATH_IMAGE078
，
Figure DEST_PATH_IMAGE080
，
Figure DEST_PATH_IMAGE082
，
Figure DEST_PATH_IMAGE084
，
Figure DEST_PATH_IMAGE086
。其中隶属度如图4、图5所示。
步骤四：基于模糊决策理论，进行模糊控制规则设计。根据步骤三所得到的隶属度函数，得到系统误差
Figure DEST_PATH_IMAGE016AAAAAAAAA
、误差变化率
Figure DEST_PATH_IMAGE022AAAAAAA
的基本论域为：
Figure DEST_PATH_IMAGE088
，
Figure DEST_PATH_IMAGE090
误差、误差变化量因子为：
Figure DEST_PATH_IMAGE092
，
Figure DEST_PATH_IMAGE094
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE096
的值取3。
步骤四中的输出量的基本论域为、
Figure DEST_PATH_IMAGE044A
、
Figure DEST_PATH_IMAGE046A
，则输出量的比例因子为：
Figure DEST_PATH_IMAGE098
，
Figure DEST_PATH_IMAGE100
，
Figure DEST_PATH_IMAGE102
。应用模糊算法制作模糊查询表，在控制过程中系统根据情况的不同从模糊查询表中查找对应的模糊控制量，经过去模糊
Figure DEST_PATH_IMAGE042A
化得到目标参数。模糊控制中的每一条模糊条件语句决定一个模糊关系。模糊控制规则如图6、图7、图8所示。
根据图6所述，
Figure DEST_PATH_IMAGE028AA
调节规则为：
IF (
Figure DEST_PATH_IMAGE024AA
is
Figure DEST_PATH_IMAGE106
) AND (
Figure DEST_PATH_IMAGE026AA
is
Figure DEST_PATH_IMAGE106A
) THEN (
Figure DEST_PATH_IMAGE028AAA
is
Figure DEST_PATH_IMAGE111
)(
Figure DEST_PATH_IMAGE030AA
is
Figure DEST_PATH_IMAGE106AA
)(
Figure DEST_PATH_IMAGE032AA
is
Figure DEST_PATH_IMAGE116
)
IF (
Figure DEST_PATH_IMAGE024AAA
is
Figure DEST_PATH_IMAGE106AAA
) AND (
Figure DEST_PATH_IMAGE026AAA
is
Figure DEST_PATH_IMAGE118
) THEN (
Figure DEST_PATH_IMAGE028AAAA
is
Figure DEST_PATH_IMAGE111A
)(
Figure DEST_PATH_IMAGE030AAA
is
Figure DEST_PATH_IMAGE106AAAA
)(
Figure DEST_PATH_IMAGE032AAA
is
Figure DEST_PATH_IMAGE116A
)
根据模糊规则可得到输出量的隶属度为：
Figure DEST_PATH_IMAGE120
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE004AA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE124
分别是输入的
Figure DEST_PATH_IMAGE016AAAAAAAAAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE022AAAAAAAA
及
Figure DEST_PATH_IMAGE028AAAAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE030AAAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE032AAAA
的模糊值。
根据图6所述，
Figure DEST_PATH_IMAGE028AAAAAA
的调节规则为：
IF (
Figure DEST_PATH_IMAGE024AAAA
is
Figure DEST_PATH_IMAGE106AAAAA
) AND (
Figure DEST_PATH_IMAGE026AAAA
is
Figure DEST_PATH_IMAGE111AA
) THEN (
Figure DEST_PATH_IMAGE028AAAAAAA
is
Figure DEST_PATH_IMAGE131
)
步骤五：将求得参数进行去除模糊化处理。将步骤四得到的模糊规则利用数学表达式进行表示，可得到系统能够处理的、去除模糊化的控制量
Figure DEST_PATH_IMAGE028AAAAAAAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE030AAAAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE032AAAAA
，其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE133
Figure DEST_PATH_IMAGE135
Figure DEST_PATH_IMAGE137
步骤六：在线修正处理。引入修正因子
Figure DEST_PATH_IMAGE048A
、
Figure DEST_PATH_IMAGE050A
、
Figure DEST_PATH_IMAGE052A
，得到实际的模糊PID参数与修正因子的关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE139
其中，修正因子的选取符合变论域的输出论域伸缩因子的计算方法，并考虑误差向量的影响。误差向量为：
Figure DEST_PATH_IMAGE141
本设计中要求输出量随输入量的变化而变化，故要求修正因子具有自适应性，使误差随时间的变化趋于0，即
Figure DEST_PATH_IMAGE143
步骤六中
Figure DEST_PATH_IMAGE145
的变化应与误差向量成正比，因此可得修正因子
Figure DEST_PATH_IMAGE145A
的值为：
Figure DEST_PATH_IMAGE147
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE008AAAAAA
为比例常数；
Figure DEST_PATH_IMAGE150
为初始值。本方法中，
Figure DEST_PATH_IMAGE152
，
Figure DEST_PATH_IMAGE154
为常数向量，
Figure DEST_PATH_IMAGE156
。采用此修正方式可提高控制系统在误差较小时的精度，同时当误差较大时可加快调节的相应速度。
本方法对矿用泵站系统进行研究，基于模糊自适应PID控制算法得出控制器模型，并在此基础上引入在线修正因子，使得系统误差减小，并提高系统的响应速度。
本发明不局限于上述实施方式，任何人在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的产品。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属于本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.基于模糊自适应PID算法的矿用泵站调速方法，其特征在于：
包含有如下步骤：
设定泵站调速模型，驱动系统输入量；根据矿用乳化液泵站工作流程，确定系统输入量为压力误差量
Figure DEST_PATH_IMAGE001
与误差变化量
Figure 155956DEST_PATH_IMAGE002
；
将误差量作为被控对象设计PID控制器；将压力误差量
Figure 10780DEST_PATH_IMAGE001
控制在较小范围内，通过调节
Figure DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 915151DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure DEST_PATH_IMAGE005
三个参数，实现系统稳定快速的动态响应，设计PID控制器为：
Figure 497311DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为PID控制器输出；
Figure 436317DEST_PATH_IMAGE008
为设定泵站压力设定值与实际压力误差值；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为比例系数；
Figure 196463DEST_PATH_IMAGE010
为积分时间；
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为微分时间；
将输入参数
Figure 591059DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 976910DEST_PATH_IMAGE012
模糊化处理；模糊控制器的输入量为泵站压力设定值与实际压力误差
Figure 583472DEST_PATH_IMAGE008
以及误差变化率
Figure 763786DEST_PATH_IMAGE012
，定义系统误差
Figure 518116DEST_PATH_IMAGE008
、误差变化率
Figure 192811DEST_PATH_IMAGE012
、模糊量
Figure DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 840830DEST_PATH_IMAGE014
和PID控制器
Figure 460554DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 702180DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 914987DEST_PATH_IMAGE005
三个参数的模糊论域，根据系统工作特定设计选择三角形隶属度函数；
基于模糊决策理论，进行模糊控制规则设计；
将求得参数进行去除模糊化处理；将模糊规则利用数学表达式进行表示，得到系统能够处理的、去除模糊化的控制量
Figure DEST_PATH_IMAGE015
、
Figure 683091DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 205208DEST_PATH_IMAGE017
；
在线修正处理，对得到的控制量
Figure 934130DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 950628DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 635556DEST_PATH_IMAGE017
进行在线修正。
2.根据权利要求1所述的基于模糊自适应PID算法的矿用泵站调速方法，其特征在于：将所述PID控制器进行离散式处理，得到：
Figure 344886DEST_PATH_IMAGE019
其中，
Figure 485405DEST_PATH_IMAGE020
为
Figure 305593DEST_PATH_IMAGE021
时刻的输出控制量；
Figure 845028DEST_PATH_IMAGE022
为
Figure 787576DEST_PATH_IMAGE021
时刻的压力误差值；
Figure 163194DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 770761DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 181014DEST_PATH_IMAGE005
分别为比例、积分、微分系数。
3.根据权利要求1所述的基于模糊自适应PID算法的矿用泵站调速方法，其特征在于：
根据所述隶属度函数，得到系统误差
Figure 481414DEST_PATH_IMAGE023
、误差变化率
Figure 344328DEST_PATH_IMAGE024
的基本论域，设输出量的基本论域为
Figure 568636DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 769415DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 240717DEST_PATH_IMAGE027
，应用模糊算法制作模糊查询表，系统运行时根据情况查询模糊查询表，得到对应的模糊控制量。
4.根据权利要求1所述的基于模糊自适应PID算法的矿用泵站调速方法，其特征在于：
引入修正因子
Figure 590926DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 805876DEST_PATH_IMAGE029
、
Figure 987459DEST_PATH_IMAGE030
，修正因子的选取符合变论域的输出论域伸缩因子的计算方法，考虑误差向量的影响，得到修正因子的数值，最终确定修正后的控制量。
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