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基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要:本文就變頻技術(shù)在伶俐糖廠供水系統(tǒng)中的應(yīng)用,結(jié)合系統(tǒng)可靠性、實(shí)用性理論,基于當(dāng)前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù),提出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,實(shí)現(xiàn)了控制的需要。
關(guān)鍵詞:變頻技術(shù);神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);PID;PLC
1引言
由于糖廠該供水網(wǎng)較大,系統(tǒng)需要供水量每小時(shí)開2臺(tái)泵機(jī)向管網(wǎng)充壓,供水量大時(shí),開3臺(tái)泵機(jī)同時(shí)向管網(wǎng)充壓。要想維持供水網(wǎng)的壓力不變,在管網(wǎng)系統(tǒng)的管道上安裝了壓力變送器作為反饋元件,為控制系統(tǒng)提供反饋信號(hào),由于供水系統(tǒng)管道長、管徑大,管網(wǎng)的充壓比較慢,故系統(tǒng)是一個(gè)大滯后系統(tǒng),不宜直接采用PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制。
2恒壓供水系統(tǒng)組成
考慮到該供水是大滯后系統(tǒng),供水系統(tǒng)由主供水回路、備用回路、儲(chǔ)水池及泵房組成,其中泵房裝有3臺(tái)150kW泵機(jī)。另外,還有多個(gè)電動(dòng)閘閥或電動(dòng)蝶閥控制各供水回路和水流量。因而采用PLC參與的變頻控制方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用。
3變頻恒壓供水系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)
3.1 硬件構(gòu)成
控制系統(tǒng)主要由PLC、變頻器、切換繼電器、壓力傳感器等部分組成,如圖1所示。控制核心單元PLC根據(jù)手動(dòng)設(shè)定壓力信號(hào)與現(xiàn)場(chǎng)壓力傳感器的反饋信號(hào)經(jīng)PLC的分析和計(jì)算,得到壓力偏差和壓力偏差的變化率,經(jīng)過PID運(yùn)算后,PLC將0～5V的模擬信號(hào)輸出到變頻器,用以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及進(jìn)行電機(jī)的軟起動(dòng);PLC通過比較模擬量輸出與壓力偏差的值,通過I/O端口開關(guān)量的輸出驅(qū)動(dòng)切換繼電器組,以此來協(xié)調(diào)投入工作的電機(jī)臺(tái)數(shù),并完成電機(jī)的起停、變頻與工頻的切換。通過調(diào)整電機(jī)組中投入工作的電機(jī)臺(tái)數(shù)和控制電機(jī)組中一臺(tái)電機(jī)的變頻轉(zhuǎn)速,使動(dòng)力系統(tǒng)的工作壓力穩(wěn)定,進(jìn)而達(dá)到恒壓供水的目的。
圖1 變頻恒壓供水控制裝置原理框圖
3.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器結(jié)構(gòu)
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示�？刂破饔蓛刹糠纸M成:1、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NN):用于表示模糊規(guī)則,經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí),以加權(quán)系數(shù)的形式表現(xiàn)出來,規(guī)則的生成就轉(zhuǎn)化為加權(quán)系數(shù)初值的生成和修改。根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),自行整定PID參數(shù),以期達(dá)到最優(yōu)的控制效果。也就是將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出層輸出對(duì)應(yīng)于PID控制期的三個(gè)可調(diào)參數(shù)Kp、Ki、Kd,通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí),加權(quán)系數(shù)的調(diào)整,從而使穩(wěn)定狀態(tài)對(duì)應(yīng)于某種最優(yōu)控制下的PID參數(shù)。2、普通PID控制器:直接對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行閉環(huán)控制,并且Kp、Ki、Kd三個(gè)參數(shù)為在線整定式。
圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器的結(jié)構(gòu)
3.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID輸入/輸出關(guān)系式
在傳統(tǒng)的PID控制中,經(jīng)典增量式PID的控制形式:
u(k)=u(k-1) Kp[e(k)-e(k-1)] Kie(k) Kd[e(k)-2e(k-1) e(k-2)](1)
其中:e(k)為當(dāng)前時(shí)刻的控制系統(tǒng)實(shí)際輸出和希望值間的偏差;u(k)為當(dāng)前時(shí)刻的控制器輸出值,即控制率。
Kp:比例系數(shù)
= :積分系數(shù)
:微分系數(shù)
因?yàn)楸疚挠玫娜匀皇瞧胀≒ID控制器,只是PID控制器的三個(gè)可調(diào)參數(shù)Kp、Ki、Kd,通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí),加權(quán)系數(shù)的調(diào)整的。所以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID輸入/輸出關(guān)系式依然是
u(k)=u(k-1) Kp[e(k)-e(k-1)] Kie(k) Kd [e(k)-2e(k-1) e(k-2)] (2)
本文使用的是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),它有一個(gè)三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該網(wǎng)絡(luò)有三個(gè)輸入層節(jié)點(diǎn),六個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)和三個(gè)輸出層節(jié)點(diǎn),輸入層節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)模糊化后的系統(tǒng)狀態(tài)變量,輸出節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)PID控制器的三個(gè)可調(diào)參數(shù)Kp、Ki和Kd。由于Kp、Ki、Kd三個(gè)參數(shù)不能為負(fù)值,所以本文采用非負(fù)Sigmoid函數(shù)作為輸出層的活化函數(shù),而隱含層的活化函數(shù)則采用正負(fù)對(duì)稱的Sigmoid函數(shù)。
圖3模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
網(wǎng)絡(luò)的隱含層輸入為:
(3)
式中:
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