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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設計
摘要:本文就變頻技術(shù)在伶俐糖廠(chǎng)供水系統中的應用,結合系統可靠性、實(shí)用性理論,基于當前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制技術(shù),提出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )PID控制系統設計方案,實(shí)現了控制的需要。
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(chǎng)該供水網(wǎng)較大,系統需要供水量每小時(shí)開(kāi)2臺泵機向管網(wǎng)充壓,供水量大時(shí),開(kāi)3臺泵機同時(shí)向管網(wǎng)充壓。要想維持供水網(wǎng)的壓力不變,在管網(wǎng)系統的管道上安裝了壓力變送器作為反饋元件,為控制系統提供反饋信號,由于供水系統管道長(cháng)、管徑大,管網(wǎng)的充壓比較慢,故系統是一個(gè)大滯后系統,不宜直接采用PID調節器進(jìn)行控制。
2恒壓供水系統組成
考慮到該供水是大滯后系統,供水系統由主供水回路、備用回路、儲水池及泵房組成,其中泵房裝有3臺150kW泵機。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(lái)實(shí)現對控制系統調節作用。
3變頻恒壓供水系統軟硬件設計
3.1 硬件構成
控制系統主要由PLC、變頻器、切換繼電器、壓力傳感器等部分組成,如圖1所示�？刂坪诵膯卧狿LC根據手動(dòng)設定壓力信號與現場(chǎng)壓力傳感器的反饋信號經(jīng)PLC的分析和計算,得到壓力偏差和壓力偏差的變化率,經(jīng)過(guò)PID運算后,PLC將0～5V的模擬信號輸出到變頻器,用以調節電機的轉速以及進(jìn)行電機的軟起動(dòng);PLC通過(guò)比較模擬量輸出與壓力偏差的值,通過(guò)I/O端口開(kāi)關(guān)量的輸出驅動(dòng)切換繼電器組,以此來(lái)協(xié)調投入工作的電機臺數,并完成電機的起停、變頻與工頻的切換。通過(guò)調整電機組中投入工作的電機臺數和控制電機組中一臺電機的變頻轉速,使動(dòng)力系統的工作壓力穩定,進(jìn)而達到恒壓供水的目的。
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控制器結構
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )PID控制器的結構如圖2所示�？刂破饔蓛刹糠纸M成:1、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )(NN):用于表示模糊規則,經(jīng)過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的學(xué)習,以加權系數的形式表現出來(lái),規則的生成就轉化為加權系數初值的生成和修改。根據系統的運行狀態(tài),自行整定PID參數,以期達到最優(yōu)的控制效果。也就是將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的輸出層輸出對應于PID控制期的三個(gè)可調參數Kp、Ki、Kd,通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的自學(xué)習,加權系數的調整,從而使穩定狀態(tài)對應于某種最優(yōu)控制下的PID參數。2、普通PID控制器:直接對控制對象進(jìn)行閉環(huán)控制,并且Kp、Ki、Kd三個(gè)參數為在線(xiàn)整定式。
圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )PID控制器的結構
3.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )PID輸入/輸出關(guān)系式
在傳統的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)為當前時(shí)刻的控制系統實(shí)際輸出和希望值間的偏差;u(k)為當前時(shí)刻的控制器輸出值,即控制率。
Kp:比例系數
= :積分系數
:微分系數
因為本文用的仍然是普通PID控制器,只是PID控制器的三個(gè)可調參數Kp、Ki、Kd,通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的自學(xué)習,加權系數的調整的。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 ),其結構如圖3所示。該網(wǎng)絡(luò )有三個(gè)輸入層節點(diǎn),六個(gè)隱含層節點(diǎn)和三個(gè)輸出層節點(diǎn),輸入層節點(diǎn)對應模糊化后的系統狀態(tài)變量,輸出節點(diǎn)對應PID控制器的三個(gè)可調參數Kp、Ki和Kd。由于Kp、Ki、Kd三個(gè)參數不能為負值,所以本文采用非負Sigmoid函數作為輸出層的活化函數,而隱含層的活化函數則采用正負對稱(chēng)的Sigmoid函數。
圖3模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )結構圖
網(wǎng)絡(luò )的隱含層輸入為:
(3)
式中:
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