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基于神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)設計
摘要:本文就變頻技術(shù)在伶俐糖廠供水系統(tǒng)中的應用,結(jié)合系統(tǒng)可靠性、實用性理論,基于當前神經(jīng)網(wǎng)絡控制技術(shù),提出神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制系統(tǒng)設計方案,實現(xiàn)了控制的需要。
關鍵詞:變頻技術(shù);神經(jīng)網(wǎng)絡;PID;PLC
1引言
由于糖廠該供水網(wǎng)較大,系統(tǒng)需要供水量每小時開2臺泵機向管網(wǎng)充壓,供水量大時,開3臺泵機同時向管網(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,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)是一個大滯后系統(tǒng),不宜直接采用PID調(diào)節(jié)器進行控制。
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、儲水池及泵房組成,其中泵房裝有3臺150kW泵機。另外,還有多個電動閘閥或電動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現(xiàn)對控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用。
3變頻恒壓供水系統(tǒng)軟硬件設計
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)手動設定壓力信號與現(xiàn)場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PID運算后,PLC將0～5V的模擬信號輸出到變頻器,用以調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速以及進行電機的軟起動;PLC通過比較模擬量輸出與壓力偏差的值,通過I/O端口開關量的輸出驅(qū)動切換繼電器組,以此來協(xié)調(diào)投入工作的電機臺數(shù),并完成電機的起停、變頻與工頻的切換。通過調(diào)整電機組中投入工作的電機臺數(shù)和控制電機組中一臺電機的變頻轉(zhuǎn)速,使動力系統(tǒng)的工作壓力穩(wěn)定,進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PID控制器結(jié)構(gòu)
神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。控制器由兩部分組成:1、神經(jīng)網(wǎng)絡(NN):用于表示模糊規(guī)則,經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡的學習,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)的運行狀態(tài),自行整定PID參數(shù),以期達到最優(yōu)的控制效果。也就是將神經(jīng)網(wǎng)絡的輸出層輸出對應于PID控制期的三個可調(diào)參數(shù)Kp、Ki、Kd,通過神經(jīng)網(wǎng)絡的自學習,加權(quán)系數(shù)的調(diào)整,從而使穩(wěn)定狀態(tài)對應于某種最優(yōu)控制下的PID參數(shù)。2、普通PID控制器:直接對控制對象進行閉環(huán)控制,并且Kp、Ki、Kd三個參數(shù)為在線整定式。
圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制器的結(jié)構(gòu)
3.3神經(jīng)網(wǎng)絡PID輸入/輸出關系式
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)為當前時刻的控制系統(tǒng)實際輸出和希望值間的偏差;u(k)為當前時刻的控制器輸出值,即控制率。
Kp:比例系數(shù)
= :積分系數(shù)
:微分系數(shù)
因為本文用的仍然是普通PID控制器,只是PID控制器的三個可調(diào)參數(shù)Kp、Ki、Kd,通過神經(jīng)網(wǎng)絡的自學習,加權(quán)系數(shù)的調(diào)整的。所以神經(jīng)網(wǎng)絡PID輸入/輸出關系式依然是
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,它有一個三層神經(jīng)網(wǎng)絡,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該網(wǎng)絡有三個輸入層節(jié)點,六個隱含層節(jié)點和三個輸出層節(jié)點,輸入層節(jié)點對應模糊化后的系統(tǒng)狀態(tài)變量,輸出節(jié)點對應PID控制器的三個可調(diào)參數(shù)Kp、Ki和Kd。由于Kp、Ki、Kd三個參數(shù)不能為負值,所以本文采用非負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)則采用正負對稱的Sigmoid函數(shù)。
圖3模糊神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖
網(wǎng)絡的隱含層輸入為:
(3)
式中:
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