宇電AI人工智能調節器在恒壓供水中的應用

陳偉（廈門大學自動化系，福建 廈門 361005）
摘要：介紹由AI人工智能調節器和PLC等組成的變頻調速恒壓供水系統，闡述了該系統的實現方案及線路原理。由于AI儀表的自學習的模糊控制算法，使系統具有結構簡單、運行穩定、性能指標高等優點。
關鍵詞：供水；變頻；AI智能調節器

引言

    恒壓供水在工業和民用供水系統中已普遍使用，由于系統的負荷變化的不確定性，采用傳統的PID算法實現壓力控制的動態特性指標很難收到理想的效果。在恒壓供水自動化控制系統的設計初期曾采用多種進口的調節器，系統的動態特性指標總是不穩定，通過實際應用中的對比發現，應用模糊控制理論形成的控制方案在恒壓系統中有較好的效果。在實施過程中選用了AI-808人工智能調節器作為主控制器，結合FX1N PLC邏輯控制功能很好地實現了水廠的全自動化恒壓供水。對于單獨采用PLC實現壓力和邏輯控制方案，由于PLC的運算能力不足編寫一個完善的模糊控制算法比較困難，而且參數的調整也比較麻煩，所以所提出的方案具有較高的性價比。

工作原理

    系統主要由AI-808人工智能調節器、變頻器、控制接觸器組、水泵、閥門、壓力變送器等組成。由于水泵功率較大，為節約成本，只用1臺變頻器，3臺水泵的其中2臺可以采用變頻調速，這樣在某1臺故障或維護時可以切換到另1臺進行變頻控制。圖1為供水系統的原理框圖。

壓力傳感器檢測出水總管壓力，經變送器送至AI-808儀表，與設定值比較得到壓力誤差和誤差變化率，經AI-808*的模糊、PID相結合的控制算法運算后，將輸出控制信號（4~20mA）送到變頻器控制端。通過調節頻率從而使出水管壓達到要求指標。當用戶和水量增加時，在一臺水泵變頻達到50Hz仍不能滿足供水壓力要求，PLC將檢測到AI-808調節器的壓力低信號，按其邏輯及工藝要求，加入另1臺水泵工頻運行；同樣，在用戶用水量下降，PLC通過收到AI-808調節器的水壓高信號后，將其中1臺工頻水泵退出運行。
系統運行時，變頻器是固定控制某一臺水泵，不實施多臺水泵切換的方法。這樣可以避免頻繁切換對系統及變頻器造成的沖擊，并具有較高的可靠性。同時也考慮到靈活性及檢修等方面，系統可采用手動方式選擇2臺水泵中的1臺變頻運行，也可以減少某1臺水泵長期低頻運行所造成的損耗。

控制算法

    工業過程中常用的PID控制器適用于線性定常系統，而供水系統的對象時常含有非線性、時變環節，而且有些參數未知式緩慢變化，因此單獨采用PID控制較難達到理想的控制效果，AI人工智能調節器采用模糊控制和改進PID相結合的雙模控制算法，入圖2所示

　　　　　　　　
當控制開始時，誤差e=Y-s較大，即偏差| e |≥EM時（EM為雙模控制算法e的邊界值），系統采用模糊控制算法，具有較好的動態性能。在誤差逐漸減小，即偏差| e |將誤差e和誤差變化率c整量化及模糊化后，采用帶修正因子的模糊控制規則：
P=[αe+(1+α)c]
式中：P為控制量U的整量化值；α為修正因子，介于0，1之間的數。
改變α的值可以改變雙模算法的模糊控制規則，從而改變系統的動態品質。AI調節器在調節過程中具有自學習、自調整功能。
改進型PID算法采用抗積分飽和及不*微分方式。其傳函形式為：

　　　　　　　　　　　　　
式中：KD為微分增益，在階躍作用下，PD輸出初始值和zui終值之比；為限制微分突變作用太強，KD取值不宜過大，一般取5～10。
在調試過程中，在定值變化時控制系統調節過程中如圖3。在通過調節閥門反映負荷變化時其調節過程如圖4所示。

設備選型及功能 　AI-808人工智能工業調節器

    AI-808人工智能調節器具有模糊邏輯PID調節及參數自整定功能的先進控制算法。在誤差大時，運用模糊法進行調節，以消除PID飽和積分現象；當誤差減小時，采用改進后的PID算法進行調節，并能在調節中自動學習和記憶被控對象的部分特征以使效果*化。其具有無超調、高精度、參數確定簡單，對復雜對象也能獲得較好控制效果等特點。其整體調節效果比一般的PID算法更明顯。這一點在系統調試中得到驗證，起初選用日本生產的單純PID調節器，在用水量變化和水泵投退過程中，其超調量和穩定時間均不理想，在改用AI-808智能儀表后，其動態、靜態指標均滿足了要求。 　

可編程控制器

    選用FX1N系列可編程控制器，輸出為繼電器類型。由于PLC只完成水泵自動切換等邏輯功能，所以不需要模擬量輸入輸出模塊，從而節省了投資，系統的壓力閉環控制由AI-808人工智能儀表完成，其算法的*性遠高于PLC內部較為簡單的PID算法。 　

變頻器

    采用艾默生TD2000-4T2000P型變頻器,適用于水泵型負載。可通過手動電位計或AI-808調節器輸出的電流信號來控制頻率。這二種模式的切換由操作臺手動/自動開關來實現。將變頻器多功能端子定義為電位計-電流信號控制模式。 　

控制臺

    系統控制臺設計兼顧了手動和自動2種操作方式。手動狀態下，每一臺水泵和閥門都可以單獨開啟/停止，變頻器頻率可通多圈電位計手動調節；在自動模式下，通過選擇開關確定要投入運行的水泵，這樣在某臺水泵維修時，可以讓其退出自動運行的行列，而不影響系統的正常運行。控制臺除了PLC、AI-808調節器外，還設有水位顯示儀、分管壓力顯示儀、頻率表。

參數設置

    AI-808調節器提供豐富的用戶設置方式，使其對不同的控制均能達到滿意的控制效果。參數設置決定系統的靜態和動態性能，該系統的參數設置如下：給定值：0.43~0.47Mpa
HIAL：上限報警，不用。
LOAL：下限報警，不用。
dHAL：正偏差報警，系統用于控制水泵的切換，Dhal=0.05
dLAL：負偏差報警，系統用于控制水泵的切換，dLAL=0.05.
Df：回差（死區、滯環），用于避免因測量輸入值波動而產生頻繁調節作用，在回差范圍內位式調節不起作用，Df=0.05。
Ctrl：控制方式，采用AI人工智能調節/PID調節，Ctrl＝1。
M5：保持參數，主要決定調節算法中的積分作用，和PID積分時間類似，M5越小，系統積分作用越強。M5=0時取消積分和AI人工智調節，成為PD調節器，系統值=25。
P：速率參數，與每秒內儀表輸出變化*時測量值時應變化大小成正比，P=1000/每秒測量值的升高單位值（系統以0.1定義為一個單位），P=5。
T：滯后時間，t越小，則比例和積分作用均成正比增強，而微分作用相對減弱，但整體反饋作用增強：反之，t越大，則比例和積分作用均減弱，而微分作用相對增強，t=4。
Ctl：輸出周期，反映儀表運算調節的快慢，Ctl=2。
Sn：輸入反饋信號類型，Sn=33，信號為1~5V。

結語

    系統采用AI-808人工智能調節器和FX1N PLC相結合的變頻調速恒壓供水方案已在現場運行多年，情況表明：
(1)用AI人工智能調節器，采用模糊控制和PID結合的控制方案，發揮了2種控制器的優點，達到較好的動態和穩態指標，對系統壓力調節具有恢復時間快、超調小等優點。其自整定功能為用戶提供了一種方便快捷的參數設置方法，系統穩定誤差在 ±0.01Mpa。
(2)電機功率為180kW，采用單臺變頻切換的方式有利于降低系統造價。
(3)變頻調速系統使水泵電機在軟起動下運行，無沖擊電流、使用壽命長，同時具有良好的節能效果。