[發(fā)明專利]氣液兩相流管道控制裝置及控制方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110323931.1
• 申請日: 2011-10-21
• 公開（公告）號: CN102393642A
• 公開（公告）日: 2012-03-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馮健;朱晗;劉金海;盧森驤
• 申請（專利權(quán)）人: 東北大學(xué)
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 沈陽東大專利代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

1.一種氣液兩相流管道控制裝置，包括壓力變送器、流量變送器、PLC控制器、水泵、異步電動機(jī)、變頻器、下位機(jī)和上位機(jī)，其中，所述的下位機(jī)包括顯示器、微處理器和鍵盤，其中，所述的微處理器還包括有控制臺輸入輸出端口，所述的上位機(jī)包括PC機(jī)，其特征在于：所述的下位機(jī)還包括第一ZigBee無線接收模塊，所述的上位機(jī)還包括第二ZigBee無線接收模塊，其連接關(guān)系如下：壓力變送器采集端固定在氣液兩相流管道上，流量傳感器采集端固定在氣液兩相流管道上，壓力變送器的輸出端連接PLC控制器的第一輸入端，流量傳感器的輸出端連接PLC控制器的第二輸入端，PLC控制器的通訊接口連接控制臺輸入輸出端口的通訊接口，PLC控制器的第一輸出端連接變頻器的輸入端，變頻器的輸出端連接異步電動機(jī)的輸入端，異步電動機(jī)的輸出端連接水泵的輸入端，水泵的輸出端固定在氣液兩相流管道進(jìn)站端，所述的上位機(jī)與下位機(jī)通過ZigBee無線接收模塊進(jìn)行通訊，其中，第一ZigBee無線接收模塊的輸入輸出端連接微處理器，第二ZigBee無線接收模塊的輸入輸出端連接PC機(jī)。

2.采用權(quán)利要求1所述的氣液兩相流管道控制裝置的控制方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1：下位機(jī)的微處理器通過控制臺輸入輸出端口采集壓力數(shù)據(jù)和流量數(shù)據(jù)；

步驟2：將步驟1采集的數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)，由上位機(jī)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計算變頻器頻率輸出值，采用改進(jìn)的自抗擾控制方法進(jìn)行控制，公式如下：

二階跟蹤微分即安排過渡過程的輸出為

式中，V₁(t)為t時刻二階跟蹤微分器跟蹤輸入量V(t)所得的輸出量；是V₁(t)的微分函數(shù)；V₂(t)為t時刻二階跟蹤微分器將輸入量V(t)微分而得的輸出量；是V₂(t)的微分函數(shù)；u為當(dāng)前擾動量；r為速度因子決定跟蹤速度；

將(1)式離散化處理得

V1(t+h)-V1(t)=h·V2(t)V2(t+h)-V2(t)=h·fst[V1(t)-V(t),V2(t),r,h0]---(2)]]>

式中，V₁(t+h)和V₂(t+h)為t+h時刻V₁(t)和V₂(t)的函數(shù)；h為采樣步長，單位為秒；t為當(dāng)前時間，單位為秒；h₀為濾波因子起到對噪聲的濾波作用；fst[ΔV(t)，V(t)，r，h₀]為快速控制最優(yōu)綜合函數(shù)；

非線性組合的輸出為：

U₀(t)＝β₁fal(e₁(t)，α₁，δ₁)+β₂fal(e₂(t)，α₂，δ₂)?????????????(3)

fal(e,α,δ)=|e|αsgn(e),|e|>δeδ1-α,|e|≤δ,δ>0---(4)]]>

sgn(e)=1,e>00,e=0-1,e<0---(5)]]>

式中，U₀(t)為t時刻非線性組合的輸出；β₁和β₂為偏差e₁和e₂的非線性組合輸出的比例放大系數(shù)；e表示給定的跟蹤微分輸出與相應(yīng)反饋的差值，又稱作偏差，e₁(t)為t時刻跟蹤偏差，e₂(t)為t時刻微分偏差；α為系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)，α₁和α₂分別表示跟蹤部分和微分部分的內(nèi)部參數(shù)，其中α₁α₂≥1時是“光滑反饋”；α₁α₂＜1時是“非光滑反饋”；α₂α₂＝0時是“變結(jié)構(gòu)控制”；δ為線性區(qū)間的大小，δ₁和δ₂分別表示跟蹤部分和微分部分的線性區(qū)間大小；fal(e，α，δ)為關(guān)于e，α，δ的非線性函數(shù)；sgn(e)為e的符號判斷函數(shù)；

三階狀態(tài)擴(kuò)張觀測器輸出為

ϵ(t)=z1(t)-Y1(t)z1(t+1)=z1(t)+h(z2(t)-β01·ϵ)z2(t+1)=z2(t)+h(z3(t)-β02·fal((1+ΔC)·ϵ,α01,δ)+b0·U(t))z3(t+1)=z3(t)-h·β03·fal((1+ΔC)·ϵ,α02,δ)---(6)]]>

式中，ε(t)是t時刻狀態(tài)觀測器輸出的偏差值；Y₁(t)是t時刻被控對象的輸出值；z₁(t)是t時刻三階狀態(tài)擴(kuò)張觀測器給出對象狀態(tài)變量的跟蹤估計值；z₂(t)是t時刻三階狀態(tài)擴(kuò)張觀測器給出對象狀態(tài)變量的微分估計值；z₃(t)是t時刻三階狀態(tài)擴(kuò)張觀測器對估計對象所有不確定模型和外擾的實時總和作用的輸出；z₁(t+1)、z₂(t+1)、z₃(t+1)是t+1時刻下一過程的z₁、z₂、z₃函數(shù)；U(t)為t時刻作用在被控對象上的輸入值；b₀為動態(tài)補(bǔ)償裝置中所含的參數(shù)補(bǔ)償因子；α₀₁和α₀₂為三階狀態(tài)擴(kuò)張觀測器的內(nèi)部參數(shù)；β₀₁、β₀₂、β₀₃為三階狀態(tài)擴(kuò)張觀測器對應(yīng)反饋量的比例放大系數(shù)；ΔC為互相關(guān)反饋修正系數(shù)；

其中ΔC由下式計算而得

根據(jù)伯努利方程

gz+p(t)ρ+v2(t)2=C(t)---(7)]]>

式中，g表示重力加速度；z表示位置水頭；p(t)表示t時刻流體壓力；ρ表示流體密度；v(t)表示t時刻流體流速；C(t)表示t時刻總力學(xué)能；

式中，第一項gz表示單位質(zhì)量流體所具有的動能，第二項表示單位質(zhì)量流體所具有的壓力使能，第三項表示單位質(zhì)量流體所具有的動能，以上三種能量之和稱為總力學(xué)能；

ΔC=C(t+1)-C(t)C(t)---(8)]]>

式中，C(t+1)為t+1時刻總力學(xué)能函數(shù)，

其它狀態(tài)量的輸出為：

e₁(t)＝V₁(t)-z₁(t)???????????????(9)

e₂(t)＝V₂(t)-z₂(t)???????????????(10)

U(t)=U0(t)-z3(t)b0---(11)]]>

步驟3：上位機(jī)將步驟2的結(jié)果傳遞給下位機(jī)；

步驟4：下位機(jī)的微處理器通過控制臺輸入輸出端口將步驟2求得的頻率輸出值寫入變頻器；

步驟5：變頻器通過寫入的頻率控制異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速；

步驟6：異步電機(jī)通過轉(zhuǎn)速的改變來調(diào)節(jié)泵的輸出，從而控制進(jìn)站管道內(nèi)氣液兩相流的流速和壓力，執(zhí)行步驟1。