[發(fā)明專利]一種基于PSO?PID算法的燃氣自動控制閥門智能調控方法

在審

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• 申請日: 2016-12-21
• 公開（公告）號: CN106773649A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發(fā)明（設計）人: 周鑫浩;張海軍
• 申請（專利權）人: 成都千嘉科技有限公司
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙)51220
• 代理人: 王記明

技術領域

本發(fā)明涉及燃氣自動閥優(yōu)化控制領域，具體地說涉及一種基于PSO-PID算法的燃氣自動控制閥門智能調控方法。

背景技術

城市燃氣管網是為城鎮(zhèn)居民和工商業(yè)用戶提供燃氣需求的管道網絡，是燃氣用戶日常生活生產過程中賴以生存的“生命線”。由于城市燃氣用戶的需求隨季節(jié)、月份、時日均有變化，為解決氣源供應與用戶需求之間的矛盾，燃氣公司需要實時監(jiān)控管網流量和壓力，并根據(jù)實際工況做出相應調整。其中，調壓閥是實現(xiàn)流量和壓力控制的必備元件。在城市燃氣實際的輸配過程中，通常是調度中心根據(jù)管網系統(tǒng)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化向各個場站發(fā)出調度指令，場站工人接收到指令后通過人為的方式調節(jié)管道閥門，改變場站相關設備進出口流量和壓力。

隨著“工業(yè)4.0”等概念的不斷深化以及物聯(lián)網技術在燃氣領域的成功應用，燃氣公司不斷加大管網智能升級的改革力度，而實現(xiàn)對各個場站壓力和流量的自動化控制是建設智能場站必要途徑。目前，針對燃氣閥門自動控制的算法有PID、LQR、LQG等，其中PID算法由于結構簡單、魯棒性強，不依賴于被控對象的精確模型，被廣泛應用于工業(yè)生產中。

但是，基于PID的傳統(tǒng)燃氣控制閥沒有自適應能力，針對某一種特殊工況其參數(shù)調整多采用試湊方式，往往依賴于操作人員的技巧和經驗，當控制目標變化時需要重新作出參數(shù)的調整；此種人工參數(shù)整定的手段耗時長、精確度低，限制了PID控制閥的應用。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于PSO-PID算法的燃氣自動控制閥門智能調控方法，解決傳統(tǒng)燃氣控制閥門參數(shù)整定過程中存在人為誤差、耗時長、精度低的問題，實現(xiàn)提高閥門對不同燃氣流量和壓力系統(tǒng)的調控能力及適應能力的目的。

本發(fā)明通過下述技術方案實現(xiàn)：

一種基于PSO-PID算法的燃氣自動控制閥門智能調控方法，包括以下步驟：

(1)建立燃氣閥門被控對象的傳遞函數(shù)模型，所述傳遞函數(shù)模型為

(2)在傳遞函數(shù)模型的基礎上，進行PID算法控制器的設置；

(3)在進行PID算法控制器設置的同時，初始化PSO算法中的粒子群參數(shù)；

(4)利用粒子群算法對PID控制器的參數(shù)進行優(yōu)化，比較計算結果是否達到精度或迭代次數(shù)，記錄最佳Kp、Ki、Kd參數(shù)值；

(5)若計算結果達到性能目標，則結束計算，輸出Kp、Ki、Kd參數(shù)值作為最佳控制參數(shù)；若計算結果達不到性能要求，則重復第(3)步、第(4)步，在K時步的結果基礎上更新粒子群的速度和位置，輸出最佳Kp、Ki、Kd參數(shù)值。

進一步的，隨著人工智能技術的發(fā)展，出現(xiàn)了很多基于智能算法整定PID參數(shù)的方法，而PSO算法具有逼近任意連續(xù)有界非線性函數(shù)的能力，對于PID參數(shù)整定過程中的非線性和不確定性，無疑是一種有效的解決途徑。所以本發(fā)明人將帶有收斂因子的粒子群算法能迅速搜索最優(yōu)可行解的特點與PID控制相結合，建立燃氣自動控制閥被控對象傳遞函數(shù)模型；初始化PSO算法粒子群數(shù)量、位置等參數(shù)，通過將Kp、Ki、Kd三個參數(shù)作為PSO算法的空間解集，以適應度函數(shù)為評價指標并通過循環(huán)迭代的方式獲取PID參數(shù)的全局最優(yōu)解，然后將最優(yōu)解作為PID控制器輸入?yún)?shù)實現(xiàn)燃氣閥門對流量的自動控制。具體是指通過比例項(Kp)、積分項(Ki)和微分項(Kd)三個參數(shù)的合理配置，用以控制燃氣自動閥門電機的輸出信號。因為根據(jù)采集時步前后誤差項的實際情況，參數(shù)Kp能快速調節(jié)輸出信號的變化幅度、參數(shù)Ki能減小穩(wěn)定誤差、參數(shù)Kd能增強系統(tǒng)穩(wěn)定性，預防超調現(xiàn)象，所以用此方式提高了閥門對不同燃氣流量和壓力系統(tǒng)的調控能力及適應能力。

所述步驟(1)中燃氣閥門被控對象的傳遞函數(shù)模型建模是依據(jù)如下步驟完成的：

首先，設定電動機的初始轉速為ω，減速后的轉速為ω，，將電磁慣性和機械慣性均設置為0，其減速輸出：

ω，＝k₁k₂U_r公式(1)

其中，k₁為電機轉換系數(shù)，k₂為減速比，U_r為電動機的工作電壓；

其次，根據(jù)閥門聯(lián)軸器的傳遞作用，使電機減速后的速度與閥門轉軸的速度相等，電機減速后的轉速為ω，與閥門轉角的關系為：

接著，將公式(1)和公式(2)聯(lián)立，積分可得：

其中，t₀為電磁慣性和機械慣性；

最后，對公式(3)進行拉普拉斯變換可得到傳遞函數(shù)G(s)為：