基于單神經(jīng)元PID控制的離子流消靜電裝置

周文杰,張海江,常其筍

(1.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,河北石家莊 050018;2.河北政法職業(yè)學(xué)院新校區(qū)建設(shè)辦公室,河北石家莊 050061)

基于單神經(jīng)元PID控制的離子流消靜電裝置

周文杰1,2,張海江2,常其筍2

(1.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,河北石家莊 050018;2.河北政法職業(yè)學(xué)院新校區(qū)建設(shè)辦公室,河北石家莊 050061)

單神經(jīng)元自適應(yīng)PID(Proportional integral derivative)控制系統(tǒng),具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力,而且結(jié)構(gòu)簡單、易于計算、響應(yīng)速度快、設(shè)定參數(shù)少等特點,可以在一定程度上解決傳統(tǒng)PID控制器不能對參數(shù)時變系統(tǒng)進(jìn)行有效控制的問題,在離子流除靜電裝置中引入單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制,顯著提高了現(xiàn)有離子流除靜電裝置的自動化程度,實現(xiàn)了自動檢測、自動調(diào)整,實時監(jiān)控,提高了工作效率,減少了人為誤差,取得了較好的效果.

離子流;消靜電裝置;單神經(jīng)元PID控制

隨著石油化工工業(yè)和高分子化學(xué)工業(yè)的發(fā)展,大量高電阻率材料被廣泛的應(yīng)用.它們在生產(chǎn)、加工和輸送過程中,經(jīng)摩擦、碰撞等機械作用會產(chǎn)生并積累大量靜電,在環(huán)境相對濕度比較低時更為顯著,對工業(yè)生產(chǎn)以及人們的生活造成靜電危害.

靜電危害可分為2類:一類為靜電災(zāi)害,在石油運輸、化工生產(chǎn)、飛機制造、火工品加工等場所,由于靜電積累達(dá)到了空氣擊穿場強而發(fā)生靜電放電,使人受到電擊,妨礙生產(chǎn),嚴(yán)重時引起突發(fā)性的燃爆事故,造成生命財產(chǎn)的巨大損失.另一類為靜電障礙,多發(fā)生在紡織、造紙、印刷、塑料等部門,雖無靜電放電,但由于靜電力的作用對生產(chǎn)、生活造成障礙,引起諸多不便.因此消除靜電、防止靜電危害是靜電領(lǐng)域中一項重要的研究課題.利用離子流消靜電裝置消除靜電,是防范靜電危害的有效措施.

離子流消靜電裝置是利用快速氣流把電暈放電產(chǎn)生的空氣離子吹出形成離子流,并將其送至帶電體表面或體內(nèi),中和帶電體上或體內(nèi)的異號電荷,從而消除靜電.但現(xiàn)有離子流消靜電裝置,需要人工定期精確的測量靜電場強,手動調(diào)整離子流強度以達(dá)到較好地消除效果,費時費力自動化程度很低,受環(huán)境因素影響巨大.本文介紹的消靜電裝置中增加了靜電檢測電路,引入了單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制策略,實現(xiàn)了自動跟蹤測量流水線的靜電場強和實時的匹配輸出,有效提高了該裝置的自動化程度,減少了人為因素、環(huán)境因素對消除靜電的影響.

1 硬件結(jié)構(gòu)

由于采用了單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法,數(shù)據(jù)運算量較大,為了使系統(tǒng)及時響應(yīng),快速達(dá)到平衡狀態(tài),需要選用運算速度快、抗干擾性強的執(zhí)行器件.因此該裝置選用高速、高可靠性的A Tmega168單片機作為控制器.控制器在每個采樣周期讀取檢測電路的測量數(shù)據(jù),并通過通信總線,把相關(guān)數(shù)據(jù)實時發(fā)送到監(jiān)控計算機,同時應(yīng)用單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后,轉(zhuǎn)換為頻率信號輸出,經(jīng)過F/V轉(zhuǎn)換電路、電壓放大電路和高壓發(fā)生器產(chǎn)生5～10 kV的穩(wěn)定高壓,通過放置于離子流噴頭中央的電暈針電離空氣,形成帶電離子.為了保證系統(tǒng)在大干擾情況下的長期可靠運行,控制器的輸入、輸出部分必須增加相應(yīng)的濾波隔離電路,并選用軍品級元器件,增強系統(tǒng)的抗干擾能力.該裝置的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware structure

在所有的智能控制系統(tǒng)中控制算法的數(shù)據(jù)計算和準(zhǔn)確的控制輸出都是基于精確的測量輸入的,因此靜電檢測電路的可靠性和靈敏度對控制效果具有巨大的影響.該裝置中采用了高敏自制探頭對信號進(jìn)行采集,并通過濾波電路、多級放大電路、控制反饋電路和高精度高速A/D轉(zhuǎn)換芯片為控制單元提供可靠的、高精度的輸出反饋信號.具體電路如圖2所示.

2 PID控制系統(tǒng)

2.1 單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法

單神經(jīng)元自適應(yīng)控制系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力,并具有結(jié)構(gòu)簡單、易于計算、所需設(shè)置的參數(shù)少等特點;傳統(tǒng)的PID控制器也具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便和參數(shù)整定與工程指標(biāo)聯(lián)系密切的特點.將兩者結(jié)合,則可以在一定程度上解決傳統(tǒng)PID控制器對一些復(fù)雜過程和參數(shù)時變系統(tǒng)不能有效控制的問題,實現(xiàn)對比例、積分和微分控制參數(shù)的在線最佳調(diào)整,較好地處理消靜電過程中模糊和不確定性的因素,適應(yīng)生產(chǎn)流水線的非線性和實時性,從而更好地提高控制效果.

單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器結(jié)構(gòu),如圖3所示.

圖2 檢測電路Fig.2 Detection circuit

圖3 神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器結(jié)構(gòu)Fig.3 Neuron adaptive PID controller structure

單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制的控制算法和學(xué)習(xí)算法如下:

ηP,ηI,ηD分別對應(yīng)比例、積分、微分不同的學(xué)習(xí)速率變量;z(k)=e(k);w i(k)為xi(k)的加權(quán)系數(shù);K(k)為神經(jīng)元穩(wěn)態(tài)系數(shù),實時計算公式如下:

K0為神經(jīng)元增益系數(shù)初始值.

2.2 參數(shù)確定

在該裝置的具體應(yīng)用中需要確定上述公式中的幾個初始變量,具體數(shù)值通過大量的仿真和實驗得到.1)神經(jīng)元增益系數(shù)確定

當(dāng)神經(jīng)元增益系數(shù)K較小時,超調(diào)量小、精度高,系統(tǒng)響應(yīng)慢;較大時,超調(diào)量增大、精度差、系統(tǒng)響應(yīng)快,調(diào)整時間長;太大容易引起輸出響應(yīng)振蕩.雖然K可以通過上述公式進(jìn)行在線自適應(yīng)調(diào)整,但初始值的設(shè)置仍然適用上述原則,所以根據(jù)離子流除靜電的高實時、小滯后、連續(xù)變化的特點和以往的應(yīng)用經(jīng)驗,設(shè)定K0為5.

2)ηP,ηI,ηD變量確定

由于K可以在線自適應(yīng)調(diào)整,學(xué)習(xí)速率變量的初始值設(shè)定對控制特性的影響不大,同時為了減少浮點運算量,提高控制系統(tǒng)的運算速度,設(shè)定學(xué)習(xí)效率ηP,ηI,ηD全部為1.

3)T采樣周期的確定

采樣周期通常按照過程特性與干擾大小來選取,并與PID參數(shù)的整定進(jìn)行綜合考慮,采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)小于過程中擾動信號的周期,在運算速度允許的條件下,采樣周期越短,則控制品質(zhì)越好;當(dāng)響應(yīng)過程的純滯后時間較長時,一般選取采樣周期為純滯后時間的1/4～1/8.根據(jù)本系統(tǒng)的特點設(shè)定T為0.2 s.

3 控制程序

控制程序的主要功能是把測量數(shù)據(jù)代入單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法的離散公式進(jìn)行運算,并輸出計算結(jié)果.這是一個自適應(yīng)調(diào)整的循環(huán)過程.具體控制程序流程如圖4所示.

圖4 控制程序流程Fig.4 Control program flow

4 結(jié)論

單神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法具有預(yù)設(shè)參數(shù)少、控制輸出平穩(wěn)、方便編程、實時跟蹤的優(yōu)點,可以在一定程度上解決傳統(tǒng)PID控制器不能對參數(shù)時變系統(tǒng)進(jìn)行有效控制的問題.本文研究了單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法在離子流消靜電裝置中的實際應(yīng)用,闡述了該算法的特點、數(shù)學(xué)模型、離散公式和具體實現(xiàn)方法,并給出了詳細(xì)的靜電強度檢測電路和控制程序流程,較好地解決了現(xiàn)有離子流消靜電裝置中存在的需要人工測量、手動調(diào)整、受環(huán)境因素影響大的問題,在工程應(yīng)用中也取得了良好的控制效果.

[1]呂楠楠.基于單神經(jīng)元模糊自適應(yīng)PID控制的加熱爐溫度控制器設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009(23):162-163.

[2]王旭.增益自調(diào)整單神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法的研究[J].自動化與儀表,2005(5):50-52.

[3]趙勇.單神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法在液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報,2009,14(3):53-54.

[4]陶永華.新型PID控制及應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.

[5]王順晃.智能控制系統(tǒng)及其應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,1995.

[6]李士勇.模糊控制、神經(jīng)控制和智能控制導(dǎo)論[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1996.

[7]沈玉利,范波.模糊-單神經(jīng)元PID復(fù)合控制智能控制器[J].計算機工程,2001(5):92-94.

[8]宋樂鵬.基于PLC加熱爐溫度模糊控制系統(tǒng)的研究[J].微計算機信息,2008(8):67-90.

Based on Single Neuron PID Control of Ion Airflow Electrostatic Elim inator

ZHOUWen-jie1,2,ZHANGHai-jiang2,CHANGQi-sun2
(1.Institute of Info rmation Science,Hebei University of Science and Techno logy,Shijiazhuang 050018,China;2.New Campus Construction Office,Hebei Vocational Co llege of Po litical and Law,Shijiazhuang 050061,China)

Single neuron adap tive PID contro l system w ith self-learning and adap tive capacity has advantages of simp le structure,easy to calculate,fast response,setting few parameters and so on.It can be used to so lve some p roblems that the traditional PID controller can not exercise effectivly.A n ion airflow electrostatic eliminator based on single neuron PID contro l could be app lied to imp rove the degree of automation,achieve automatic detection.automatic adjustment,real-timemonito ring,imp rovewo rk efficiency, reduce human error and achieve better results.

ion airflow;electrostatic eliminator;single neuron adap tive PID contro l

TP 273

A

1000-1565(2010)05-0604-05

2010-03-10

河北省自然科學(xué)基金資助項目(A 20100000182)

周文杰(1978—),男,河北石家莊人,河北政法職業(yè)學(xué)院講師,河北科技大學(xué)在讀研究生,主要從事計算機應(yīng)用技術(shù)研究.

(責(zé)任編輯:梁俊紅)