氣動(dòng)盾形閘門(mén)協(xié)同控制系統(tǒng)糾偏研究

趙鵬飛，李義茂，李澤敏

（1.江河機(jī)電裝備工程有限公司，北京 100070；2.湖南江河機(jī)電自動(dòng)化設(shè)備股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410013）

氣動(dòng)盾形閘門(mén)協(xié)同控制系統(tǒng)糾偏研究

趙鵬飛1，李義茂1，李澤敏2

（1.江河機(jī)電裝備工程有限公司，北京 100070；2.湖南江河機(jī)電自動(dòng)化設(shè)備股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410013）

隨著氣動(dòng)盾形閘門(mén)在海綿城市建設(shè)、水環(huán)境治理工程中的廣泛應(yīng)用，閘門(mén)開(kāi)度同步糾偏控制愈來(lái)愈重要。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)協(xié)同機(jī)理研究和實(shí)踐，氣動(dòng)盾形閘門(mén)偏差的結(jié)果狀態(tài)得到了有效的控制。本文針對(duì)氣動(dòng)盾形閘門(mén)系統(tǒng)全運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的偏差問(wèn)題，結(jié)合多項(xiàng)工程實(shí)際做了研究，使閘門(mén)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中都保持良好的一致性和平穩(wěn)性，并將此研究結(jié)論運(yùn)用在河南洛陽(yáng)東湖270 m（長(zhǎng)）×6 m（高）氣動(dòng)盾形閘門(mén)系統(tǒng)上，取得了良好的應(yīng)用效果。

協(xié)同控制系統(tǒng)；糾偏；過(guò)程狀態(tài)；結(jié)果狀態(tài)

1 引言

協(xié)同控制（Synergetic control）就是自組織過(guò)程，主要是指在一定邊界條件下由系統(tǒng)中所出現(xiàn)的某個(gè)（或某些）序參量運(yùn)用正反饋?zhàn)饔脤?duì)系統(tǒng)中各子系統(tǒng)產(chǎn)生支配和控制作用，從而使系統(tǒng)趨于協(xié)同的過(guò)程[1]。

氣動(dòng)盾形閘門(mén)協(xié)同控制糾偏反映在整個(gè)閘門(mén)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，即過(guò)程狀態(tài)和結(jié)果狀態(tài)中，協(xié)同系統(tǒng)糾偏是實(shí)時(shí)的，考慮到外界因素、主增益及偏差增益在整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)系，為保證整個(gè)系統(tǒng)在兩種狀態(tài)下良好的反映，協(xié)同系統(tǒng)將作用于每路閘門(mén)的部分單獨(dú)作為子系統(tǒng)處理，協(xié)同系統(tǒng)將采集到的各路閘門(mén)位置信息，經(jīng)過(guò)計(jì)算、處理，反饋給每個(gè)子系統(tǒng)。同時(shí)，閘門(mén)從起始位置到目標(biāo)位置拆分為兩部分：

（1）閘門(mén)平均位置到達(dá)要求位置的信息；

（2）單個(gè)閘門(mén)偏移平均位置的信息。

反饋給每個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息分別作為子系統(tǒng)調(diào)整PID的入口參數(shù)，根據(jù)閘門(mén)偏移平均位置信息調(diào)節(jié)增益和激活或凍結(jié)PID，使整個(gè)系統(tǒng)反饋到閘門(mén)的各個(gè)位置上，都有良好的狀態(tài)。

2 氣動(dòng)盾形閘門(mén)控制系統(tǒng)糾偏設(shè)計(jì)

2.1 閘門(mén)協(xié)同過(guò)程中位置的分解處理

每路閘門(mén)從當(dāng)前位置到目標(biāo)位置可以分解為所有閘門(mén)的平均位置到達(dá)目標(biāo)位置與當(dāng)前閘門(mén)到閘門(mén)平均位置之和，如圖1所示。

……；

閘門(mén)從平均位置到達(dá)要求位置通過(guò)PID（Hsp，Haverage，kp，kd，ki）計(jì)算完成，但在整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中，為了達(dá)到在目標(biāo)位置周?chē)灰疬^(guò)大的震蕩，只引入了比例、微分調(diào)節(jié)，ki置零處理；

其中：Hsp——設(shè)定高度；

Haverage——平均高度；

Hbias——偏差高度；

第n閘門(mén)偏離平均位置通過(guò)PID（Haverage，Hbiasn，kp，kd，ki）計(jì)算，同樣只引入比例、微分調(diào)節(jié)。

正常調(diào)節(jié)過(guò)程中，每個(gè)閘門(mén)系統(tǒng)的增益輸出為：

PID（totaln）=PID（Haverage，Hbiasn，kp，kd，ki）+PID（Haverage，Hbiasn，kp，kd，ki）

圖1 閘門(mén)動(dòng)作方向分解合成圖

在調(diào)節(jié)過(guò)程中，通常bias糾偏增益系數(shù)會(huì)大于aevrage閘門(mén)主進(jìn)方向增益。

2.2 協(xié)同系統(tǒng)糾偏

在調(diào)節(jié)過(guò)程中，在某個(gè)當(dāng)前起始位置，如當(dāng)前位置有偏差，那么時(shí)間增益如圖2所示：

圖2 主進(jìn)與糾偏增益圖

當(dāng)閘門(mén)間的偏差較大時(shí)，必然會(huì)引起|blas_■→n|增大PID（Hbias_n）。此時(shí)，當(dāng)PID（Hbias）＞k（常數(shù)）時(shí)，將PID（Haverage）凍結(jié)，即短暫的停掉主進(jìn)，使系統(tǒng)完全處理糾偏；當(dāng)調(diào)節(jié)接近平均位置時(shí)，PID（Hbias）會(huì)減小，當(dāng)PID（Hbias）等于或小于k常數(shù)時(shí)，主進(jìn)PID（Haverage）被激活，此時(shí)系統(tǒng)默認(rèn)為整個(gè)過(guò)程中一個(gè)新的起始狀態(tài)。

如此，反復(fù)持續(xù)上述計(jì)算及動(dòng)作，直至達(dá)到需要PID（Hbias）目標(biāo)的狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 主進(jìn)與增益再次激活增益圖

2.3 協(xié)同系統(tǒng)子系統(tǒng)處理

協(xié)同系統(tǒng)為了閘門(mén)間的起升獨(dú)立性、抗干擾能力強(qiáng)、及避免模塊的重復(fù)與累贅，將作用于每扇閘門(mén)的部分，單獨(dú)作為子系統(tǒng)處理。

協(xié)同系統(tǒng)的外界變量通過(guò)總系統(tǒng)采樣后，計(jì)算出來(lái)的閘門(mén)平均位置Haverage與閘門(mén)偏移平均位置的偏差Hbias分別反饋到相應(yīng)的子系統(tǒng)n，子系統(tǒng)在每個(gè)調(diào)節(jié)周期內(nèi)單獨(dú)作用于相應(yīng)的閘門(mén)，以保證同組閘門(mén)開(kāi)度偏差在設(shè)定范圍內(nèi)，即同步（圖4）。

圖4 信息交互圖

3 結(jié)論

氣動(dòng)盾形閘門(mén)協(xié)同控制系統(tǒng)在閘門(mén)運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)糾偏處理，提高了每個(gè)閘門(mén)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的同步性和平穩(wěn)性。在洛陽(yáng)東湖項(xiàng)目上的實(shí)際應(yīng)用，充分驗(yàn)證了每個(gè)閘門(mén)之間運(yùn)動(dòng)的同步性和平穩(wěn)性。隨著氣動(dòng)盾形閘門(mén)國(guó)產(chǎn)化的廣泛應(yīng)用，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的智能協(xié)同控制系統(tǒng)在故障診斷、報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)查詢等方面做了改進(jìn)，該系統(tǒng)將為類(lèi)似工程的安全運(yùn)行提供可靠的技術(shù)保障，并為推動(dòng)氣動(dòng)盾形閘門(mén)系統(tǒng)在我國(guó)的運(yùn)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]龍 妍.基于物質(zhì)流、能量流與信息流協(xié)同的大系統(tǒng)研究[D].武漢：華中科技大學(xué),2009.

[2]羅 杰.基于模糊控制智能灌溉控制系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué),2011:103-105.

[3]張 興.PWM整流器及其控制策略的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué),2003:29-32.

[4]楊 鋒,馮磊華.氣動(dòng)盾形閘門(mén)的自適應(yīng)模糊PID控制策略研究[J].液壓與氣動(dòng)，2014（9）:71-74.

[5]劉 鎮(zhèn)，姜學(xué)智，李東海.PID控制器參數(shù)整定方法綜述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1997,（8）:79-82

[6]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京：科學(xué)出版社，2008:15-20.

TV663

A

1672-5387（2017）01-0025-02

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.01.007

2016-12-06

趙鵬飛（1964-），男，高級(jí)工程師，從事水電站生產(chǎn)管理工作。