基于模糊PID算法的智能儀表通信技術(shù)研究

邵 林

(安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院 自動控制系，安徽 馬鞍山 243041)

觸摸屏相對于PC機(jī)而言，其運算速度慢、存儲能力弱，但觸摸屏具有結(jié)構(gòu)緊湊、能耗少、成本低、通信接口方便等優(yōu)點.因此,在中小規(guī)模的智能儀表系統(tǒng)中，觸摸屏正逐漸代替PC機(jī)作為智能儀表的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng).在實際的應(yīng)用過程中，由于觸摸屏運算速度和存儲能力的限制，當(dāng)觸摸屏與多臺智能儀表同時通信時會產(chǎn)生較大的數(shù)據(jù)滯后，甚至出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象[1].目前，國內(nèi)企業(yè)主要利用兩種方法來解決數(shù)據(jù)滯后的問題：一是利用PC機(jī)作為上位機(jī)，通過OPC和數(shù)據(jù)庫技術(shù)對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存和預(yù)處理；二是增加硬件設(shè)備，把控制系統(tǒng)分成多組，分別采用不同的硬件系統(tǒng)控制.這兩種方法基本能夠解決多路數(shù)據(jù)傳送阻塞的現(xiàn)象，但其成本較高，且不利于智能儀表現(xiàn)場集中控制[2].國外智能儀表行業(yè)為了解決此通信阻塞的問題，主要通過提高自身通信數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)緩存能力，從而緩解智能儀表與上位機(jī)的通信壓力，但上述方法僅能解決小型設(shè)備(采集數(shù)據(jù)通道在32路以下)，對于中型以上設(shè)備的數(shù)據(jù)通信還是難以滿足要求.本文根據(jù)現(xiàn)場智能儀表通信的實際情況，設(shè)計一種基于模糊PID算法的智能儀表通信技術(shù)，經(jīng)過長期運行和檢測，不僅解決了中型以上設(shè)備以觸摸屏為上位機(jī)的智能儀表通信阻塞問題，且有利于現(xiàn)場儀表的集中管理和控制.

1 工程概況及技術(shù)要求

為保障生產(chǎn)的安全進(jìn)行，馬鋼煤焦化公司在生產(chǎn)車間裝有大量檢測有毒、有害氣體的智能儀表，這些檢測儀表能夠?qū)崟r反應(yīng)現(xiàn)場的生產(chǎn)狀況[3].同時，生產(chǎn)車間為了便于安全操作和集中監(jiān)控，要求把智能儀表采集的信息傳輸至現(xiàn)場的觸摸屏進(jìn)行集中控制.

通常情況下，觸摸屏與智能儀表之間通過RS-485數(shù)據(jù)端口遵循采樣時間分時輪詢的模式進(jìn)行通信.在生產(chǎn)過程中為了保障人身和設(shè)備的安全，一般采用增大通信的輪詢次數(shù)，減少通信的采樣時間，以此提高檢測數(shù)據(jù)的實時性.但觸摸屏受自身存儲能力和運算速度的影響，若在單個采樣周期內(nèi)對所有儀表都逐一掃描采樣，不僅采樣時間長，且加重了觸摸屏的通信負(fù)擔(dān)，甚至?xí)鹩|摸屏的死機(jī).與此同時，在實際生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)設(shè)備損壞以及其他干擾產(chǎn)生的誤報警信號可能長時間占用通信資源，這將大大降低通信的效率.因此，為了提高通信的效率，必須設(shè)置相應(yīng)的通信規(guī)則：即單個儀表連續(xù)獲得通信優(yōu)先級的次數(shù)不大于60次.若檢測單個儀表的連續(xù)通信優(yōu)先級大于60次時，系統(tǒng)自動發(fā)出報警信號并等待系統(tǒng)確認(rèn).

2 模糊PID算法的智能通信設(shè)計

2.1 馬鋼焦?fàn)t通信簡介

馬鋼煤焦化公司在現(xiàn)場焦?fàn)t的頂部、中部、底部及其周邊布置近100多個智能檢測儀表裝置.為了獲得儀表實時檢測信息和便于集中監(jiān)控，所有儀表都通過數(shù)據(jù)總線連接至觸摸屏上[4].若觸摸屏按常規(guī)輪詢方式對所有儀表進(jìn)行通信采用，設(shè)每個儀表的采樣時間為1 s，那么100個儀表每輪詢一次需要100 s，而煤焦化生產(chǎn)過程中對大多氣體的檢測周期設(shè)置為10 s以內(nèi).因此在通信時間上存在較大矛盾，為了解決上述生產(chǎn)工藝的要求，本文設(shè)計了一種基于模糊PID算法的智能儀表與觸摸屏的通信技術(shù)[5]，從試運行的數(shù)據(jù)分析，此設(shè)計基本滿足煤焦化生產(chǎn)工藝的需求.

2.2 建立動態(tài)數(shù)據(jù)庫

首先建立動態(tài)數(shù)據(jù)庫表如表1所示.動態(tài)數(shù)據(jù)庫包括儀表地址、計時器、定時器、反饋值、事件等級、動態(tài)系數(shù)和優(yōu)先級，其中

ΔUn=f((αn·In+βn·Dn+Pn)·ΔEn)

(1)

式中：ΔUn為第n#儀表與觸摸屏通信的計算優(yōu)先級，f為對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系；Pn、In、Dn均為模糊PID的初始設(shè)定值，其中Pn為事件等級，表示第n#儀表在生產(chǎn)過程中的重要程度，并按照工藝優(yōu)先等級依次設(shè)定為10(最高級)、8(較高級)、5(一般級)、3(最低級)，初始化時已經(jīng)設(shè)定；In為計數(shù)器，表示第n#儀表發(fā)出通信請求脈沖個數(shù)；Dn為定時器，表示第n#儀表被延時通信的時間總和；動態(tài)系數(shù)αn表示第n#儀表計時器的動態(tài)加權(quán)系數(shù)值；動態(tài)系數(shù)βn表示第n#儀表定時器的動態(tài)加權(quán)系數(shù).

ΔEn=ΔUn-ΔUn-1

(2)

式中：ΔEn為第n#儀表的反饋值，表示本次優(yōu)先級與上次優(yōu)先級的算術(shù)差.

表1 動態(tài)數(shù)據(jù)庫

2.3 建立模糊規(guī)則表

模糊規(guī)則表如表2所示.根據(jù)ΔUn/ΔUn-1的大小進(jìn)行模糊化處理，并依據(jù)模糊化的結(jié)果，查詢相應(yīng)的模糊加權(quán)系數(shù)αn和βn，其中αn和βn的大小，根據(jù)ΔUn/ΔUn-1進(jìn)行自動動態(tài)修正.

ΔUn+1=(ΔUn-1+ΔUn)/2

(3)

(αn，βn)∝(ΔUn/ΔUn-1)

(4)

其中：ΔUn/ΔUn-1為本次優(yōu)先級與上次優(yōu)先級之比；Fuzzy為模糊化語言，ZERO、SMALL、MIDDLE、LARGE、LLARGE從小到大分別表示五個模糊化等級；ΔUn-1、ΔUn、ΔUn+1分別表示上次、本次和下次優(yōu)先級值.

表2 模糊化規(guī)則表

3 模糊PID算法的通信模式

3.1 模糊PID通信的工作過程

3.2 通信數(shù)據(jù)模糊化

觸摸屏將接收的檢測儀表數(shù)據(jù)ΔUn與上次的存儲值ΔUn-1相比，得出相應(yīng)的ΔUn/ΔUn-1模糊化值，通過查詢模糊規(guī)則表求出參數(shù)αn和βn，然后將相應(yīng)的參數(shù)代入式(1)中，計算出ΔUn，作為此儀表本次輪詢的優(yōu)先級值；同時根據(jù)式(3)計算出ΔUn+1值，并存儲在數(shù)據(jù)庫中，作為下次計算ΔUn的參考值.

3.3 動態(tài)參數(shù)αn和βn

Pn、In、Dn3個參數(shù)中，參數(shù)Pn為檢測儀表本身的危險等級，設(shè)置后正常情況下不能更改；參數(shù)In和Dn為檢測儀表現(xiàn)場檢測信號的動態(tài)值，這些值跟隨現(xiàn)場檢測狀態(tài)的變化而變化.為使系統(tǒng)能夠獲得較好的動態(tài)效應(yīng)，分別對In和Dn的值乘以動態(tài)參數(shù)αn和βn.由式(4)可知，系統(tǒng)根據(jù)ΔUn/ΔUn-1的變化不斷修正參數(shù)αn和βn，而由式(1)可知，αn和βn值的自動修正將直接影響ΔUn/ΔUn-1的大小，從而形成閉環(huán)的自校正系統(tǒng)[6].該系統(tǒng)通過反復(fù)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，使其獲得較好的自主學(xué)習(xí)能力，能大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能.

3.4 模糊增量PID算法設(shè)計

根據(jù)增量式PID算法的工作原理，首先計算出反饋值ΔEn，由ΔUn/ΔUn-1的閾值范圍，模糊化出動態(tài)參數(shù)αn和βn，根據(jù)式(1)求出本次的優(yōu)先級輸出值.系統(tǒng)根據(jù)此優(yōu)先級的大小對儀表的通信獲得權(quán)進(jìn)行排序，排序在前8位的儀表將獲得本次通信機(jī)會，由于本文采用動態(tài)參數(shù)αn和βn，使系統(tǒng)的動態(tài)性能得到較大改善.

4 現(xiàn)場應(yīng)用分析與討論

4.1 現(xiàn)場應(yīng)用

為了檢驗系統(tǒng)設(shè)計的可行性，將基于模糊PID算法的通信模式應(yīng)用于馬鋼煤焦化公司2#焦?fàn)t，實現(xiàn)單個觸摸屏與多組(64個)智能儀表的通信.同時為了監(jiān)控通信工況，本文利用Labview將信息記錄在數(shù)據(jù)庫中并進(jìn)行動態(tài)分析.

4.2 分析與討論

利用Labview對記錄的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和分析如圖1和圖2所示.其中圖1為觸摸屏與智能儀表采用本文設(shè)計的通信模式的數(shù)據(jù)分析圖，圖2為采用基本輪訓(xùn)的通信模式的數(shù)據(jù)分析圖.由圖1可知，在60 min通信時間內(nèi)，系統(tǒng)最大通信時間為6.483 7 s，平均通信時間為6.103 2 s，通信時間均小于工藝要求的10 s，該通信模式基本滿足工藝通信時間小于10 s的要求，但從分析圖上可知系統(tǒng)的穩(wěn)定性欠佳.由圖2可知，系統(tǒng)最大的通信時間為10.376 s，平均的通信時間為8.159 3 s，最大通信時間大于工藝要求的10 s，且在7 min和41 min的采樣點附近有兩個明顯的階躍信號，表明觸摸屏在此時間與智能儀表的通信產(chǎn)生了阻塞現(xiàn)象.

圖1 模糊PID算法的通信

圖2 基本輪訓(xùn)模式的通信

5 結(jié)論

為了解決通信阻塞問題，本文提出了動態(tài)優(yōu)先級的通信模式，僅對有通信需求的儀表進(jìn)行掃描采樣.在優(yōu)先級計算的過程中，采用增量PID算法，分別對儀表的自身優(yōu)先級(儀表采集信號的危害等級)、計數(shù)器(獲得優(yōu)先級的次數(shù))、定時器(申請優(yōu)先級后的等待時間)分別用Pn、In、Dn3個參數(shù)表示.同時，為獲得較好的動態(tài)效果，根據(jù)模糊控制理論，對增量PID的兩個參數(shù)Pn和In的動態(tài)系數(shù)αn和βn進(jìn)行實時校正，完成系統(tǒng)自主學(xué)習(xí)的過程[7].通過對馬鋼煤焦化公司試運行數(shù)據(jù)的分析，本文設(shè)計的智能儀表與觸摸屏通信算法基本滿足生產(chǎn)工藝的需求.但由于本文采用ΔUn/ΔUn-1進(jìn)行模糊化閾值，系統(tǒng)穩(wěn)定性不好，雖然利用αn和βn進(jìn)行校正，控制精度依然不高，在以后的改進(jìn)過程中將引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制理念[8]，逐步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度.

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