基于遺傳程序的大中型水閘綜合自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 龍

(安徽省茨淮新河工程管理局，安徽 懷遠(yuǎn) 233400)

0 引 言

水資源是主要能源資源中的清潔可再生資源，是水電建設(shè)中的原動力，水電建設(shè)中水電自動化在現(xiàn)今社會發(fā)展中占有重要地位[1]。在我國的水利行業(yè)中，有很多學(xué)者對水閘自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并將其應(yīng)用在工程實(shí)例中，取得不錯(cuò)的實(shí)際工程效果。但是小型水閘自動化工程不少，大中型水閘的自動化控制研究在國內(nèi)還比較少[2-4]。在國外研究中，一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)擁有較成熟的自動化控制系統(tǒng)，無人值班或較少人值守的水電站已經(jīng)占大多數(shù)，而國內(nèi)在這方面的應(yīng)用還存在欠缺[5]。雖然國內(nèi)的水電自動化水平跟發(fā)展成熟的國家相比還有一定的差距，但是隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)的水電發(fā)展進(jìn)步很快，一些已經(jīng)建立的水電站正在逐步向全自動化方向邁進(jìn)，很多研究正在進(jìn)行或已經(jīng)在準(zhǔn)備中，甚至已經(jīng)取得了一比較成熟的成果。如基于自適應(yīng)遺傳算法的控制系統(tǒng)和基于PLC技術(shù)的控制系統(tǒng)，這兩種控制系統(tǒng)面對現(xiàn)在比較復(fù)雜的大中型水閘工程，存在可靠性差的問題，這是因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的控制系統(tǒng)，主要依靠一對一的布線來實(shí)現(xiàn)信號傳輸，在龐大的系統(tǒng)中，受到外界的影響比較多[6-8]。因此，設(shè)計(jì)基于遺傳程序的大中型水閘綜合自動化控制系統(tǒng)，利用遺傳程序建立多目標(biāo)的控制傳遞函數(shù)，解決傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中存在的問題。

1 大中型水閘綜合自動化控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)通信功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通信功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)功能模塊之間信息傳遞的重要功能，在自動化控制系統(tǒng)中，只有保證采集的閘位信息準(zhǔn)確、及時(shí)，才能保證控制的有效、可靠[9]。在通信功能設(shè)計(jì)中，主要采用RS485通訊標(biāo)準(zhǔn)，通過差分傳輸方式，減少噪聲信號的干擾[10-12]。以進(jìn)洪閘啟閉機(jī)為例，其與中控室的連接電路見圖1。

圖1 進(jìn)洪閘啟閉機(jī)中控室連接電路

在RS485通信網(wǎng)絡(luò)中，使用485收發(fā)器轉(zhuǎn)換TTL電平和RS485電平[13]。其節(jié)點(diǎn)中的串口控制器使用RX和TX信號線連接到485收發(fā)器上，收發(fā)器則通過差分線連接到網(wǎng)絡(luò)總線上，采用差分信號來傳輸[14]。在此基礎(chǔ)上，使用工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用在自動化控制系統(tǒng)中[15]。

基于以上通訊標(biāo)準(zhǔn)和通訊協(xié)議，構(gòu)造通訊服務(wù)器，通訊服務(wù)器的程序流程圖見圖2。

圖2 通訊服務(wù)器的程序流程

構(gòu)造的通訊服務(wù)器通過以太網(wǎng)和串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，并通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義每個(gè)端口所接收的數(shù)據(jù)和發(fā)送的數(shù)據(jù)采用的編碼方式，根據(jù)編碼方式，對串口的數(shù)據(jù)按照協(xié)議方式來處理。

1.2 水閘監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

大中型水閘綜合自動化控制系統(tǒng)中，水閘監(jiān)控界面是執(zhí)行系統(tǒng)命令的有效途徑，是操作人員與機(jī)器設(shè)備之間雙向溝通的橋梁，通過顯示屏寫入工作參數(shù)或輸入操作命令，即可實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器信息交互。監(jiān)控界面也是人機(jī)交互界面，主要由硬件和軟件組成，其中硬件包括處理器、顯示屏、通訊接口和數(shù)據(jù)存儲單元等。硬件組成結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 人機(jī)界面硬件組成

在人機(jī)界面顯示屏的設(shè)計(jì)上，選擇觸摸屏作為主要的人機(jī)界面，通過觸摸屏檢測裝置和觸摸屏控制器實(shí)現(xiàn)人機(jī)操作。在監(jiān)控界面設(shè)計(jì)中，選擇表面聲波觸摸屏作為監(jiān)控界面的主屏，這種觸摸屏主要通過超聲波確定觸摸位置，在實(shí)際使用中，觸摸屏的顯示屏四角分別設(shè)有超聲波發(fā)射換能器和接收換能器，通過這兩種換能器就可在屏幕上覆蓋超聲波，進(jìn)而通過點(diǎn)擊時(shí)，聲波的變化確定觸摸位置。

由于在大中型水閘自動化控制系統(tǒng)中，控制參數(shù)比較多整個(gè)人機(jī)界面需要有多個(gè)畫面組成，因此水閘監(jiān)控界面主要由5幅畫面構(gòu)成，主要有閘首控制畫面、閘首電氣量畫面、閘首模擬量畫面、閘首溫度量畫面和報(bào)警畫面組成。通過不同畫面可實(shí)現(xiàn)水閘不同參數(shù)的監(jiān)控，便于更好地執(zhí)行自動化控制命令。

2 基于遺傳程序的大中型水閘綜合自動化控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 建立控制對象的傳遞函數(shù)

基于遺傳程序建立系統(tǒng)控制對象的傳遞函數(shù)，分為兩種情況：一種是針對常規(guī)控制目標(biāo)；一種是針對多控制目標(biāo)。對于常規(guī)控制目標(biāo)，根據(jù)系統(tǒng)輸入量水壓階躍變化時(shí)，輸出量閘門壓力和電功率的數(shù)值，采用遺傳程序方法建立兩個(gè)傳遞函數(shù)，分別是：

(1)

(2)

式中：s為終止符集，在計(jì)算過程中隨機(jī)獲得；p為輸出量閘門壓力；g為輸出量電功率；fpb(s)為輸出量閘門壓力產(chǎn)生的傳遞函數(shù)；fgb(s)為輸出量電功率產(chǎn)生的傳遞函數(shù)。

根據(jù)閘門開度μ單位階躍變化時(shí)，輸出量閘門壓力和電功率的數(shù)值，采用遺傳程序建立對應(yīng)的傳遞函數(shù)，可得：

(3)

(4)

以上公式中的各項(xiàng)參數(shù)，主要是通過遺傳程序中適應(yīng)度函數(shù)、種群規(guī)模、運(yùn)行迭代數(shù)和終止條件確定的。以上是針對常規(guī)目標(biāo)建立的傳遞函數(shù)，針對多個(gè)控制目標(biāo)，設(shè)計(jì)多目標(biāo)遺傳程序，輸出多目標(biāo)適應(yīng)度函數(shù)。公式如下：

(5)

式中：x(i,j)為變量i在輸入階躍擾動時(shí)，輸出量閘門壓力p的第j個(gè)分量；x′(j)為實(shí)際對象p的第j個(gè)分量；η1和η2為權(quán)系數(shù)，η1+η2=1；n為實(shí)際對象輸出量的分量個(gè)數(shù)。

計(jì)算得到適應(yīng)度的值落在[0,1]區(qū)間內(nèi)，并且適應(yīng)度值越接近1，說明對應(yīng)的程序樹越接近實(shí)際對象的傳遞函數(shù)表達(dá)式。根據(jù)適應(yīng)度值選擇變量，進(jìn)行遺傳操作，設(shè)復(fù)制概率為0.1，交叉概率為0.9，突變概率為0.01，經(jīng)過迭代計(jì)算后，更新上述公式，重新計(jì)算系統(tǒng)控制對象的傳遞函數(shù)。

2.2 水閘自動化控制系統(tǒng)的函數(shù)控制

定義系統(tǒng)控制目標(biāo)的傳遞函數(shù)矩陣為H(s)和靜態(tài)解耦網(wǎng)絡(luò)Z為：

(6)

(7)

(8)

當(dāng)上述公式滿足以下條件時(shí)，此時(shí)的解耦網(wǎng)絡(luò)就是最合適的網(wǎng)絡(luò)。

(9)

在得到系統(tǒng)控制對象的靜態(tài)解耦網(wǎng)絡(luò)后，設(shè)計(jì)回路控制器，見圖4。

圖4 回路控制器

在圖4中的回路控制器中，兩個(gè)單輸入單輸出對象分別是閘門壓力和電功率?；谶@兩個(gè)單輸入輸出對象設(shè)計(jì)的回路控制器形成很好的閉環(huán)特性，實(shí)現(xiàn)了水閘自動化動態(tài)控制。至此，基于遺傳程序的大中型水閘綜合自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成。

3 大中型水閘綜合自動化控制系統(tǒng)性能測試

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

大中型水閘綜合自動化控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜性較高的項(xiàng)目，整個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)籌的項(xiàng)目多，并且系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)成龐大。為了更好地測試大中型水閘綜合自動化控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性能，以安徽省荊山湖退洪閘為測試背景，研究不同的控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的可靠性。退洪閘的總體平面圖見圖5。

圖5 退洪閘總體平面布置圖

作為測試背景的退洪閘，其中閘底板高程17.0 m，單孔凈寬為10 m，閘室總寬度為340.6 m；閘頂高程25.8 m，閘室順?biāo)鞣较蜷L19 m，日常承擔(dān)泄洪的任務(wù)。以此為背景，研究大中型水閘綜合自動化控制系統(tǒng)的可靠性，主要從兩方面入手，一個(gè)是系統(tǒng)內(nèi)部元件的故障情況，對于大中型水閘，其控制系統(tǒng)內(nèi)部存在多個(gè)電子設(shè)備單元，通過串聯(lián)、并聯(lián)等方式連接在一起，系統(tǒng)中使用的均是比較常見、基礎(chǔ)的電子設(shè)備，其中包括電阻、二極管、集成電路等電子元器件。要測試控制系統(tǒng)的可靠性，可通過計(jì)算系統(tǒng)元件的總故障率實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)總故障率的計(jì)算公式如下。

(10)

式中：κs為控制系統(tǒng)的總故障率(1/h)；N為系統(tǒng)所用元器件的種類數(shù)目；Ni為第i種元器件的數(shù)量；κi為第i種元器件的通用故障率(1/h)。

在系統(tǒng)元件總故障率測試和閘門開度測試中，使用的控制系統(tǒng)分別是基于自適應(yīng)遺傳算法的控制系統(tǒng)、基于PLC技術(shù)的控制系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)元件總故障率測試結(jié)果及分析

系統(tǒng)元件總故障率測試中，設(shè)定相同的環(huán)境條件和使用條件，在統(tǒng)一的測試條件下，獲得不同系統(tǒng)的元件總故障率測試結(jié)果。具體測試結(jié)果見表1。

表1 不同系統(tǒng)的系統(tǒng)元件總故障率測試結(jié)果

表1中結(jié)果顯示，控制系統(tǒng)在電氣設(shè)備啟動狀態(tài)下的故障率要高于關(guān)閉狀態(tài)，由3組結(jié)果對比來看，傳統(tǒng)的基于自適應(yīng)遺傳算法和基于PLC技術(shù)的控制系統(tǒng)元件總故障率高于15%。相比之下，提出的基于遺傳程序的自動化控制系統(tǒng)元件的總故障率只有百分之零點(diǎn)幾。綜上所述，設(shè)計(jì)的大中型水閘綜合自動化控制系統(tǒng)故障率極低，滿足系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的需求。為了保證測試研究的嚴(yán)謹(jǐn)性，再結(jié)合閘門開度測試結(jié)果分析系統(tǒng)的可靠性。

3.3 閘門開度測試結(jié)果及分析

在控制系統(tǒng)中，位移傳感器檢測的是油缸行程，不能直接反映閘門的開度值，因此通過第三方軟件將油缸行程轉(zhuǎn)換成閘門開度，閘門全關(guān)位置開始油缸每運(yùn)行0.5 m，對應(yīng)輸入一個(gè)閘門的開度值，直到油缸全部伸出。

在測試之前，對油泵和閘門進(jìn)行調(diào)試，將轉(zhuǎn)換開關(guān)置于“自動”位置，設(shè)置“預(yù)置開度”值大于閘門最大開度，采用分段停止調(diào)試方式，將初始油缸行程設(shè)定為0.5，開啟閘門，油缸運(yùn)行完成后，測量實(shí)際及閘門開度。完成后，重新設(shè)定油缸行程，以此類推，以0.5為單位，測試在不同的控制系統(tǒng)控制下1#閘門油缸行程和閘門開度的情況。

傳統(tǒng)控制系統(tǒng)與設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)測試結(jié)果見圖6。

測試中不斷調(diào)整油缸行程，獲得閘門開度的變化數(shù)據(jù)。對比觀察圖中結(jié)果，圖6(c)中顯示在油缸行程為3.5時(shí)，閘門開度達(dá)到最大8 300 mm；在同一測試條件下，圖6(a)中結(jié)果只達(dá)到4 100 mm；圖6(b)中結(jié)果未顯示出正常的閘門開度值，這說明已經(jīng)超過了該系統(tǒng)的可控范圍。再結(jié)合系統(tǒng)元件總故障率測試結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的基于遺傳程序的大中型水閘綜合自動化控制系統(tǒng)元件故障率低，閘門動作準(zhǔn)確，該系統(tǒng)的可靠性更強(qiáng)。

圖6 不同控制系統(tǒng)閘門開度測試結(jié)果

4 結(jié) 語

本文圍繞著大中型水閘的控制情況，在原有的水閘自動化控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)基于遺傳程序的大中型水閘綜合自動化控制系統(tǒng)。針對傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中可靠性差的問題，設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了在自動化控制系統(tǒng)中應(yīng)用遺傳程序技術(shù)，有效地解決了自動化控制系統(tǒng)可靠性差的問題。但是在設(shè)計(jì)中依然存在不足之處，受到時(shí)間和實(shí)驗(yàn)環(huán)境的限制，在設(shè)計(jì)過程中未考慮到自動化控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。在未來發(fā)展中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際水電工程項(xiàng)目，積極采用性價(jià)比高的新技術(shù)，為自動化控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可靠性及功能的正常發(fā)揮創(chuàng)造條件，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用能力。