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(jiǎn)單、易于計(jì)算、響應(yīng)速度快、設(shè)定參數(shù)少等特點(diǎn),可以在一定程度上解決傳統(tǒng)PID控制器不能對(duì)參數(shù)時(shí)變系統(tǒng)進(jìn)行有效控制的問(wèn)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(dòng)化程度,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)調(diào)整,實(shí)時(shí)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?cè)谏a(chǎn)、加工和輸送過(guò)程中,經(jīng)摩擦、碰撞等機(jī)械作用會(huì)產(chǎn)生并積累大量靜電,在環(huán)境相對(duì)濕度比較低時(shí)更為顯著,對(duì)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(yùn)輸、化工生產(chǎn)、飛機(jī)制造、火工品加工等場(chǎng)所,由于靜電積累達(dá)到了空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)而發(fā)生靜電放電,使人受到電擊,妨礙生產(chǎn),嚴(yán)重時(shí)引起突發(fā)性的燃爆事故,造成生命財(cái)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(wú)靜電放電,但由于靜電力的作用對(duì)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(xiàng)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(hào)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(cè)量靜電場(chǎng)強(qiáng),手動(dòng)調(diào)整離子流強(qiáng)度以達(dá)到較好地消除效果,費(fèi)時(shí)費(fèi)力自動(dòng)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(cè)電路,引入了單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制策略,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)跟蹤測(cè)量流水線的靜電場(chǎng)強(qiáng)和實(shí)時(shí)的匹配輸出,有效提高了該裝置的自動(dòng)化程度,減少了人為因素、環(huán)境因素對(duì)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(yùn)算量較大,為了使系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng),快速達(dá)到平衡狀態(tài),需要選用運(yùn)算速度快、抗干擾性強(qiáng)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(jī)作為控制器.控制器在每個(gè)采樣周期讀取檢測(cè)電路的測(cè)量數(shù)據(jù),并通過(guò)通信總線,把相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到監(jiān)控計(jì)算機(jī),同時(shí)應(yīng)用單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后,轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)輸出,經(jīng)過(guò)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(guò)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(zhǎng)期可靠運(yùn)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(jí)元器件,增強(qiáng)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(jì)算和準(zhǔn)確的控制輸出都是基于精確的測(cè)量輸入的,因此靜電檢測(cè)電路的可靠性和靈敏度對(duì)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(duì)信號(hào)進(jìn)行采集,并通過(guò)濾波電路、多級(jí)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(hào).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(jiǎn)單、易于計(jì)算、所需設(shè)置的參數(shù)少等特點(diǎn);傳統(tǒng)的PID控制器也具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn).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(duì)一些復(fù)雜過(guò)程和參數(shù)時(shí)變系統(tǒng)不能有效控制的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)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(shí)時(shí)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(cè)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(duì)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(shí)時(shí)計(jì)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(gè)初始變量,具體數(shù)值通過(guò)大量的仿真和實(shí)驗(yàn)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(shí),超調(diào)量小、精度高,系統(tǒng)響應(yīng)慢;較大時(shí),超調(diào)量增大、精度差、系統(tǒng)響應(yīng)快,調(diào)整時(shí)間長(zhǎng);太大容易引起輸出響應(yīng)振蕩.雖然K可以通過(guò)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(shí)時(shí)、小滯后、連續(xù)變化的特點(diǎn)和以往的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),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(duì)控制特性的影響不大,同時(shí)為了減少浮點(diǎn)運(yùn)算量,提高控制系統(tǒng)的運(yùn)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(guò)程特性與干擾大小來(lái)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(guò)程中擾動(dòng)信號(hào)的周期,在運(yùn)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(guò)程的純滯后時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),一般選取采樣周期為純滯后時(shí)間的1/4～1/8.根據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn)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(cè)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(yùn)算,并輸出計(jì)算結(jié)果.這是一個(gè)自適應(yīng)調(diào)整的循環(huán)過(guò)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(shí)時(shí)跟蹤的優(yōu)點(diǎn),可以在一定程度上解決傳統(tǒng)PID控制器不能對(duì)參數(shù)時(shí)變系統(tǒng)進(jìn)行有效控制的問(wèn)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(shí)際應(yīng)用,闡述了該算法的特點(diǎn)、數(shù)學(xué)模型、離散公式和具體實(shí)現(xiàn)方法,并給出了詳細(xì)的靜電強(qiáng)度檢測(cè)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(cè)量、手動(dòng)調(diào)整、受環(huán)境因素影響大的問(wèn)題,在工程應(yīng)用中也取得了良好的控制效果.

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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(xiàng)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(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究.

(責(zé)任編輯:梁俊紅)