粒子群算法實現(xiàn)的防爆正壓柜控制器設(shè)計

劉嘉 李俊 苗濤

(南京工業(yè)大學自動化與電氣工程學院，江蘇 南京 211816)

0 引言

隨著IT技術(shù)的發(fā)展，自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍更加廣泛。石化、煤礦、醫(yī)藥、海上鉆油平臺等高危產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也依賴自控系統(tǒng)的安全投入。在化工生產(chǎn)和石油化工等危險場合的自控系統(tǒng)設(shè)備中，為更好地發(fā)揮整個控制系統(tǒng)的安全性、高效性和經(jīng)濟性，需要實時檢測環(huán)境信息并采取相應(yīng)控制操作。

目前，主流的控制方式為PID控制、遲滯控制。本文擬研究一種以DSP為核心的防爆正壓柜控制器，并在此基礎(chǔ)上基于粒子群算法實現(xiàn)PID控制參數(shù)的自整定，以提高正壓柜的控制性能。

1 防爆正壓柜控制系統(tǒng)組成

防爆正壓柜通過在密閉機箱內(nèi)充滿安全氣體使箱內(nèi)對箱外呈現(xiàn)正壓狀態(tài)，從而避免危險氣體侵入，創(chuàng)造了箱內(nèi)安全空間［1-2］。防爆正壓柜控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of the system

系統(tǒng)通過DSP的GPIO端口讀取移位寄存器中撥碼開關(guān)輸入值，以確定工作方式，并參考ADC端口輸入值，以驅(qū)動外部繼電器工作。控制方式采用基于粒子群算法的自整定參數(shù)PID調(diào)節(jié)，具有使用方便、適應(yīng)性強、魯棒性強、抗干擾能力強等優(yōu)點。此外，系統(tǒng)通過LCD屏實現(xiàn)現(xiàn)場狀態(tài)的顯示功能。

系統(tǒng)采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20和Honeywell公司的DC0001壓力傳感器實現(xiàn)現(xiàn)場信息采集，并將采集信息送入DSP芯片的ADC端口內(nèi)。

控制器采用TI公司的C2000系列的F2812型號DSP芯片，具體完成信息采集、邏輯比較、算法調(diào)整和PID控制輸出等功能。

變壓器輸出+15 V電壓，經(jīng)過LM2575調(diào)壓為+5 V電壓，用于DSP控制系統(tǒng)以及LCD顯示屏供電，并通過加裝安全柵實現(xiàn)本安電路與非本安電路的隔離［3］。

防爆正壓柜控制系統(tǒng)工作原理如圖2所示。為防止系統(tǒng)供電電源對控制信號的干擾，將系統(tǒng)分為圖中所示包含變壓整流、電源轉(zhuǎn)換電路以及繼電器在內(nèi)的電源模塊與以F2812最小系統(tǒng)為主的控制模塊。

圖2 系統(tǒng)工作原理圖Fig.2 Operational principle of the system

控制模塊以DSP為主控制芯片，通過采集外部實時壓力信號和溫度信號，并驅(qū)動外部控壓電磁閥以實現(xiàn)正壓柜恒壓功能。

電源模塊前級采用整流變壓器實現(xiàn)AC/DC變換，輸出直流電壓+15 V，后級通過開關(guān)穩(wěn)壓集成電路LM7812和LM2575完成電平轉(zhuǎn)換功能。+15 V電壓經(jīng)過LM7812轉(zhuǎn)換生成+12 V電壓，用于繼電器的控制線圈供電。當系統(tǒng)控制信號J1為低電平時，通過光耦隔離驅(qū)動三極管導(dǎo)通，實現(xiàn)繼電器的常開觸點閉合，外部調(diào)壓電路工作。

具體驅(qū)動電路如圖3所示。

圖3 繼電器驅(qū)動電路Fig.3 Relay driving circuit

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)的任務(wù)主要有撥碼開關(guān)數(shù)值讀取、溫度和壓力信號讀取、調(diào)整控制等功能。系統(tǒng)加電后，首先完成系統(tǒng)初始化;待初始化完成后，讀取移位寄存器的數(shù)值，以確定撥碼開關(guān)的選擇值。根據(jù)采樣值與撥碼開關(guān)設(shè)定值，采用粒子群算法優(yōu)化PID參數(shù)，實現(xiàn)PID調(diào)控。

主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flowchart of the main program

外部溫度傳感器為數(shù)字傳感器，其精度較高，而壓力傳感器為模擬傳感器，需要使用DSP的ADC轉(zhuǎn)換模塊。F2812具有12位的ADC模塊，但是在實際應(yīng)用過程中，ADC模塊的精度難以達到，有時采樣值與實際值之間的誤差最大甚至會超過15%。由于ADC模塊的轉(zhuǎn)換特性是線性的，因此由轉(zhuǎn)換特性引起的誤差可以通過適當?shù)拇胧┻M行補償［5］。

假設(shè)理想狀態(tài)下DSP的ADC轉(zhuǎn)換特性為mi，偏移量b為零，模擬輸入量x與數(shù)字輸出量y之間的關(guān)系為:

考慮DSP的ADC實際轉(zhuǎn)換增益為m和偏移量為b，分別為 DSP的任意兩個ADC端口供電2.5 V和1.8 V，得到以下公式:

通過讀取ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果y1和y2，可以求得轉(zhuǎn)換增益m和偏移誤差b，并得出系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換特性，如式(3)所示:

為了保證DSP采樣的準確性和較高的精度，通過ADC連續(xù)10次采樣并進行排序，使用中值濾波法進行采集信號濾波，根據(jù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換特性得出輸入模擬量值。

3 基于粒子群算法的PID參數(shù)整定

(比例-積分-微分)PID控制器作為最早實用化的控制器已有70多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用較廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用較為廣泛的控制器［6-7］。PID控制器的一般形式為:

PID控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of the PID control system

PID控制的性能取決于Kp、Ki和Kd的選取，因此優(yōu)化PID控制器的參數(shù)具有重要意義。目前，PID參數(shù)主要是人工調(diào)整，這種方法不僅費時而且性能難以保證。

粒子群算法最初是為了圖形化地模擬鳥群優(yōu)美而不可預(yù)測的運動，人們通過對動物社會行為的觀察，發(fā)現(xiàn)在群體中對信息的社會共享有利于在演化中獲得優(yōu)勢，并以此作為開發(fā)粒子群優(yōu)化(particle swarm optimization，PSO)算法的基礎(chǔ)。同時，引入慣性權(quán)重以更好地控制開發(fā)和探索，形成當前的常規(guī)粒子群算法。粒子群算法對隨機初始粒子具有一定的魯棒性，并具有更快的收斂速度和更高的效率以及全局收斂性，是一種適用于工程應(yīng)用的參數(shù)尋優(yōu)方法［8］。

防爆正壓柜采用PID控制，為保證其控制性能，采用基于粒子群算法的尋優(yōu)方式優(yōu)化PID參數(shù)，達到最佳參數(shù)設(shè)置，實現(xiàn)最優(yōu)控制。

鑒于PID控制器的設(shè)計實際上是多維函數(shù)優(yōu)化問題，粒子群算法采用實數(shù)編碼，對于PID參數(shù)尋優(yōu)中的粒子可直接編碼為(Kp，Ki，Kd)。控制參數(shù)優(yōu)化旨在使控制偏差趨于零、有較快的響應(yīng)速度和較小的超調(diào)量。本文采用如下適應(yīng)度函數(shù):

在每次迭代時粒子通過個體極值與群體極值更新自身的速度與位置，即:

式中:i為粒子的個數(shù);d為選取粒子的維數(shù);rand為［0，1］區(qū)間內(nèi)的動態(tài)隨機因子;c1、c2為學習因子;ω為慣性權(quán)重;pbest為粒子最優(yōu)值;gbest為粒子群群體最優(yōu)值［9-12］。

具體粒子群優(yōu)化(PSO)算法步驟如下。

①初始化粒子群，隨機產(chǎn)生所有的粒子位置和速度。

②對每個粒子進行適應(yīng)度計算，并與該粒子的歷史最優(yōu)值作對比，實時更新最優(yōu)個體粒子最優(yōu)值與粒子位置。

③每個粒子的最優(yōu)值與群體最優(yōu)值作比較，實時更新群體最優(yōu)值和最優(yōu)值位置。

④每個粒子按照公式更新自己的速度和位置。

⑤判斷是否完成所有迭代，若是，則返回最優(yōu)值，否則返回步驟②。

設(shè)定學習因子c1=2、c2=2，迭代次數(shù)為100次，通過Matlab仿真到的PID參數(shù)優(yōu)化曲線和適應(yīng)度曲線如圖6和圖7所示。

通過仿真可得，當 Kp=33.65、Ki=0.17、Kd=38.79時，J取最小值1.058。其對應(yīng)單位階躍相應(yīng)曲線如圖8所示。

圖8 單位階躍相應(yīng)曲線Fig.8 Response curve of unit step

通過以上仿真可以看出，粒子群優(yōu)化算法能在有限的迭代次數(shù)內(nèi)實現(xiàn)適應(yīng)度函數(shù)J的PID參數(shù)最優(yōu)化選取。從算法的解群隨進化代數(shù)的變化情況可以看出，當?shù)螖?shù)為30次時，解群趨于收斂，粒子群算法的收斂速度較快。

4 結(jié)束語

本文介紹的以DSP芯片為控制核心的防爆正壓柜控制器，可以保證外部調(diào)壓設(shè)備在準確的時間進行調(diào)壓工作。系統(tǒng)采用PID控制方法，并通過粒子群算法優(yōu)化PID參數(shù)，仿真驗證了基于粒子群算法實現(xiàn)的PID參數(shù)優(yōu)化方法在減小系統(tǒng)超調(diào)、減小穩(wěn)態(tài)誤差等方面都起到了較好的作用。

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