基于遺傳程序的大中型水閘綜合自動化控制系統設計

張 龍

(安徽省茨淮新河工程管理局，安徽 懷遠 233400)

0 引 言

水資源是主要能源資源中的清潔可再生資源，是水電建設中的原動力，水電建設中水電自動化在現今社會發展中占有重要地位[1]。在我國的水利行業中，有很多學者對水閘自動化控制系統進行了研究，并將其應用在工程實例中，取得不錯的實際工程效果。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還比較少[2-4]。在國外研究中，一些發達國家已經擁有較成熟的自動化控制系統，無人值班或較少人值守的水電站已經占大多數，而國內在這方面的應用還存在欠缺[5]。雖然國內的水電自動化水平跟發展成熟的國家相比還有一定的差距，但是隨著自動化技術的發展，國內的水電發展進步很快，一些已經建立的水電站正在逐步向全自動化方向邁進，很多研究正在進行或已經在準備中，甚至已經取得了一比較成熟的成果。如基于自適應遺傳算法的控制系統和基于PLC技術的控制系統，這兩種控制系統面對現在比較復雜的大中型水閘工程，存在可靠性差的問題，這是因為在傳統的控制系統，主要依靠一對一的布線來實現信號傳輸，在龐大的系統中，受到外界的影響比較多[6-8]。因此，設計基于遺傳程序的大中型水閘綜合自動化控制系統，利用遺傳程序建立多目標的控制傳遞函數，解決傳統控制系統中存在的問題。

1 大中型水閘綜合自動化控制系統硬件設計

1.1 系統通信功能設計

系統通信功能是實現系統內部各個功能模塊之間信息傳遞的重要功能，在自動化控制系統中，只有保證采集的閘位信息準確、及時，才能保證控制的有效、可靠[9]。在通信功能設計中，主要采用RS485通訊標準，通過差分傳輸方式，減少噪聲信號的干擾[10-12]。以進洪閘啟閉機為例，其與中控室的連接電路見圖1。

圖1 進洪閘啟閉機中控室連接電路

在RS485通信網絡中，使用485收發器轉換TTL電平和RS485電平[13]。其節點中的串口控制器使用RX和TX信號線連接到485收發器上，收發器則通過差分線連接到網絡總線上，采用差分信號來傳輸[14]。在此基礎上，使用工業以太網應用在自動化控制系統中[15]。

基于以上通訊標準和通訊協議，構造通訊服務器，通訊服務器的程序流程圖見圖2。

圖2 通訊服務器的程序流程

構造的通訊服務器通過以太網和串口實現數據的接收與發送，并通過數據結構定義每個端口所接收的數據和發送的數據采用的編碼方式，根據編碼方式，對串口的數據按照協議方式來處理。

1.2 水閘監控界面設計

大中型水閘綜合自動化控制系統中，水閘監控界面是執行系統命令的有效途徑，是操作人員與機器設備之間雙向溝通的橋梁，通過顯示屏寫入工作參數或輸入操作命令，即可實現人與機器信息交互。監控界面也是人機交互界面，主要由硬件和軟件組成，其中硬件包括處理器、顯示屏、通訊接口和數據存儲單元等。硬件組成結構見圖3。

圖3 人機界面硬件組成

在人機界面顯示屏的設計上，選擇觸摸屏作為主要的人機界面，通過觸摸屏檢測裝置和觸摸屏控制器實現人機操作。在監控界面設計中，選擇表面聲波觸摸屏作為監控界面的主屏，這種觸摸屏主要通過超聲波確定觸摸位置，在實際使用中，觸摸屏的顯示屏四角分別設有超聲波發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，進而通過點擊時，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中，控制參數比較多整個人機界面需要有多個畫面組成，因此水閘監控界面主要由5幅畫面構成，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警畫面組成。通過不同畫面可實現水閘不同參數的監控，便于更好地執行自動化控制命令。

2 基于遺傳程序的大中型水閘綜合自動化控制系統軟件設計

2.1 建立控制對象的傳遞函數

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

(1)

(2)

式中：s為終止符集，在計算過程中隨機獲得；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生的傳遞函數；fgb(s)為輸出量電功率產生的傳遞函數。

根據閘門開度μ單位階躍變化時，輸出量閘門壓力和電功率的數值，采用遺傳程序建立對應的傳遞函數，可得：

(3)

(4)

以上公式中的各項參數，主要是通過遺傳程序中適應度函數、種群規模、運行迭代數和終止條件確定的。以上是針對常規目標建立的傳遞函數，針對多個控制目標，設計多目標遺傳程序，輸出多目標適應度函數。公式如下：

(5)

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

計算得到適應度的值落在[0,1]區間內，并且適應度值越接近1，說明對應的程序樹越接近實際對象的傳遞函數表達式。根據適應度值選擇變量，進行遺傳操作，設復制概率為0.1，交叉概率為0.9，突變概率為0.01，經過迭代計算后，更新上述公式，重新計算系統控制對象的傳遞函數。

2.2 水閘自動化控制系統的函數控制

定義系統控制目標的傳遞函數矩陣為H(s)和靜態解耦網絡Z為：

(6)

(7)

(8)

當上述公式滿足以下條件時，此時的解耦網絡就是最合適的網絡。

(9)

在得到系統控制對象的靜態解耦網絡后，設計回路控制器，見圖4。

圖4 回路控制器

在圖4中的回路控制器中，兩個單輸入單輸出對象分別是閘門壓力和電功率。基于這兩個單輸入輸出對象設計的回路控制器形成很好的閉環特性，實現了水閘自動化動態控制。至此，基于遺傳程序的大中型水閘綜合自動化控制系統設計完成。

3 大中型水閘綜合自動化控制系統性能測試

3.1 實驗準備

大中型水閘綜合自動化控制系統是一個復雜性較高的項目，整個系統統籌的項目多，并且系統內部構成龐大。為了更好地測試大中型水閘綜合自動化控制系統的實際應用性能，以安徽省荊山湖退洪閘為測試背景，研究不同的控制系統實際應用的可靠性。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，閘室順水流方向長19 m，日常承擔泄洪的任務。以此為背景，研究大中型水閘綜合自動化控制系統的可靠性，主要從兩方面入手，一個是系統內部元件的故障情況，對于大中型水閘，其控制系統內部存在多個電子設備單元，通過串聯、并聯等方式連接在一起，系統中使用的均是比較常見、基礎的電子設備，其中包括電阻、二極管、集成電路等電子元器件。要測試控制系統的可靠性，可通過計算系統元件的總故障率實現。系統總故障率的計算公式如下。

(10)

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

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

3.2 系統元件總故障率測試結果及分析

系統元件總故障率測試中，設定相同的環境條件和使用條件，在統一的測試條件下，獲得不同系統的元件總故障率測試結果。具體測試結果見表1。

表1 不同系統的系統元件總故障率測試結果

表1中結果顯示，控制系統在電氣設備啟動狀態下的故障率要高于關閉狀態，由3組結果對比來看，傳統的基于自適應遺傳算法和基于PLC技術的控制系統元件總故障率高于15%。相比之下，提出的基于遺傳程序的自動化控制系統元件的總故障率只有百分之零點幾。綜上所述，設計的大中型水閘綜合自動化控制系統故障率極低，滿足系統實際應用的需求。為了保證測試研究的嚴謹性，再結合閘門開度測試結果分析系統的可靠性。

3.3 閘門開度測試結果及分析

在控制系統中，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換成閘門開度，閘門全關位置開始油缸每運行0.5 m，對應輸入一個閘門的開度值，直到油缸全部伸出。

在測試之前，對油泵和閘門進行調試，將轉換開關置于“自動”位置，設置“預置開度”值大于閘門最大開度，采用分段停止調試方式，將初始油缸行程設定為0.5，開啟閘門，油缸運行完成后，測量實際及閘門開度。完成后，重新設定油缸行程，以此類推，以0.5為單位，測試在不同的控制系統控制下1#閘門油缸行程和閘門開度的情況。

傳統控制系統與設計的控制系統測試結果見圖6。

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

圖6 不同控制系統閘門開度測試結果

4 結 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的基礎上，設計基于遺傳程序的大中型水閘綜合自動化控制系統。針對傳統的控制系統中可靠性差的問題，設計對比實驗，驗證了在自動化控制系統中應用遺傳程序技術，有效地解決了自動化控制系統可靠性差的問題。但是在設計中依然存在不足之處，受到時間和實驗環境的限制，在設計過程中未考慮到自動化控制系統的經濟效益。在未來發展中，應結合實際水電工程項目，積極采用性價比高的新技術，為自動化控制系統的經濟可靠性及功能的正常發揮創造條件，進一步提高系統的實際應用能力。