氣動(dòng)盾形閘門協(xié)同糾偏控制系統(tǒng)研究

楊 鋒，馮磊華，2

（1.湖南江河機(jī)電自動(dòng)化工程有限公司，湖南長沙410013；2.長沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖南長沙410114）

氣動(dòng)盾形閘門協(xié)同糾偏控制系統(tǒng)研究

楊 鋒1，馮磊華1，2

（1.湖南江河機(jī)電自動(dòng)化工程有限公司，湖南長沙410013；2.長沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖南長沙410114）

氣動(dòng)盾形閘門是目前水利工程主要的發(fā)展趨勢之一，在國外已得到較廣泛應(yīng)用，但在我國的使用才剛剛起步。針對該閘門在使用過程中存在閘門開度之間偏差較大、水位控制精度不高的問題，本文設(shè)計(jì)了一種協(xié)同糾偏控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將每組閘門的開度偏差經(jīng)模糊跟蹤控制器校正之后，施加到每組閘門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，達(dá)到消除偏差的目的。通過仿真及實(shí)際應(yīng)用結(jié)果對比分析，協(xié)同糾偏控制減小了閘門開度之間的偏差，并對水位調(diào)整過程中的超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間均有較大改善，提高了水位控制精度，為該閘門在我國的進(jìn)一步推廣打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

氣動(dòng)盾形閘門；協(xié)同糾偏控制；水位控制；水利工程

引言

氣動(dòng)盾形閘門是綜合了傳統(tǒng)鋼閘門及橡膠壩優(yōu)點(diǎn)的一種新型閘門，由美國O H I公司研發(fā)，可廣泛運(yùn)用到河道治理及城市景觀、大壩加高、引水、農(nóng)田灌溉、防旱排澇、水力發(fā)電、海堤建設(shè)防海水倒灌等工程。目前，該閘門已經(jīng)成功應(yīng)用在美國及加拿大等地渠道與河道上。

我國對氣動(dòng)盾形閘門的使用尚處于起步階段，且在使用過程中出現(xiàn)了一些較難解決的問題，主要包括：閘門開關(guān)過程中水位調(diào)整時(shí)間較長、閘門運(yùn)行過程中各閘門之間開度存在偏差。為解決這些問題，必須改變現(xiàn)有的控制系統(tǒng)。

協(xié)同控制（Synergetic control）就是自組織過程，主要是指在一定邊界條件下由系統(tǒng)中所出現(xiàn)的某個(gè)（或某些）序參量運(yùn)用正反饋?zhàn)饔脤ο到y(tǒng)中各子系統(tǒng)產(chǎn)生支配和控制作用，從而使系統(tǒng)趨于協(xié)同的過程。對于協(xié)同控制的應(yīng)用，主要有：航天器系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，多U A V之間協(xié)同任務(wù)規(guī)劃問題，物流系統(tǒng)分散式協(xié)同處理等；而對于協(xié)同糾偏控制，目前僅查到文獻(xiàn)研究了連續(xù)平壓板厚自動(dòng)糾偏協(xié)同控制。對于氣動(dòng)盾形閘門采用協(xié)同糾偏控制的研究尚無先例。

針對氣動(dòng)盾形閘門使用過程中出現(xiàn)的問題，結(jié)合協(xié)同控制的特點(diǎn)，我公司研發(fā)了一套氣動(dòng)盾形閘門協(xié)同糾偏控制系統(tǒng)。通過仿真驗(yàn)證和現(xiàn)場實(shí)際使用，該系統(tǒng)較好解決了閘門之間開度存在偏差的問題，并提高了水位控制精度。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 協(xié)同校正原理

自校正協(xié)同，是由控制中介通過在同一控制系統(tǒng)的終端之間建立交叉耦合結(jié)構(gòu)，對每個(gè)執(zhí)行器的輸出實(shí)施協(xié)同校正，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸出相同物理量的同步控制。交叉耦合控制是一種將同步誤差進(jìn)行反饋從而達(dá)到抑制效果的方法，符合最基本的控制規(guī)律。在多執(zhí)行器控制系統(tǒng)中，交叉耦合的實(shí)現(xiàn)是將其中某一執(zhí)行器的輸出變換作為其他執(zhí)行器的參考輸入。如果各執(zhí)行器的輸出互為參考輸入的一部分，其控制方式即為等狀態(tài)方式，各執(zhí)行器之間協(xié)調(diào)關(guān)系由同步系數(shù)決定。這種結(jié)構(gòu)注重系統(tǒng)的整體性能，不存在滯后問題，具有較強(qiáng)的干擾抑制能力。

1.2 協(xié)同糾偏控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

假設(shè)系統(tǒng)有n組閘門，基于自校正協(xié)同控制的氣動(dòng)盾形閘門糾偏控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，Φ0為根據(jù)給定水位換算成的給定閘門傾斜角度；Φ1、Φ2、…、Φn為每組閘門實(shí)際傾斜角度；e1、e2、…、en為每組閘門實(shí)際開度與系統(tǒng)給定值之間的偏差。

在各執(zhí)行器位置控制器的輸出上，附加了同步誤差作為補(bǔ)償，各執(zhí)行器的跟蹤誤差和控制相互制約，同步控制器輸出的附加控制量通過某種算法u0=f（ex，ey）來獲得，再經(jīng)特定的分配算法附加到每組閘門位置控制器的輸出上。

附加控制量可按一定比例分配給各組閘門控制執(zhí)行器，使各執(zhí)行器的附加作用所產(chǎn)生的補(bǔ)償效果與同步誤差的作用相反。補(bǔ)償作用的強(qiáng)弱體現(xiàn)在耦合控制算法參數(shù)的大小上。將各執(zhí)行器的誤差校正因子a1、a2、…、an，分別引入到各組閘門的控制器中進(jìn)行誤差補(bǔ)償。誤差校正因子取值的大小由現(xiàn)場實(shí)際水流大小、水位深淺等因素決定，但由人為取值，很難達(dá)到最佳。因此，本文通過在跟蹤回路中引入模糊跟蹤控制器來補(bǔ)償協(xié)同校正對閘門控制的影響。

圖1 氣動(dòng)盾形閘門協(xié)同糾偏控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

1.3 模糊跟蹤控制器設(shè)計(jì)

模糊控制器主要包括：輸入模糊化接口、輸出反模糊化接口、模糊推理機(jī)及知識庫。

1.3.1 輸入/輸出值的模糊化

為了增強(qiáng)控制系統(tǒng)的性能，將模糊控制器的輸入為氣動(dòng)盾形閘門協(xié)同控制系統(tǒng)中執(zhí)行器輸出的誤差e和誤差變化率e c，e和e c的論域范圍為［-3，3］；輸出為對原控制量進(jìn)行作用的增益kp，其論域?yàn)椋?10，10］。輸入量、輸出量的模糊集均為﹛N B，N M，N S，Z O，P S，P M，P B﹜。

1.3.2 模糊控制算法的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)理念：將所有角度儀測得的值進(jìn)行計(jì)算得出平均值，每組閘門與平均值對比，當(dāng)差值大于平均值時(shí)控制系統(tǒng)將輸出負(fù)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，即閘門下降；當(dāng)差值小于平均值時(shí)控制系統(tǒng)將輸出一個(gè)正值進(jìn)行調(diào)節(jié)，即閘門上升。其模糊控制規(guī)則如表1。

表1 模糊控制規(guī)則

表1中的模糊控制規(guī)則可用如下語句描述：

1.3.3 輸出模糊決策

根據(jù)模糊量求得精確量。確定表達(dá)模糊控制規(guī)則的模糊關(guān)系，及給定某時(shí)刻e和e c，推理求得kp。之后再對輸出值進(jìn)行反模糊化，得到精確值，即可對各組閘門誤差校正因子做出決策。

2 系統(tǒng)仿真與應(yīng)用

將本文設(shè)計(jì)的協(xié)同糾偏控制系統(tǒng)應(yīng)用在德江玉龍湖下游氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)中。德江玉龍湖氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)主要用于城區(qū)湖河治理，同時(shí)兼顧景觀效果；玉龍湖下游河道景觀壩跨度45米；氣動(dòng)閘有6組，每三片為一組、共用一個(gè)氣袋支撐，每片閘門尺寸為5.0m*2.5m；最高擋水高度H為5.0米，水位傳感器0～5.5m；對應(yīng)工作壓力0.12MP a，氣泵壓力1MP a，安全泄壓閥0.18MP a，測量壓力傳感器0～1MP a、0～0.3MP a；每組閘門對應(yīng)一個(gè)角度傳感器，傾角傳感器θ：0～80°。

假設(shè)水位高度h要求控制在4.0米，對應(yīng)的閘門傾角應(yīng)控制在：

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的協(xié)同糾偏控制系統(tǒng)的性能，特將該系統(tǒng)與采用P I D控制的原系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果見圖2、圖3。圖2為在穩(wěn)態(tài)情況下，1～6組閘門的開度，其中“*”表示采用P I D控制系統(tǒng)的開度，“o”表示采用協(xié)同糾偏控制系統(tǒng)的開度；圖3為水位調(diào)節(jié)過程，其中藍(lán)線表示P I D控制的調(diào)節(jié)過程，紅線表示采用協(xié)同糾偏控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程。

圖2 閘門角度仿真對比

圖3 水位控制仿真對比

由圖2、圖3的仿真結(jié)果可知，采用協(xié)同糾偏控制系統(tǒng)時(shí)，每組閘門之間的開度偏差減小，水位調(diào)整的幅度和調(diào)節(jié)時(shí)間均有所減小，能夠滿足現(xiàn)場控制需要。因此，進(jìn)一步將本系統(tǒng)應(yīng)用在德江玉龍湖下游氣動(dòng)盾形閘門的實(shí)際系統(tǒng)中，實(shí)際使用效果見圖4、圖5。其中，圖4為穩(wěn)態(tài)情況下，實(shí)際閘門開度對比，圖5為實(shí)際水位調(diào)節(jié)過程對比。

圖4 實(shí)際應(yīng)用角度偏差對比

圖5 實(shí)際水位控制對比

閘門開度偏差統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表2，水位控制誤差統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表3。

表2 閘門開度偏差的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

表3 水位誤差的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

由圖4、圖5和表2、表3的分析，可得出如下結(jié)論：

（1）每組閘門之間的開度偏差由原來的最大偏差6.5降到了2.8，其平均相對偏差由原來的0.0627降到了0.0233。說明協(xié)同糾偏控制系統(tǒng)較好了解決了原系統(tǒng)閘門開度偏差的問題。

（2）采用P I D控制的系統(tǒng)超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間分別為10.8%、70s，而采用本文設(shè)計(jì)的協(xié)同糾偏控制系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間分別為5.0%、45s，均比原P I D控制的參數(shù)有較大幅度的減小。

（3）采用P I D控制的最大絕對誤差為0.42，平均相對誤差為0.2136，均方誤差為0.1435；而采用協(xié)同糾偏控制的最大絕對誤差為0.20，平均相對誤差為0.0647，均方誤差為0.0536，均比P I D控制有較大降低，系統(tǒng)收斂性更好。說明氣動(dòng)盾形閘門的協(xié)同糾偏控制系統(tǒng)提高了水位控制精度。

3 結(jié)論

本文針對氣動(dòng)盾形閘門在使用過程中的閘門開度存在偏差、水位控制精度不高的問題，設(shè)計(jì)了一種協(xié)同糾偏控制系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應(yīng)用到德江玉龍湖下游氣動(dòng)盾形閘門中。通過仿真及現(xiàn)場實(shí)際使用效果對比分析，協(xié)同糾偏控制系統(tǒng)較好的解決了閘門開度偏差、水位控制精度不高的問題，為氣動(dòng)盾形閘門在我國的進(jìn)一步推廣打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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A

1672-2469（2015）05-0047-03

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.05.016

楊 鋒（1979年—），男，工程師。

科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金“氣動(dòng)盾形閘門智能協(xié)同控制系統(tǒng)”（12C 26214304732項(xiàng)目編號）。