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        科氏質量流量計振動幅值的仿人智能控制方法

        發布時間:2019-11-27 11:11:29 瀏覽:

        0 引言

        科氏質量流量計(Coriolis mass flowmeter,CMF)是一種直接式高精度質量流量計,因具有測量精度高、可測范圍廣等一系列優點,在流量計量、化工、生物醫學等諸多領域有著廣泛的應用前景。在科氏質量流量計中,流體流經振動的測量管產生慣性力使測量管發生扭曲,從而測量管兩端的振動信號存在相位差,該相位差與質量流量成正比,通過檢測振動信號相位差實現質量流量計量[1,2,3,4]。因此,測量管振動的穩定性是科氏質量流量計精確計量的基礎[5]。

        目前,科氏質量流量計振動控制方法主要有模擬電路法、比例-積分-微分法(proportional integra differentiation,PID)、非線性幅值控制法等[6,7,8,9,10,11,12]。模擬電路法通過變阻器、壓控放大器等模擬元器件調節驅動電流,實現振幅增益控制[7,8]。但因受限于模擬正反饋電路,該方法起振時間較長、抗干擾能力較差,且在兩相流、批料流等特殊流量狀態下,可能造成停振[12,13,14]。文獻[9]根據輸出幅值與給定幅值的偏差及其變化率,設計了模糊PID控制算法;文獻[10]通過對速度信號幅值和給定幅值取自然對數,擴大控制量的調節范圍,然后再采用PID控制,實現了一種非線性幅值控制算法;文獻[11]針對因積分飽和而產生超調的問題,設計了積分分離的PI控制器和積分限幅的PI控制器。積分分離的PI控制器在偏差較大時,只讓比例部分起作用,以快速減少偏差;在偏差較小時,再讓積分器起作用。兩種PI控制器體現了一定智能特性,有效提高了控制性能,但積分分離的判斷值很難選取,且結果受阻尼比變化的影響;采用積分限幅PI控制器可較好解決積分飽和、產生超調的問題,但起振時間延長。文獻[12]針對氣-液兩相流下測量管的振動幅值控制問題,基于非線性幅值控制算法和積分限幅的PI控制,通過改變振幅控制目標實現兩相流測量管振動控制的穩定性。

        針對上述問題,在分析控制系統基礎上,基于仿人智能控制原理,根據測量管振動狀態,利用啟發式搜索和直覺推理,設計并實現一種科氏質量流量計振動幅值的仿人智能控制方法,包括特征狀態辨識、控制模態設計和推理規則集。

        1 振動系統分析

        科氏質量流量計測量原理建立在測量管穩定振動基礎之上,工作過程中驅動系統向測量管提供周期性驅動力,使其以固有頻率和穩定振幅作周期性振動。驅動系統由電磁激振器、驅動電路、測量管、傳感器組成,構成一個閉環自激系統[15,16],其工作流程是:驅動電路給激振器驅動信號,測量管在激振器的作用下振動,驅動電路再根據傳感器采集的振動信號調整驅動信號,使得測量管按其固有頻率穩幅振動??捎靡痪S有阻尼受迫振動系統描述科氏質量流量計測量管振動模型,振動微分方程為[16,17]:

         

        式中:m、c、Ks、x(t)和f(t)分別是測量管有效質量、阻尼常數、剛度、測量管振動位移和電磁驅動力。驅動力f(t)=B1l1i(t)=k1i(t),傳感器輸出電壓分別是磁感應強度和激勵線圈長度,i(t)表示輸入電流,則系統傳遞函數可表示為:

         

        式中:為自然角頻率;為阻尼比。

        當驅動頻率很接近測量管固有頻率時,達到共振,振動幅值最大,有利于提高測量精度和降低功耗,此時相位滯后驅動力π/2。由于測量管固有頻率與流體密度等因素有關,特別在兩相流等復雜流體特性和流量狀態下,固有頻率是時變的。因此要求驅動系統須解決兩個問題:1)驅動信號生成,使得驅動頻率能自動跟蹤振動管固有頻率變化,通常采用自激振動的方式;2)振動幅值控制,使得測量管振動幅度穩定。本文重點探討振動幅值控制。

        2 方法原理

        2.1 主要思想與流程

        將科氏質量流量計測量管振動分為起振穩幅和干擾抑制兩個階段,根據振動幅值偏差與偏差變化率,將起振穩幅階段分為5種振動特征狀態,將干擾抑制分為3種振動特征狀態,構建特征狀態集Φ={Φ12};針對不同的特征狀態,分別設計控制模態,構建控制模態集Ψ={Ψ12};同時設計啟發式搜索和直覺推理規則集Ω={ωk|ifφij,thenψij}。如圖1所示,控制過程中,先進行振動信號采樣計算幅值偏差及偏差變化率,根據偏差及偏差變化率進行特征辨識,識別出當前振動的特征狀態,然后依據推理規則集Ω從控制模態集中選擇相應的控制模態進行幅值控制輸出。

        圖1 方法原理

        圖1 方法原理   下載原圖

        Fig.1 The principle of the method

        2.2 特征狀態辨識

        設科氏質量流量計的目標振動幅值為A0,實際振動幅值為A(t),則幅值偏差e=A(t)-A0,偏差變化率;設偏差閾值分別為e1、e2、e3,其中e1>e2>e3>0,幅值偏差e<|e2|為可接受偏差范圍,用em,n,n=1,2…表示幅值偏差極值。圖2所示為科氏質量流量計振動幅值變化情況,圖3所示為振動幅值偏差相平面。根據幅值偏差極值em,n的大小將科氏質量流量計振動分為起振穩幅階段和干擾抑制階段:

        1)若|em,n|>e2,則為起振穩幅振動階段,主要控制目標是減小振動幅值偏差到可接受范圍內;

        2)若|em,n|<e2,則為干擾抑制階段,主要控制目的在于減小振動幅值波動。

        圖2 振動幅值變化

        圖2 振動幅值變化   下載原圖

        Fig.2 Variation of the vibration amplitude

        圖3 振動幅值偏差相平面

        圖3 振動幅值偏差相平面   下載原圖

        Fig.3 The phase plane of the vibration amplitude deviation

        根據振動幅值偏差e及偏差變化率,將起振穩幅階段分為5種特征狀態,對應圖2和3中1-1、1-2、1-3、1-4、1-5區域;將干擾抑制階段分為3種特征模態,對應圖2和3中2-1、2-2、2-3區域。兩類8種特征狀態構成特征狀態集Φ={Φ12}。

         

        式中:Φ1、Φ2分別為起振穩幅階段和干擾抑制階段的特征狀態集;e為幅值偏差;為偏差變化率;e1、e2、e3分別為幅值偏差閾值;a、b為偏差變化率閾值。

        2.3 控制模態設計

        根據仿人智能控制原理,基于人類控制經驗,在不同特征狀態采用相應的不同控制策略。

        1)起振穩幅階段,使CMF快速起振,避免超調,采用以下控制策略。

        (1)狀態φ11,對應區域1-1,偏差|e|>e1,采取磅-磅控制,使流量計盡快起振;

        (2)狀態φ12,對應區域1-2,振動幅值趨向預定值,偏差逐漸減小,但偏差減小速度小于預定速度,即,此時采用比例-積分控制模態;

        (3)狀態φ13,對應區域1-3,振動幅值趨于預定值,偏差減小速度大于預定速度時,即,在比例控制基礎上,引入弱微分模態,形成比例-微分控制模態;

        (4)狀態φ14,對應區域1-4,偏差減小過程中,幅值正常趨向預定值,即,采用保持控制;

        (5)狀態φ15,對應區域1-5,振動幅值遠離預定值,偏差增大,采用比例加強微分控制模態。

        2)干擾抑制階段,偏差在可接受范圍內,為提高振動穩定性,采用以下控制策略。

        (1)狀態φ21,對應區域2-1,偏差在可忽略范圍內,即|e|<e3,此時采用穩態保持的控制模態;

        (2)狀態φ22,對應區域2-2,偏差不可忽略但仍在可接受范圍內,且呈增大趨勢,即,采用極值保持與弱微分的控制模態;

        (3)狀態φ23,對應區域2-3,偏差不可忽略但仍在可接受范圍內,且呈減小趨勢,即,,采用極值采樣保持與弱積分的控制模態。

        根據上述控制策略,構建控制模態集Ψ={Ψ12}。

         

        式中:Ψ1、Ψ2分為為起振穩幅階段和干擾抑制階段振動的控制模態集;un為控制幅值輸出;em,i為幅值偏差極值;sgn(en)表示取en符號;Umax為最大幅值輸出;Kp1、Kp2、Kp3為比例控制系數;Kd1、Kd2為微分控制系數;Ki1為積分控制系數。

        2.4 推理規則集

        根據實際振動幅值與目標幅值的偏差及偏差變化率,從特征狀態集Φ中辨識出當前振動狀態,然后從控制模態集Ψ中選擇相應的控制模態進行控制。極值偏差通過特征記憶傳遞到控制模態,控制模態的選擇采用啟發式搜索和直覺推理,構建直覺推理規則集Ω:

         

        式中:ωk為特征模態到控制模態的一一映射,k=1,2,…,8;i=1,j=1,2,3,4,5;i=2,j=1,2,3。

        綜上,科氏質量流量計振動幅值的仿人智能驅動控制算法流程如下。

        1)檢測實際振動幅值,并與預定幅值對比,計算幅值誤差e=A(t)-A0及誤差變化率

        2)根據式(3)和(4)所述特征狀態集Φ,由幅值誤差e及誤差變化率判定當前振動模態φij。

        3)根據式(7)所述推理規則集Ω,由當前振動特征模態φij推理出應采取的控制模態ψij,振動特征模態和控制模態的推理關系為:

         
         

        4)根據推理出的控制模態ψij,產生控制輸出un。

        3 實驗驗證

        3.1 實驗裝置

        課題組研制基于DSP的科氏質量流量計變送器,包括信號調理模塊、驅動控制模塊、存儲外擴模塊和人機交互模塊等,如圖4所示。信號調理模塊實現信號放大、濾波和采樣;芯片選用C28X系列32位浮點DSP,實現頻率與相位差估計等;驅動控制模塊含DAC和功放電路,實現數字驅動信號合成,并輸出到激振器;存儲外擴模塊由SRAM和RAM等構成,作為數據緩存區;人機交互模塊由鍵盤和LCD等構成,采用RS232接口。以一款差分式科氏質量流量計對本文方法進行實驗驗證,如圖5所示。該流量計的兩條管路想通、流向相反,兩條管路的流量差即是科氏質量流量計檢測的質量流量,主要用于血液透析機等場合的小流量測量。

        圖4 變送器功能模塊

        圖4 變送器功能模塊   下載原圖

        Fig.4 The function modules of the transmitter

        3.2 實驗結果分析

        利用上述實驗裝置,在平穩水流量下,對本文方法進行實流實驗驗證,并與PID控制進行對比分析。實驗中,設定差分式科氏質量流量計的基礎流量為700 m L/min,通過步進電機控制陶瓷泵轉速來調節差分流量,差分流量范圍為0~50 g/min。以正弦波作為激振信號,利用NI-9234數據采集器采集控制輸出信號和測量管振動信號,采樣率設為25 600 Hz。圖6和7所示為PID控制和本文方法的科氏質量流量計振動幅值控制結果。

        對比圖6和7可知,同時在0.5 s開始起振,PID約在2.5 s達到穩定,本文方法約在1.5 s達到穩定,較PID控制縮短了40%左右起振時間。圖7中,本文方法的驅動信號在0.5~1 s約為2 V,顯著大于穩定后約0.4 V,這是由于起振穩幅階段采用了磅-磅控制;驅動信號波形的顯著變化由控制模態切換所致。圖6和7中振動信號幾乎均無超調。從而,實驗結果驗證了本文方法的可行性,較PID控制在起振速度、穩定時間等方面均有明顯優勢。

        圖5 差分管科氏質量流量計

        圖5 差分管科氏質量流量計   下載原圖

        Fig.5 The CMF with differential flow tubes

        圖6 PID控制結果

        圖6 PID控制結果   下載原圖

        Fig.6 PID control result

        圖7 本文方法控制結果

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        Fig.7 The control result of the proposed method

        4 結論

        針對科氏質量流量計振動幅值控制問題,將測量管振動分為起振穩幅階段和干擾抑制階段,根據振動幅值誤差及誤差變化率,分別劃分特征狀態,構建特征狀態集;對于不同特征狀態,相應采取不同的控制策略,構建控制模態集;利用啟發式搜索和直覺推理,建立推理規則集,形成科氏質量流量計振動幅值的仿人智能控制方法;通過與PID控制的對比實驗分析,可得出以下結論:

        1)該方法采用磅-磅方式對科氏質量流量計進行起振控制,有效提高起振速度,較PID控制提速近40%;

        2)該方法采用多模態的仿人智能控制方法,在流量狀態和流體特性發生變化導致科氏質量流量計振動變化時,可快速響應進行模態切換,從而提高控制精度和響速度。

        科氏質量流量計的驅動控制是一個相對復雜的控制過程,本文方法為科氏質量流量計振動控制提供了一種新思路,實驗驗證了方法可行性,后續研究將應用本文方法的差分式科氏質量流量計在血液透析機上開展更多應用測試實驗。此外,科氏質量流量計驅動控制還涉及控制器與一次儀表(傳感器)的匹配、控制電路的相位延時以及受頻率、相位和幅值檢測精度影響,這些均可能影響控制效果,需進行系統研究。

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