基于參數自整定和模糊前饋的疏浚系統控制

，二永， ,

(1.河南理工大學 電氣工程及自動化學院，河南 焦作 454000； 2.黃河建工集團有限公司，鄭州 450045)

0 引言

抽砂船在疏浚工程中發揮著重要作用，主要用于江河、水庫和河道的淤積清理，以滿足內河航運的通航需求。在河道清淤施工中，如果河道與淤區距離較遠，一般由抽砂船抽吸河底泥漿，泥漿經多級泥漿泵和輸砂管道輸送至淤區。抽砂船的基本原理是通過射流水槍沖擊河底形成高濃度泥漿，再由大功率泥漿泵抽吸泥漿，然后通過管道輸送至指定位置。在整個抽砂工作過程中，泥漿濃度是系統的主要控制目標。泥漿濃度過低會降低系統輸送效率，提高輸送成本；反之，若濃度過高，泥漿泵負荷加重，設備磨損加劇，管道也容易產生淤堵，造成安全隱患。尤其在輸砂管道彎頭、上坡等位置泥漿所受阻力較大，當泥漿濃度過高時極易發生局部淤積，如不及時處理將會造成管道爆裂、泵體損壞等嚴重后果。盡管泥漿泵本身有過流保護電路，淤堵時能切斷電路以保護水泵，但會造成管道內泥漿流速急劇下降，進一步加重淤堵程度。因此，有效地控制泥漿濃度，既保持較高的輸送效率，又能保證工程安全穩定運行，是抽砂系統設計中需要解決的關鍵問題。

隨著儀表技術、通訊技術和計算機技術的飛速發展，抽砂施工工藝也在不斷進步，并逐步向自動化和智能化方向邁進，帶動了相關理論和技術研究的蓬勃開展。文獻[1]開發了抽砂船工況監控系統，可實現抽砂過程控制、功率管理和報警功能。文獻[2]提出了基于狀態空間模型的線性二次型控制策略，以生產率最大為目標對整個抽砂系統進行優化控制。文獻[3]根據土質變化建立抽砂過程模型，尋求使產量最大的工藝參數。以上文獻從不同角度提出了優化抽砂過程的控制策略，但都是基于靜態工況和理想假設條件下的問題求解，當應用于工況動態變化的實際工程中時，往往難以達到預期效果。本文在傳統PID控制的基礎上，采用參數模糊自整定的PID控制方法，同時結合模糊前饋控制，使系統可根據實際工況自動調節PID參數，并根據龍頭吸咀距河底位置給出合適的超前補償。仿真結果表明，本文提出的控制方案顯著提高了動態響應速度，在工況變化條件下有良好的適應性，具有較小的超調量，能更好地滿足實際抽砂工況下對系統各項性能的需求。

1 抽砂系統結構及控制需求

抽砂作業系統由龍頭、卷揚機、泥漿泵和輸砂管道組成，如圖1所示。龍頭頂端附近裝有水槍噴咀，可發出高壓水流沖擊河底泥沙，沖散的泥沙與水混合形成泥漿，在泥漿泵的作用下被龍頭頂端的吸咀吸入，經輸砂管道運送至下一級泵站。系統的控制目標是保持泥漿濃度穩定，以確保輸砂效率，同時減少設備損耗。泥漿濃度主要受龍頭吸咀與河底距離影響，當距離較近時，吸入的泥沙量大，泥漿濃度高；反之，當距離較遠時，泥漿濃度較低。實際中抽砂船通過電機帶動卷揚機控制龍頭升降，改變龍頭吸咀與河底位置，進而控制泥漿濃度。

圖1 抽砂系統施工結構圖

2 抽砂控制系統主要硬件模塊

抽砂控制系統硬件主要包括電流電壓傳感變送器、泥漿泵監控器、龍頭升降控制器、泥漿濃度控制器和智能主控器，如圖2所示。泥漿濃度控制器和龍頭升降控制器分別安裝在抽砂船泥漿泵控制柜和龍頭控制柜內部。各級泥漿泵均配有泥漿泵監控器，分別安裝在各泥漿泵控制柜內部，電流和電壓傳感變送器安裝在各泥漿泵電機電源進線上。泥漿濃度控制器和泥漿泵監控器內置無線模塊，與智能主控器通過GSM公網實現信息傳輸。

圖2 抽砂控制系統結構圖

抽砂控制系統運行過程中，智能主控器實時收集各泥漿泵監控器發來的數據，通過RS484總線上傳至監控計算機。同時，智能主控器接收監控計算機下發的控制指令和配置信息，向泥漿泵監控器和泥漿濃度控制器發出控制信號，控制龍頭升降和泥漿泵的啟停。系統具有過載保護功能，當管道內逐漸產生淤積時，泵實時功率會隨之上升，系統監測到泵實時功率超出預定值后，發出報警信號并適當提升龍頭，減小泥漿濃度，達到清理淤積物的目的。

2.1 泥漿泵電壓電流檢測模塊

泥漿泵運行過程中，電流和電壓傳感變送器實時采集泵電機電壓電流數據，通過電流環方式傳給泥漿泵監控器。泥漿泵監控器根據電壓電流數據計算泵實時功率，同時將計算數據通過無線模塊上傳至智能主控器。

電壓傳感器選用格林GL-DJU-500模塊(量程為0～500 V)，并聯在泥漿泵輸入兩相電源線之間。電壓傳感器將相間交流電壓轉換為4～20 mA電流后傳送給泥漿泵監控器。電流傳感器選用美控MIK-DJI-500模塊(量程為0～500 A)，將電機單相電流轉換為4～20 mA電流后傳給泥漿泵監控器，安裝時將單相電源線穿過電流傳感器的測試孔。因三相電機進線接有功率補償設備，電壓和電流傳感器安裝在功率補償設備和電機之間，以保證所測電壓和電流反映電機的真實運行值。

2.2 泥漿泵監控器

泥漿泵監控器選用巨控GRM201G-4D4I4Q，內置PLC控制器、繼電器、模擬量接口和GSM無線通信模塊，可實現PLC編程控制、模擬開關量輸入輸出和遠程無線通信功能。除位于抽砂船上的泥漿泵之外，其它各級泥漿泵均配有泥漿泵監控器。泥漿泵監控器模擬量接口接收電壓和電流傳感器傳來的4-20 mA電流信號，轉換成數字信號后存入存儲器，控制器對該信號進行換算濾波預處理后送至GSM無線通信模塊。GSM無線通信模塊工作在900 MHz，外置GSM吸盤鞭狀天線，負責將電壓電流數據通過GPRS網絡傳送至智能主控器。

2.3 龍頭升降控制器

龍頭升降控制器也選用巨控GRM201G-4D4I4Q。龍頭升降控制器接收泥漿濃度控制器發來的控制命令，控制龍頭上升和下降。龍頭控制器輸出上升和下降兩個開關信號，分別經繼電器隔離后，接入龍頭電機上升和下降接口。

2.4 泥漿濃度控制器

泥漿濃度控制器安裝在抽砂船上，兼有泥漿濃度控制和泥漿泵監控功能，選用巨控GRM201G-4D4I4Q實現。泥漿濃度控制器能根據當前濃度測量值和設定的控制算法，自動向龍頭控制器發出龍頭上升或下降指令以保證泥漿濃度恒定，還可接收智能主控器發來的緊急清管指令，當管道發生淤積時提升龍頭清理管道淤積物。

2.5 智能主控器

智能主控器選用GRM202G-4D4I4Q，在GRM201G-4D4I4Q的基礎上增加了RS485通信接口。智能主控器通過GSM無線通信模塊接收各泥漿泵監控器發來的電壓電流數據，經RS485接口送至監控計算機。監控計算機根據這些電壓電流數據計算各泥漿泵的實時功率，并與預設警戒值作比較，如超出警戒值則判定泥漿泵出口側管道出現淤積現象，于是向泥漿濃度控制器發出清管指令，降低泥漿濃度，按預定時間長度沖刷管道。管道沖刷結束后，監控計算機向泥漿濃度控制器發出龍頭下降指令，將龍頭降至正常工作位置，恢復常規運行。

管道發生淤堵時龍頭的上升幅度可以通過實驗方法確定。在實際應用中，預先通過實驗或根據經驗，確定發生淤堵時泥漿泵當前功率與所需龍頭上升幅度的對應關系，將該關系表存儲在監控計算機內。當出現淤堵時，監控計算機根據當前泥漿泵功率查表得出所需龍頭上升幅度，將其發送至龍頭控制器完成指定幅度的提升。

當發生淤堵時，距淤堵位置最近的上游方向的泥漿泵實時功率上升幅度最大，監控計算機可以據此信息判斷淤堵的大致位置。如果龍頭提升仍不能消除淤堵，可由人工在該位置附近定位淤堵并及時處理。

3 泥漿濃度控制器設計

泥漿濃度控制器是抽砂系統的核心單元，其通過調整龍頭垂直位置以保持泥漿濃度恒定，對穩定輸砂產量和保障系統安全運行都起著至關重要的作用。在抽砂過程中，隨著泥沙從河底持續被吸離排走，河床形態和水流狀況都在不斷變化，被控對象泥漿濃度特性也隨之改變，采用固定參數的PID控制策略難以達到理想效果。另外，當調節龍頭垂直位置時，受系統結構制約，龍頭位置的改變與泥漿濃度變化之間存在較大延時，單純采用負反饋模式的控制將產生較大滯后，影響控制系統的實時性。根據現場調研，泥漿濃度控制的滯后性是導致泥漿泵過載損壞和堵管爆管等生產事故的主要原因。

通過上述分析，抽砂過程是典型的模型參數時變且具有滯后性的被控對象，使用傳統PID控制方法存在明顯的局限性，需要根據被控對象的特性提出有針對性的改進方案。為解決抽砂系統參數時變和滯后對控制的不利影響，泥漿濃度控制器的設計采用參數自適應調整和前饋相結合的方式，由模糊自整定PID控制器和模糊前饋控制器兩部分組成，以下分別介紹各部分的原理和實現方法。

3.1 模糊自整定PID控制器

傳統PID控制器具有結構簡單、調試方便、通用性強等優點，在工業控制領域得到了廣泛應用。PID控制器的主要局限是對負荷變化劇烈、被控對象參數時變、非線性和大滯后系統的控制效果不佳。在這些情況下控制器參數整定的難度也較大，因為僅靠實驗或經驗整定的控制器參數往往只在一定范圍的工況條件下工作良好，難以適應被控對象特性隨時間的變化。對于非線性、不確定性和受多種因素影響的復雜系統，可以采用模糊控制器取代傳統PID控制器。模糊控制器具有較強的魯棒性和干擾抑制能力，可以充分利用操作人員積累的經驗和推理方法，對難以建立數學模型的復雜被控對象能提供更有效的控制手段。但模糊控制器也有穩態誤差較大，模糊規則設置不當易出現控制死區等問題。因此在實際應用中往往將模糊控制與PID控制相結合，以達到優勢互補，揚長避短的效果。模糊控制與PID控制的結合有多種方式，較常見的方式是由模糊控制器確定PID的參數，即模糊控制器根據預先定義好的模糊子集和推理規則，利用被控對象偏差和偏差變化實時計算和調整PID參數。采用這種方式，PID參數能跟隨被控對象特性變化進行自我優化，使PID控制器與被控對象始終處于良好的匹配狀態，達到較為理想的控制效果。

針對泥漿濃度對象參數隨工況不同而動態變化的特點，本文采用基于模糊規則的參數自整定PID控制器，其結構如圖3所示。該控制器接收泥漿濃度誤差e和誤差變化率e′為輸入，根據e和e′的變化情況和預設的推理規則，實時在線調整PID控制器參數kp，ki和kd，使PID控制器能及時適應工況條件變化，始終保持在最佳工作狀態。

圖3 抽砂控制系統結構圖

模糊控制器的設計主要包括模糊論域分級、隸屬函數選擇和模糊規則設定3個方面。模糊論域分級的作用是將輸入值轉換為模糊集合，論域分級數目越多，就更容易確定控制規則，但會增加計算和推理的工作量，增大硬件實現的難度；論域分級數目少，又將使模糊描述過于粗糙，控制效果變差。

根據正常施工條件下的監測數據范圍，結合精度要求和硬件約束，通過合理選擇量化因子，泥漿濃度誤差，誤差的變化率以及輸出的模糊論域都為{-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4}，模糊子集為{NB,NM,NS,0,PS,PM,PB}。

模糊規則的設定主要依據是抽砂船施工人員和相關專家總結的經驗，同時結合大量實驗數據做出適當調整。根據施工人員和專家經驗，可總結出PID控制器參數的調節規律為：

1)如果偏差較大，偏差變化率較小，說明龍頭偏離正常工況位置較遠，應主要調節kp，減小ki和kd，將龍頭快速移到合適位置，并避免超調。

2)如果偏差較小，偏差變化率較大，應主要調節ki和kd，減小kp。如偏差和偏差變化率符號相反，ki應設為較小值；如偏差和偏差變化率相同，ki應設為較大值。

3)如果偏差和偏差變化率均較大，應主要調節kp和kd，如二者符號相反，kp應取較小值，反之應取較大值。

4)如果偏差和偏差變化率均較小，則kp，ki和kd均應取較小值，避免超調和振蕩。

隸屬函數是模糊控制的語義規則，反映了人們對被控對象過渡過程的定性描述，主要用于輸入變量的模糊化和輸出變量的反模糊化。隸屬函數的形狀主要有三角形、梯形和高斯平滑型等。一般來說，隸屬函數曲線形狀越尖銳，控制靈敏度就越高，形狀越平緩，控制靈敏度下降，系統穩定性越好。為減小PID參數變化對控制系統的影響，模糊規則產生器的輸入輸出采用平滑型高斯隸屬函數，kp，ki和kd的模糊規則表如1～3所示。

3.2 模糊前饋PID控制器

以上設計的參數模糊自整定PID雖然解決了被控對象非線性條件下的自適應控制問題，但PID控制器仍屬于反饋控制，只有當偏差產生后才能產生校正作用，使控制存在一定的滯后。對于抽砂控制系統，泥漿濃度的變化存在較大的慣性，泥漿濃度的測量也存在一定的延時，如果僅使用PID控制器將產生較大的振蕩，振蕩持續時間也較長，對輸砂管道和泥漿泵造成長時間的沖擊，不僅增加了對設備的磨損消耗，降低設備使用壽命，而且故障率也會隨之升高，使系統穩定性下降。

表1 kp模糊規則表

表2 ki模糊規則表

表3 kd模糊規則表

如前所述，泥漿濃度主要受龍頭吸咀與河底距離的影響。實際中龍頭吸咀與河底距離通過龍頭頂端的超聲波傳感器測量。在施工過程中隨著泥沙的不斷吸走，吸咀下方的河床形態也在不斷變化，對泥漿濃度構成了主要干擾。采用模糊前饋控制器，可以根據吸咀與河床的動態變化輸出合適的龍頭升降補償量，與PID控制器的輸出相加得到最終的龍頭升降控制值。當龍頭吸咀與河床較遠時，模糊前饋控制器輸出負值，下降龍頭使之接近河床；反之則輸出正值，提升龍頭減少泥漿濃度。由于模糊前饋控制器通過直接檢測干擾給出超前補償，可使干擾在出現之初就及時得到抑制，大大提高了系統的抗干擾能力。根據現場工作人員經驗可知，當龍頭距河床較近時，泥漿濃度變化的靈敏度要高于距河床較遠的情況，即泥漿濃度變化靈敏度隨龍頭位置不同而改變。將龍頭吸咀與河床距離和龍頭升降量分別作為前饋控制器的輸入和輸出，設計模糊前饋控制器規則如下：

1)以當前龍頭吸咀與河床距離d決定龍頭升降變化率。對于相同的吸咀與河床距離變化△d，如果吸咀距河床較近，模糊前饋控制器輸出較大的△h，反之則輸出較小的△h。

2)以龍頭吸咀與河床距離的變化△d決定龍頭升降量△h的大小。

模糊前饋控制器的輸入輸出論域為{-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4}，模糊子集為{NB,NM,NS,0,PS,PM,PB}，隸屬度采用三角隸屬函數，其控制規則表如表4所示。

表4 模糊前饋控制規則表

4 仿真結果與對比驗證

在Matlab平臺上使用Simulink仿真驗證控制系統性能，同時與傳統PID控制器進行性能比較，其仿真結構圖如圖4所示。

圖4 控制系統仿真結構圖

1)龍頭吸咀距河床較遠時的工況。當龍頭吸咀距河床較遠時，泥漿濃度隨距離變化的靈敏度較小。如圖5所示，傳統PID控制方法雖然超調量較低(約為10%)，但需要120秒過渡時間到達穩態，且上升時間較長，約為43秒。自整定模糊前饋控制方法在過渡時間上要明顯少于傳統方法，約為60秒，且具有較快的響應速度，上升時間顯著縮短，約為22秒，說明對此工況變化具有較好的適應性。

2) 龍頭吸咀距河床較近時的工況。龍頭吸咀距河床較近時，泥漿濃度隨距離變化的靈敏度較大，龍頭位置變化會對泥漿濃度造成較大干擾。如圖6所示，傳統PID控制由于參數固定，無法適應泥漿濃度的非線性變化，出現了較大幅度的振蕩，超調量接近15%，過渡時間也顯著增加，約為140秒。自整定模糊前饋控制方法在超調量和過渡時間方面均明顯優于傳統PID方法，一方面得益于參數的自適應調節，另一方面則歸功于前饋控制器能夠根據干擾變化及時予以補償，提高了系統的動態性能。

圖5 龍頭吸咀距河床較遠工況下控制效果對比圖

圖6 龍頭吸咀距河床較近工況下控制效果對比圖

圖7 系統參數變化條件下控制效果對比圖

如圖7所示，系統參數變化后，傳統PID控制器由于不能調整自身參數，出現了較大的超調量，穩定時間也隨之增加。自整定模糊前饋控制則比較穩定，超調僅有少量提升，穩定時間也略有增加，說明在復雜工況變化情況下能保持良好的穩定性，具有較強的環境適應能力。

5 結束語

疏浚工程中抽砂系統具有較大的非線性和滯后特性，采用傳統PID控制在復雜工況條件下適應性較差，難以滿足系統對實時性、準確性和穩定性的要求。本文在傳統PID控制的基礎上，應用模糊控制技術，設計實現了參數可根據工況變化模糊調節的自整定PID控制器，以及可對主要干擾進行快速補償的模糊前饋控制器。經與傳統PID控制器的性能比較，具有超調量小，響應時間短，對復雜工況下被控對象特性變化有較強的適應能力，能有效補償河床形態變化引起的干擾，具有較好的應用推廣價值。