模糊免疫自适应PID控制在封水泵流量控制中的应用

摘要：

为提高封水泵流量控制的智能化、稳定性和高效性，在分析封水泵工作原理的基础上，设计一种基于西门子的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller， PLC）的模糊免疫自适应比例积分微分（Proportion Integration Differentiation， PID）控制器.利用MATLAB对控制器仿真，结果表明该控制器具有较好的快速性、鲁棒性和稳定性，实际控制效果良好.

关键词：

封水泵； 流量控制； 模糊免疫； 比例积分微分（PID）； 可编程逻辑控制器（PLC）

中图分类号： U615.351； U664.58； TP273.2

文献标志码： A

0引言

封水泵通过向泥泵轴端和吸入端注水，防止泥泵工作过程中泥沙进入泵轴损坏泥泵.在实际施工过程中，随着泥泵转速及串并联工况的变化泥泵内部压力不断变化.为保证封水流量恒定，往往需要操作人员不停地调节封水泵转速，这使操作人员工作强度较大而且调节滞后性严重.目前控制封水泵的方法主要有高低两档调速和泥泵转速曲线拟合两种.高低两档调速虽然能满足封水流量的要求，但封水泵长时间工作在高功率输出模式下不利于节能减排，也会增加设备磨损.曲线拟合方法因不能区分泥泵串并联模式，在实际应用中受到很大限制.

为使封水泵控制更加自动化和智能化，即能根据封水流量的反馈值自动调整封水泵转速，进而调节封水流量至设定值，无须人为干预，本文引入模糊免疫自适应比例积分微分（Proportion Integration Differentiation， PID）控制方法对封水泵进行自动控制，通过模糊推理对PID参数进行自适应整定，达到灵活准确的控制目的[1].

1封水泵工作及控制原理

泥泵是挖泥船的核心疏浚设备之一.在工作过程中，泥泵壳内会产生很大的压力，泵壳内的泥沙可能会在高压作用下冲破泥泵轴端和吸入端的水封，进而损坏泵轴.

1.1封水泵工作原理

图1封水泵工作示意

封水泵安装在泥泵旁边，通过管路将清水注入泥泵轴端和吸入端，防止泥沙损坏泵轴，见图1.泥泵运转前需要先启动封水泵，在运转过程中需要不断调整封水泵转速使封水流量不低于设定值.

1.2封水泵控制数学模型

为保证泥泵正常工作，通常需要设定一个封水流量F′，封水流量与封水泵转速成正比例关系，通过调节封水泵转速可以调节封水流量.系统根据实际封水流量的反馈值F，通过PID整定，依据转速与流量的正比例关系控制封水泵的速度，进而达到控制封水流量的目的.封水泵控制模型见图2.

图2封水泵控制模型

2模糊免疫自适应PID控制

2.1控制器概述

PID控制作为一种高效稳定的控制方法广泛应用于工业控制中.常用的PID控制器有：常规PID控制器、模糊PID控制器、模糊免疫PID控制器.常规PID控制器仅静态控制参数，不适用于非线性和大时滞系统控制.模糊PID控制器运用模糊控制原理，可在线动态整定控制参数，在非线性和大时滞控制系统中得到良好应用.模糊免疫PID控制器引入生物免疫学原理，结合模糊控制方法在线自适应整定控制参数，在实际应用过程中其性能比模糊PID控制器更加优越.

2.2免疫反馈原理

根据文献[14]中对免疫系统的描述，生物免疫系统由

T细胞和B细胞组成[2].T细胞可以根据外来抗原的数量分泌TH细胞和TS细胞，TH细胞用于刺激B细胞生成，TS细胞用于抑制B细胞产生.[3]当外来抗原较多时分泌的TH细胞量增加，TS细胞量减少；当外来抗原较少时，分泌的TH细胞量减少，TS细胞量增加.B细胞可以分泌抗体，抑制外来抗原的数量.[4]生物免疫系统机理[5]见图3.

图3生物免疫系统机理

2.3模糊免疫自适应PID控制器设计

模糊免疫PID控制器是根据生物免疫系统机理设计出的一个非线性控制器.根据文献[56]中对免疫PID控制器的推导可知增量式免疫PID控制器的输出[6]