一种四容水箱系统控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于自动控制领域，更具体地涉及一种四容水箱系统控制方法。
【背景技术】
[0002] 在工业控制领域，一些系统中不仅包含遵守物理学定律的连续动态部分，还包含 遵循一些复杂人为规则的离散事件动态系统部分，如机场交通管理系统、柔性生产线、大规 模通讯网络等，系统行为主要由离散事件而非连续变量决定，行为按照一定的逻辑规则进 行演化；一些系统中存在着大量具有离散特性的设备和器件，如PLC控制器、继电器、接触 器开/合、点位开关、阀门等等。这些系统具有一个共同点：即包含着连续动态过程，又包含 离散逻辑状态过程，而且连续部分和离散部分两部分之间相互联系、相互作用、错综复杂。 对这些系统的处理和研究，控制领域人员一般做法是重点考虑连续部分，简化考虑离散特 性，基于连续过程设计控制算法，由于现在对控制精度的要求提高，这种做法往往不能满足 期望的控制效果。对这类系统的研究，急需一套新的控制理论与方法，必须同时考虑连续过 程和离散过程以及相互作用所表现出的复杂动力学特性。
[0003] 实际生活当中也存在着混杂系统，最简单的例子比如室内的空调系统，空调主要 由温度调节装置和加热器组成。空调系统存在着连续和离散两种类型的变量：控制变量是 室内温度为连续动态变量；空调加热器的开/关运行模式是离散变量。加热器的开/关两 种模式决定着室内温度的上升/下降，即当加热器处于打开状态时，室内温度会随着时间 的变化而升高；处于关闭状态时，室内温度会随着时间的变化而降低。显然得出，室内温度 是随着时间以及加热器开关事件的发生而变化，而且离散事件的变化改变着连续变量（温 度）的变化。当室内温度上升到设定值或者下降到一定值时，加热器在关闭和打开两种状 态中切换，即连续变量的变化促使离散事件的变化。室内温度在空调系统的作用下不断的 上升和下降，交替进行，加热器的工作状态具有间歇性。可以看出，如果想要高效的控制室 内温度系统，必须考虑系统中温度变量和加热器状态的相互作用关系。
[0004] 在实际的工业系统中混杂系统普遍存在，根据系统具体的特点和类型，可将混杂 系统划分为几种典型的子类：集中控制型、水箱型、切换型、递阶型以及旅行商型。水箱型混 杂系统由阀门和多个水箱组成的系统，此类系统在实际工业系统中也有原型存在，如数据 通讯系统以及制造系统中的"缓冲器-处理器"结构，工件或数据的连续流动抽象为液体在 水箱中流动，数据控制和工件的调度抽象为阀门的开关。根据实验室条件，应用CS4000型 过程控制实验装置进行水箱型混杂系统的研究。
[0005] 四容水箱系统中包含了大量的连续变量（四个水箱的液位、各进水阀流量，出水 阀流量等）和离散事件（水箱结构的突变、进水阀的开/关、水箱出水阀的开度变化），并 且离散事件和连续变量相互作用和相互影响。
[0006] 现有技术只是根据实际液位值和设定值的误差大小进行调节，并没有考虑到离 散事件的发生对液位的影响。利用PID控制器进行调节后，控制效果不明显，电动调节阀需 要一段时间才能达到控制作用值，具有一定的延时性，液位有很大的震荡。为了复杂的四容 水箱系统能得到较好的控制效果，应研究新的控制方法，同时考虑离散事件和连续变量的 动态行为。
【发明内容】
[0007] 1、本发明的目的。
[0008]本发明的目的在于统一考虑四容水箱的连续变量和离散事件的相互影响，避免控 制过程中的模型失真问题，而提供一种四容水箱系统控制方法，比传统控制方法更准确地 对系统进行控制。
[0009] 2、本发明所采用的技术方案。
[0010]四容水箱系统控制方法，四容水箱的系统由四个水箱、液位检测装置、水泵、蓄水 池、电动调节阀和变频器组成，包含连续变量和离散变量，变量之间相互影响，每个水箱都 配有一个检测液位的压力传感器，水泵用来给水箱进行供水，电动调节电动调节阀通过调 节阀门开度来调节控制回路的水流量，变频器通过调节水泵的频率改变泵的出水量，其中2 个水箱有出水口，出水直接流入蓄水池，通过调节，蓄水箱为水箱提供用水；其中控制方法 为： 步骤（1)、根据被控对象的物理规律、定性知识、操作经验以及状态输入输出约束对系 统过程进行分割，连续变量状态系统利用微分方程或差分方程建模。
[0011] 步骤（2)、对系统中逻辑规则、专家经验、操作约束，选取二进制逻辑变量 5￡(1:0丨,建立简单或复合命题逻辑并转换为相应的混合线性不等式。
[0012] 步骤（3)、在系统的连续变量状态方程中添加合适的辅助变量，将描述系统的连续 变量和离散变量的相互关系命题逻辑转化为混合整数不等式组的形式； 步骤（4)、通过现场数据采集实时获取现场数据，将混杂预测控制算法仿真计算出控制 作用值控制程序中形成的相应控制位号，现场设备的液位信息能够通过实时数据服务器传 递到客户端中，在客户端的预测最优控制策略得到最优控制作用值，传递到组态软件中阀 门对应的位号中，作用到现场设备的阀门，控制现场设备。
[0013] 3、本发明的有益效果。
[0014] 与传统的PID控制相比，利用混杂系统理论的建模和控制方法，可将系统的所有 分段模型集成在一个统一的框架里，准确描述模型切换事件与连续动态过程的相互作用； 基于混杂系统模型的预测控制，可以处理含有大量约束条件的系统的控制问题，使系统的 连续和离散控制达到综合最优。
【附图说明】
[0015] 图1是基于MLD模型的混杂系统预测控制结构图。
[0016] 图2是四容水箱程对象原理示意图。
[0017] 图3是DCS与MATLAB基于0PC的通讯结构框图。
[0018] 图4是0PC客户端程序流程图。
【具体实施方式】 实施例
[0019] 四容水箱系统由四个水箱、液位检测装置、水泵、蓄水池、电动调节阀和变频器组 成，包含连续变量和离散变量，变量之间相互影响，每个水箱都配有一个检测液位的压力传 感器，水泵用来给水箱进行供水，电动调节电动调节阀通过调节阀门开度来调节控制回路 的水流量，变频器通过调节水泵的频率改变泵的出水量，其中2个水箱有出水口，出水直接 流入蓄水池，通过调节，蓄水箱为水箱提供用水；每个水箱最大的液位值为30cm，为防止水 溢出每个水箱都装有溢流管路，水位达到最大值时通过溢流管路流进蓄水箱。
[0020] 其中控制方法为： (1)建模过程 建立混杂系统的混合逻辑动态模型，首先要对被控对象中存在的动力学规律、操作约 束、操作经验以及先验知识等建立命题逻辑，然后将命题逻辑通过一定的规则转化为整数 线性不等式。命题逻辑I要引入逻辑变量6￡丨1:〇丨，即时，=f对，5=〇。对于 包含一组x…x,的复合命题I的真假，要验证命题I为真，是利用线性整数规划方法将 复合命题转化为一组4…堯逻辑变量组合的整数线性不等式。命题逻辑和整数不等式之间 的基本转换关系见表1。考虑到混杂系统中还包含连续变量和离散变量之间的相互作用，如 何描述两类变量之间的相互作用进行建模，就得处理连续函数与逻辑变量的关系，使其转 化为混合整数不等式。
[0021] (2)控制算法设计过程 参见图1，预测控制是一种结合预测模型、滚动优化和反馈校正于一体的控制算法。设 基于…范数形式的性能指标的优化控制问题为：
【主权项】
1. 一种四容水箱系统控制方法，其特征在于：四容水箱系统由四个水箱、液位检测装 置、水泵、蓄水池、电动调节阀和变频器组成，包含连续变量和离散变量，变量之间相互影 响，每个水箱都配有一个检测液位的压力传感器，水泵用来给水箱进行供水，电动调节电动 调节阀通过调节阀门开度来调节控制回路的水流量，变频器通过调节水泵的频率改变泵的 出水量，其中2个水箱有出水口，出水直接流入蓄水池，通过调节，蓄水箱为水箱提供用水； 其中控制方法为： 步骤（1)、根据被控对象的物理规律、定性知识、操作经验以及状态输入输出约束对系 统过程进行分割，连续变量状态系统利用微分方程或差分方程建模； 步骤（2)、对系统中逻辑规则、专家经验、操作约束，选取二进制逻辑变量 5 ￡ 建立简单或复合命题逻辑并转换为相应的混合线性不等式； 步骤（3)、在系统的连续变量状态方程中添加合适的辅助变量，将描述系统的连续变量 和离散变量的相互关系命题逻辑转化为混合整数不等式组的形式； 步骤（4)、通过现场数据采集实时获取现场数据，将混杂预测控制算法仿真计算出控制 作用值控制程序中形成的相应控制位号，现场设备的液位信息能够通过实时数据服务器传 递到客户端中，在客户端的预测最优控制策略得到最优控制作用值，传递到组态软件中阀 门对应的位号中，作用到现场设备的阀门，控制现场设备。
2. 根据权利要求1所述的四容水箱系统控制方法，其特征在于：所述的最优化控制策 略得到最优控制作用值采用基于OD范数形式的性能指标，通过求解混合整数线性规划问题
得到最优控制序列，根据滚动优化原I，只取当前时刻控制输入值，然后在线反复进行优化 过程。
3. 根据权利要求1所述的四容水箱系统控制方法，其特征在于：所述的连续变量为四 个水箱的液位、各进水阀流量，出水阀流量。
4. 根据权利要求1所述的四容水箱系统控制方法，其特征在于：所述的离散变量为水 箱结构的突变、进水阀的开/关、水箱出水阀的开度变化。
5. 根据权利要求1-4任一所述的四容水箱系统控制方法，其特征在于：每个水箱最大 的液位值为30cm，为防止水溢出每个水箱都装有溢流管路，水位达到最大值时通过溢流管 路流进蓄水箱。
【专利摘要】本发明公开了一种四容水箱系统控制方法，属于自动控制领域，四容水箱是一个典型的带有约束的混杂系统，水箱结构的突变和阀门的开关是离散事件。利用混合逻辑动态模型的建模方法将连续过程和离散事件集成在一个统一的框架里，准确描述离散事件与连续动态过程的相互作用；设计了基于范数的四容混杂系统的模型预测控制，应用OPC通讯完成MATLAB控制现场设备，实现MATLAB中预测控制策略作用到实际混杂系统中。本发明利用混杂系统理论的建模和控制方法，将系统的所有分段模型集成，准确描述模型切换事件与连续动态过程的相互作用；基于混杂系统模型的预测控制，处理含有大量约束条件的系统的控制问题，使系统的连续和离散控制综合最优。
【IPC分类】G05D9-12
【公开号】CN104750127
【申请号】CN201310747444
【发明人】孙瑜, 张玲
【申请人】南京理工大学常熟研究院有限公司
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2013年12月31日