非线性水箱系统控制与故障检测方法研究

发布时间：2020-09-16 07:49

　　随着复杂工业系统的可靠性和稳定性要求越来越高,工业过程控制和故障检测技术已成为控制领域的研究热点之一。目前,针对线性系统控制和故障检测方法的研究已有较为成熟的理论和实践基础,而对于非线性系统控制和故障检测方法的研究还有很多问题需要解决,主要包括:(1)大多非线性系统控制及故障检测的理论研究还停留在仿真阶段,缺乏实际验证;(2)在诸多工业非线性控制应用中,由于成本或者空间的限制引入了无线测量仪表或执行器,在这种情况下,如何保证被控参数满足控制要求也是一个挑战;(3)现有的非线性系统故障检测方法还存在着检测的准确性和可靠性不够高等问题。鉴于以上考虑,本文针对非线性水箱系统的相关控制和故障检测问题进行研究,主要内容包括:(1)建立非线性水箱系统研究实验平台。为更好理论结合实践,让理论算法能够验证于实际系统而不仅仅停留在仿真阶段,搭建了一套非线性水箱实验平台,其中硬件平台包括球形水箱、无线液位变送器、气动调节阀、水泵及相关管路等。建立了DeltaV系统的软件平台,完成了控制程序的编写和组态应用软件的开发。在此基础上,基于机理建模方法得到非线性水箱系统的数学模型,并与实验数据进行对比,结果表明,所建立的非线性水箱模型与实际数据基本吻合。(2)针对无线测量条件下非线性水箱液位控制问题,设计了一种增强型的PID(PIDplus)控制器,并验证了其在处理无线控制问题时的优越性。与有线控制系统存在的测量滞后较小、测量变量定期更新的特点相比,基于无线的非线性控制系统中,测量更新周期较长、测量更新是非周期性,甚至存在丢包的可能,为克服这些问题对控制带来的影响,本文提出了一种改进的PID算法(PIDPlus),分别在仿真和实验环境下验证了PIDPlus算法相对于传统PID算法的优越性。(3)提出一种改进粒子滤波方法对非线性水箱系统的泄漏故障、传感器故障进行检测,实验表明改进方法与传统方法相比具有更好的检测效果。传统粒子滤波中,会出现粒子退化和样本贫化现象,这会影响故障检测准确率,针对该问题,本文提出了基于遗传算法改进的粒子滤波,使用遗传算法实现粒子滤波的重采样过程,有效地克服了粒子退化并增加了粒子多样性。最后,通过对泄露故障和传感器故障检测效果进行实验验证,结果表明改进粒子滤波算法更准确可靠。最后,对全文进行了总结,并提出了有待解决和探索的问题。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP273;TH17
【部分图文】：

涡街流量计,罗斯,实物,变送器

3 罗斯蒙特涡街流量计环境让有线仪表变得不除布线的困扰和成本。位变送器如图 2-4(a)所示器的两个点，一个测量，测得两端压差，通能强大，安装简便，可该变送器采用锂电池进定义，通讯范围为 22用，所以无线网关必不无线液位变送器数据b)所示，其有业内领先

液位变送器,无线网

图 2-3 罗斯蒙特涡街流量计实物图工业过程的恶劣环境让有线仪表变得不再适用，而无统的灵活性，免除布线的困扰和成本。为模拟使用无线平台采用无线液位变送器如图 2-4(a)所示，它是差压型液为：通过测量容器的两个点，一个测量点在容器底端液器顶端的气体中，测得两端压差，通过 = 计线液位变送器性能强大，安装简便，可将温度影响降低0%的响应时间。该变送器采用锂电池进行供电，其数据 60 分钟，用户自定义，通讯范围为 225 米。液位变送器的使用，所以无线网关必不可少，其能够将统连接，并完成无线液位变送器数据的通讯。本实验网关，如图 2-5(b)所示，其有业内领先的安全性、可扩

现场设备,总体结构

图 2-5 现场设备总体结构图系统软件平台系统应用比较广泛，且技术较为成熟。经其中监控层包括工程师站和操作员站，源、I/O 卡件等，如图 2-6 所示。(Deltav)，具体结构如图 2-7 所示。在监进行控制、配置、数据采集、检测的各能够监控和操作现场过程变量，必要时本参数如表 2-5 所示。表 2-5 工作站参数参数类型参数值内存 16GB硬盘 500GB

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