[发明专利]气液两相流管道控制装置及控制方法

权利要求书

1.一种气液两相流管道控制装置，包括压力变送器、流量变送器、PLC控制器、水泵、异步电动机、变频器、下位机和上位机，其中，所述的下位机包括显示器、微处理器和键盘，其中，所述的微处理器还包括有控制台输入输出端口，所述的上位机包括PC机，其特征在于：所述的下位机还包括第一ZigBee无线接收模块，所述的上位机还包括第二ZigBee无线接收模块，其连接关系如下：压力变送器采集端固定在气液两相流管道上，流量传感器采集端固定在气液两相流管道上，压力变送器的输出端连接PLC控制器的第一输入端，流量传感器的输出端连接PLC控制器的第二输入端，PLC控制器的通讯接口连接控制台输入输出端口的通讯接口，PLC控制器的第一输出端连接变频器的输入端，变频器的输出端连接异步电动机的输入端，异步电动机的输出端连接水泵的输入端，水泵的输出端固定在气液两相流管道进站端，所述的上位机与下位机通过ZigBee无线接收模块进行通讯，其中，第一ZigBee无线接收模块的输入输出端连接微处理器，第二ZigBee无线接收模块的输入输出端连接PC机。

2.采用权利要求1所述的气液两相流管道控制装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：下位机的微处理器通过控制台输入输出端口采集压力数据和流量数据；

步骤2：将步骤1采集的数据传递给上位机，由上位机对采集的数据进行处理，计算变频器频率输出值，采用改进的自抗扰控制方法进行控制，公式如下：

二阶跟踪微分即安排过渡过程的输出为

式中，V₁(t)为t时刻二阶跟踪微分器跟踪输入量V(t)所得的输出量；是V₁(t)的微分函数；V₂(t)为t时刻二阶跟踪微分器将输入量V(t)微分而得的输出量；是V₂(t)的微分函数；u为当前扰动量；r为速度因子决定跟踪速度；

将(1)式离散化处理得

V1(t+h)-V1(t)=h·V2(t)V2(t+h)-V2(t)=h·fst[V1(t)-V(t),V2(t),r,h0]---(2)]]>

式中，V₁(t+h)和V₂(t+h)为t+h时刻V₁(t)和V₂(t)的函数；h为采样步长，单位为秒；t为当前时间，单位为秒；h₀为滤波因子起到对噪声的滤波作用；fst[ΔV(t)，V(t)，r，h₀]为快速控制最优综合函数；

非线性组合的输出为：

U₀(t)＝β₁fal(e₁(t)，α₁，δ₁)+β₂fal(e₂(t)，α₂，δ₂)             (3)

fal(e,α,δ)=|e|αsgn(e),|e|>δeδ1-α,|e|≤δ,δ>0---(4)]]>

sgn(e)=1,e>00,e=0-1,e<0---(5)]]>

式中，U₀(t)为t时刻非线性组合的输出；β₁和β₂为偏差e₁和e₂的非线性组合输出的比例放大系数；e表示给定的跟踪微分输出与相应反馈的差值，又称作偏差，e₁(t)为t时刻跟踪偏差，e₂(t)为t时刻微分偏差；α为系统内部参数，α₁和α₂分别表示跟踪部分和微分部分的内部参数，其中α₁α₂≥1时是“光滑反馈”；α₁α₂＜1时是“非光滑反馈”；α₂α₂＝0时是“变结构控制”；δ为线性区间的大小，δ₁和δ₂分别表示跟踪部分和微分部分的线性区间大小；fal(e，α，δ)为关于e，α，δ的非线性函数；sgn(e)为e的符号判断函数；

三阶状态扩张观测器输出为

ϵ(t)=z1(t)-Y1(t)z1(t+1)=z1(t)+h(z2(t)-β01·ϵ)z2(t+1)=z2(t)+h(z3(t)-β02·fal((1+ΔC)·ϵ,α01,δ)+b0·U(t))z3(t+1)=z3(t)-h·β03·fal((1+ΔC)·ϵ,α02,δ)---(6)]]>

式中，ε(t)是t时刻状态观测器输出的偏差值；Y₁(t)是t时刻被控对象的输出值；z₁(t)是t时刻三阶状态扩张观测器给出对象状态变量的跟踪估计值；z₂(t)是t时刻三阶状态扩张观测器给出对象状态变量的微分估计值；z₃(t)是t时刻三阶状态扩张观测器对估计对象所有不确定模型和外扰的实时总和作用的输出；z₁(t+1)、z₂(t+1)、z₃(t+1)是t+1时刻下一过程的z₁、z₂、z₃函数；U(t)为t时刻作用在被控对象上的输入值；b₀为动态补偿装置中所含的参数补偿因子；α₀₁和α₀₂为三阶状态扩张观测器的内部参数；β₀₁、β₀₂、β₀₃为三阶状态扩张观测器对应反馈量的比例放大系数；ΔC为互相关反馈修正系数；

其中ΔC由下式计算而得

根据伯努利方程

gz+p(t)ρ+v2(t)2=C(t)---(7)]]>

式中，g表示重力加速度；z表示位置水头；p(t)表示t时刻流体压力；ρ表示流体密度；v(t)表示t时刻流体流速；C(t)表示t时刻总力学能；

式中，第一项gz表示单位质量流体所具有的动能，第二项表示单位质量流体所具有的压力使能，第三项表示单位质量流体所具有的动能，以上三种能量之和称为总力学能；

ΔC=C(t+1)-C(t)C(t)---(8)]]>

式中，C(t+1)为t+1时刻总力学能函数，

其它状态量的输出为：

e₁(t)＝V₁(t)-z₁(t)               (9)

e₂(t)＝V₂(t)-z₂(t)               (10)

U(t)=U0(t)-z3(t)b0---(11)]]>

步骤3：上位机将步骤2的结果传递给下位机；

步骤4：下位机的微处理器通过控制台输入输出端口将步骤2求得的频率输出值写入变频器；

步骤5：变频器通过写入的频率控制异步电机的转速；

步骤6：异步电机通过转速的改变来调节泵的输出，从而控制进站管道内气液两相流的流速和压力，执行步骤1。