一种风机系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及风力除尘领域，尤其涉及一种风机系统及其控制方法。


背景技术：

2.烟草企业生产车间的除尘风机大多采用变频技术且支持多点控制(一台除尘风机对应若干组卷接包机组)，为了满足生产工艺的要求，所以采用模糊控制的上位机就十分必要，模糊控制中的自适应是由一组连续(或离散)的时间子系统和作用在其中的切换规则组成的，是模糊控制中极其重要的内容之一。近年来，对自适应的稳定性方面的研究已取得了相当多的成果，同时，采用自适应模糊控制解决复杂系统中的非线性和不确定性问题同样得到了广泛的研究和应用。在风机系统中，模糊控制是否能够自适应，取决于系统的平衡点附近是否稳态(稳态响应)。因此，受控系统(简称风机系统)的稳定问题也是模糊控制中重要的问题之一，自适应稳定问题是对系统镇定常用的一种方法。一些系统使用t
‑
s模糊控制模型来模拟实际风机工况，虽然提出了应用于该系统的输入－输出传感器(以下简称输入—输出传感器传感器)的容错诊断及隔离方法，但没有考虑到控制过程中的时滞性和不确定性，因而容错率不强。一些系统采用的传统可靠控制方案都必须有一个必要假设，即未失效输入—输出传感器传感器部分(风机系统自带)必须能快速响应，这就对风机系统的控制环境、控制设备提出了更高的要求，这显然会增加设计成本，而且在有些情况下，输入—输出传感器传感器可能发生“严重失效”，即输入—输出传感器传感器不能完全镇定系统，导致因传感器失效而引起风机系统非稳态，这时这些传统的可靠控制设计方案将不再起作用。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种风机系统及其控制方法。用于解决在输入—输出传感器传感器失效和模糊控制状态下风机系统无法自适应控制的问题。
4.为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：一种风机系统的控制方法，该风机系统包括在风机系统包括多个传感器、风机和除尘管道，风机将除尘管道中的空气抽出，传感器包括用于检测风机系统是否处于稳定的传感器一、用于检测风机数据的传感器二、用于检测风量的传感器三和用于传递采集的风机系统数据的输入—输出传感器，传感器二安装在风机上，传感器三安装在除尘管道内，首先定义风机系统的切换策略方法，将风机的非线性系统和模糊系统结合起来，把不确定模糊系统作为切换系统的子系统，然后针对其所设计的切换策略设计自适应控制方法，得出与其匹配的自适应律；针对输入—输出传感器失效设计相应的自适应跟踪控制方法，得出带有跟踪效果的切换律，该控制方法的具体步骤如下：
5.步骤1)：初始状态下，风机系统在非线性控制状态下启动并且运行，当传感器一检测到风机系统处于非稳态时，风机系统执行切换策略方法，调节风机输出，将风机系统从非线性控制状态主动切换至模糊控制状态调节；调节完成后风机系统切换至非线性状态下运
行；
6.步骤2)：当风机系统在模糊控制状态下无法自适应调节时，执行自适应控制方法或与其匹配的自适应律；模糊控制状态下调节完成后，风机系统主动切换至非线性控制状态下；
7.步骤3)；当输入—输出传感器失效使风机系统处于非稳定状态时，风机系统执行自适应跟踪控制方法或与其匹配的自适应律，使自适应控制方法仍然有效；模糊控制状态下调节完成后，风机系统主动切换至非线性控制状态下。
8.作为优选，所述切换策略方法包括，在非线性控制状态下，定义在模糊控制状态下，定义：或；其中η(t)表示相模切换峰值，ω(t)表示风机当前时刻的角速度，v(t)表示风机当前时刻转速，q(t)表示风机当前时刻风量，t表示风机运行时间，其中，c(t)表示风机状态，c’(t)表示风机叠加状态；e为常数；定义，非线性控制状态下，输出的相模切换峰值η(t)﹤﹤0，输出的风机叠加状态c’(t)>0；在非线性控制状态下，当风机系统处于非稳定状态时，通过调节风机输出，相模切换峰值η(t)逐渐增大，当相模切换峰值η(t)>>0，风机叠加状态c’(t)<0时，风机系统主动切换至模糊控制状态。如此设置，风机系统自带的传感器有时无法做到瞬时相应，通过切换策略方法，为风机系统提供模糊控制状态，从而降低了风机系统在运行时的时滞和不确定性，从而降低风机系统崩溃的概率。
9.作为优选，当风机叠加状态c’(t)输出为零，风机系统在模糊控制运行状态下无法自适应调节。如此设置，能够清晰的表达出风机系统是因为处于临界点(风机叠加状态c’(t)输出为零)而导致风机系统处于非稳态，方便对风机系统做出调整。
10.作为优选，所述自适应控制方法包括，重新定义其中表示切换函数，b表示阈值；定义其中表示系统运行中出现失效的全体切换值集合，k表示切换因子。
11.作为优选，所述自适应控制方法还包括与其匹配的自适应律为：其中ε为偏倚系数(一般取正常数)，为切换函数的转置函数，u(t)称为自适应函数。
12.作为优选，风机系统处于非稳定状态下，判断输入—输出传感器是否失效的方式为：当η(t)＝{
‑
∞,...,0.1,0.2}，表示在系统运行中不出现输入—输出传感器失效的全体切换值集合，或成立时，表示在风机系统在运行中出现输入—输出传感器失效，其中表示η(t)的反函数。如此设置，能够清晰的表达出风机系统是因为输入—输出传感器失效而导致风机系统处于非稳态，方便对风机系统做出调整。
13.作为优选，所述自适应跟踪控制方法包括，当η(t)≠0并且η(t)趋向于1时，定义：
其中，α、β、γ分别表示风机各参数的跟踪系数，σ(t)表示跟踪函数，d表示偏倚值，并且重新定义：当η(t)>>1并且η(t)≠0时，定义并且如此设置，在方法中添加了σ(t)这个跟踪函数后，风机叠加状态c’(t)发生了变化，σ(t)在算式中起到了影响因子的作用，这种影响也包含了对风机状态的跟踪，而σ(t)作为跟踪函数实际上是由风机当前时刻转速v(t)，风机当前时刻风量q(t)与风机当前时刻的角速度ω(t)这三个风机基本参数的叠加变化所产生，也可以视为对风机的基本参数在运行过程中非线性变化(叠加)所进行的跟踪观察；从而可以更加精准的对风机系统做出调整，使得风机系统更加稳定。
14.作为优选，所述自适应跟踪控制方法还包括与其相匹配的自适应律为：其中u’(t)表示带有跟踪控制的自适应函数。
15.基于上述控制方法的一种风机系统，该风机系统还包括上位机和下位电控系统，下位电控系统包括切换控制电路、plc控制器和上述输入—输出传感器；上位机与plc控制器电连接，输入—输出传感器与plc控制器电连接，切换控制电路与plc控制器电连接，用于采集风机系统数据的多个传感器与上述输入—输出传感器电连接。
16.作为优选，风机为变频风机。
17.本发明的技术方案区别于传统的控制方法的是，本方案中的风机系统将非线性控制和模糊控制相结合，两者交替运行，把模糊控制作为的子系统，这样可以降低风机系统在运行过程中的时滞性和不确定性，减小风机系统的故障率，提高风机系统的稳定性；根据造成风机系统处于非稳态的原因，进而设计自适应控制方法和在适应跟踪控制方法，并且设计与上述两种自适应方法相匹配的自适应律，这样使风机系统可以清晰的判断出使其处于非稳态的原因，进而快速响应并使风机系统保持稳定输出，从而降低风噪、紊流、震动的发生概率，增加风机系统的使用寿命。通过自适应跟踪控制方法，提高风机系统对输入—输出传感器的容错率，并为之后的检修提供方向和足够的时间。
附图说明
18.图1为风机系统处于临界点或临界点附近的情况下，未执行本发明的相模切换峰值η(t)输出的仿真示意图一；
19.图2为风机系统处于临界点或临界点附近的情况下，未执行本发明的模切换峰值η(t)输出的仿真示意图二；
20.图3为风机系统处于临界点或临界点附近的情况下，执行本发明后的相模切换峰值η(t)输出的仿真示意图三；
21.图4为风机系统处于临界点或临界点附近的情况下，执行本发明后的相模切换峰
值η(t)输出的仿真示意图四；
22.图5为输入—输出传感器失效情况下，未执行本发明的相模切换峰值η(t)输出的仿真示意图五；
23.图6为输入—输出传感器失效情况下，未执行本发明的中相模切换峰值η(t)输出的仿真示意图六；
24.图7为输入—输出传感器失效情况下，执行实本发明后的中相模切换峰值η(t)输出的仿真示意图七；
25.图8为输入—输出传感器失效情况下，执行本发明后的相模切换峰值η(t)输出的仿真示意图八；
26.图9为风机系统的结构示意图一；
27.图10为风机系统的结构示意图二；
28.附图说明：在附图1
‑
8中，图框中上下两侧横轴表示模糊控制状态下相模切换峰值η(t)的数值；图框中左右两侧的纵轴表示非线性控制状态下相模切换峰值η(t)的数值。
29.附图标记：1、变频风机；2、下位电控系统；3、上位机；4、负压传感器；5、速度传感器；6、输入—输出传感器；7、plc控制器；8、切换控制电路。
具体实施方式
30.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
31.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
32.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。
33.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示
(t)>0；在非线性控制状态下，当风机系统处于非稳定状态时，通过调节风机输出，相模切换峰值η(t)逐渐增大，当相模切换峰值η(t)>>0，风机叠加状态c’(t)<0时，风机系统主动切换至模糊控制状态。需要说明的是，风机系统调节完成后，风机系统切换至非线性控制状态。输入—输出传感器失效的判断方式为：风机系统在非线性控制状态下，当η(t)＝{
‑
∞,...,0.1,0.2}，表示在系统运行中不出现输入—输出传感器失效的全体切换值集合，或成立时，表示在风机系统在运行中出现输入—输出传感器失效，其中表示η(t)的反函数。本实施例中，执行切换策略方法时的定义程序片段如下：
[0041][0042]
如图1所示，风机系统在非线性控制状态和模糊控制状态下的相模切换峰值η(t)均呈递增趋势时，两种运行状态下的相模切换峰值η(t)出现交点，交点则为平衡点或临界点，此时风机系统的此时风机叠加状态c’(t)输出为零；如图2所示，风机系统在非线性控制状态和模糊控制状态下的相模切换峰值η(t)均呈递减趋势时，两种运行状态下的相模切换峰值η(t)出现交点，交点则为平衡点或临界点，此时风机系统的此时风机叠加状态c’(t)输出为零。而在临界点附近，风机由于变频特性导致风机系统无法对其运行状态进行识别，风机系统虽然已经从非线性控制状态切换至模糊控制状态，但模糊控制状态下无法自适应，久而久之，风机系统由于无法长时间镇定，容易引起风噪、紊流、能耗上升等问题。本实施例中，为了保证风机系统在运行状态切换时平衡点或临界点附近保持稳态，所以设计了自适应控制方法和与其比配的自适应律。所述自适应跟踪控制方法包括，重新定义其中表示切换函数，b表示阈值；定义其中表示系统运行中出现失效的全体切换值集合，k表示切换因子。根据所述自适应控制方法可以得出与其匹配的自适应律：其中，ε为偏倚系数(一般取正常数)，为切换函数的转置函数，u(t)为自适应函数。本实施例中，当风机系统执行自适应控制方法或自适应律后，在平衡点或临界点附近时风机系统可以自适应调节，如图3和图4所示，在平衡点或临界点附近风机叠加状态c’(t)以正态曲线的形式输出，说明整个风机系统处于稳定的状态。
[0043]
当风机系统中的输入—输出传感器失效时，会导致风机系统处于非稳定状态：因为一旦输入—输出传感器失效，就会直接造成风机当前运行状态(无论是非线性状态还是模糊控制状态)失真或不可控，并且输入—输出传感器作为风机系统前端的控联设备，其层级比自适应控制方法要低，前端设备失效必定引起后端设备失效。如图5和图6所示，输入－输出传感器出现失效时，无论风机系统处于那种运行方式中都无法完全采集风机系统的相应数据，造成图中非线性控制状态和模糊控制状态下相模切换峰值η(t)所形成的线段断断续续，进而在临界点处风机叠加状态c’(t)呈现出断断续续曲线或不规则线段，造成的风机
系统非稳态输出。本实施例中，在输入—输出传感器失效的情况下，风机系统切换至模糊控制状态，通过执行自适应跟踪控制方法或与其匹配的自适应律，使风机系统处于稳定状态。所述自适应跟踪控制方法包括，当η(t)≠0并且η(t)趋向于1时，定义：其中，α、β、γ分别表示风机各参数的跟踪系数，σ(t)表示跟踪函数，d表示偏倚值，并且重新定义当η(t)>1并且η(t)≠0时，定义并且与自适应跟踪控制方法相匹配的自适应律为：其中u’(t)表示带有跟踪控制的自适应函数。在执行自适应跟踪控制方法时的定义程序片段如下：
[0044][0045]
在本实施例中，如图7和和图8所示，在执行自适应跟踪控制方法或与其匹配的自适应律后，带有跟踪控制的自适应函数u’(t)构造出为一条大于零并且趋向于正无穷大的拟合曲线，这就可以使风机运行状态在临界点或临界点附近即使输入—输出传感器6传感器已经发生“严重失效”的情况下，自适应控制方法仍然有效，风机叠加状态c’(t)始终保持输出正态。需要说明的是，先将风机系统的运行状态切换至模糊控制状态，在模糊控制状态下执行所述自适应跟踪控制方法或带有跟踪效果的自适应律；待风机系统调节完成后，切换至非线性控制状态。如此设置，在执行自适应跟踪控制方法或与其匹配的自适应律后，不仅提高了风机系统的稳定性和容错率，提高风机系统的使用寿命；而且在稳定输出的同时，为风机系统的维修提供更多的时间。
[0046]
实施例2
[0047]
应用实施例1所述的一种风机系统控制方法的风机系统，本实施例中，如图9和图10所示，风机系统还包括除尘风管9、上位机3和下位电控系统2，下位电控系统2包括切换控制电路8、plc控制器7和上述输入—输出传感器6；上位机3与plc控制器7电连接，输入—输
出传感器6与plc控制器7电连接，切换控制电路8与plc控制器7电连接。本实施例中，风机为变频风机1，采用西门子高压鼓风机，内含漩涡真空泵，提供工业除尘需要的负压空气；下位电控系统2包括切换控制电路8，用来实现除尘风机物理层运行模式的相互切换，用来适应两种模式之间顺畅切换；上位机3，采用工业控制电脑，它包括本发明所阐述的切换策略方法所对应的软件程序，用来实现下位电控系统2底层逻辑运行的程序代码和上层算法运行的程序代码；传感器三为负压传感器4，负压传感器4安装在除尘风管9内，采用helm高精度感测元件，具有检测精度高、性能稳定可靠、抗过载能力强和响应快等特点；传感器二为速度传感器5，速度传感器5安装在风机上，采用霍尼韦尔光电式线速度传感器5，可非接触直接检测风机轴的线速度运行情况，具有检测精度高、体积小、防水防尘、抗震动、抗冲击和温度稳定性高等特点；输入—输出传感器6，采用四位标准串行输入接口和四位标准串行输出接口，具有将模拟信号转化为数字信号，并且具有自动报警、信号零延迟等功能；plc控制器7，采用西门子step
‑
s7300型可编程控制器，具有耐振动和抗污染且维修方便、体积小和扩展性强等特点。
[0048]
风机系统具体的实行步骤为：变频风机1首先以非线性模式运行，负压传感器4和速度传感器5同时工作，检测风机当前转速、风量等物理特性，然后将这些物理特性传输给下位电控系统2内的输入—输出传感器66并生成i/o信号，此时plc控制器7采集i/o信号后再传输至上位机3，接着由上位机3根据i/o信号并执行切换策略的程序，根据程序运算结果输出的趋向来决策风机是运行在非线性状态还是运行在模糊控制状态，最后由上位机3将决策信号再传输至plc控制器7，由plc控制器7指令切换控制电路8运行，使风机系统在物理层上完成运行模式的相互切换。
[0049]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0050]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。