浅谈供水设备机械电气自动化人工智能控制技术

张振友

（山东东明石化集团有限公司，山东 菏泽 274500）

1 人工智能控制器算法

1.1 PID算法原理

PID 即 Proportional（比例作用）、Integral（积分作用）、Differential（微分作用）的缩写。PID 算法是控制领域应用最广泛的算法，对ID 算法原理图进行分析（如图1 所示），如果要调节供水设备的温度，那么首先需要设置一个输入目标，通过比例调节、积分调节、微分调节3 个步骤，对水体的温度进行控制，通过执行机构使得水温达到我们事先设计的值，该过程是通过测量元件进行控制的。PID 算法的功能在于其能够使水温迅速升高（通过比例、积分和微分的算法调节），并且将温度稳定在一个固定的值。

1.2 PID算法在人工智能控制器中的应用

在PID 算法的实际应用过程中，必须要考虑实际的散热问题，因为不同的材质有不同的散热效率，有的散热效率高，有的散热效率低[1]。另外，在加热到固定的温度，如30 ℃以后，水的余温、加热管道的余温也会让水再次升温，因此，并不能使水温达到一个稳定值，所以为了生产需要，就必须设置一个误差比例值p，并且每次按照最开始设置的Kp（比例系数）进行误差调整，从而达到水温稳定在30 ℃的效果。

例如，供水设备水温需要稳定在30 ℃，初始水温是10 ℃，将误差温度预设为1 ℃，那么，第一次的误差是30-10 ＝20（℃），需要升高的温度是Kp×20 ＝20（℃）。第二次的误差是30-20 ＝10（℃），需要升高的温度是Kp×10 ＝10（℃），以此类推。按照这一步骤进行操作，将会得到一条更加准确的测温曲线，但是这条测温曲线不是突然上涨，而是有一定的上升过程。

图1 PID 算法原理

1.3 基于PID算法对非线性过程进行控制

一般人工神经网络的算法很难保证其收敛性，因此，一般会使用非线性函数近似器。非线性函数近似器不需要确定研究对象的模型，就能对个别的研究对象建立模型并进行研究分析。PID 算法在遇到特殊问题，比如供水设备机械控制时，需要再次建立模型进行函数估算，不仅效率不高，而且也会影响系统的稳定性。因此，我们在设计人工智能控制器时，一般是在PID 算法的基础上进行改良，再对设备进行控制，原因是PID 算法很难控制算法的误差。

例如，按照PID 算法，输出＝P ＋I ＋D，如果减少I，静误差就很难消除，但是通过对该技术进行改良，采取一种非线性的计算方式进行计算，提升了算法的准确性。具体计算如下：输出＝P ＋I ＋D ＋∫I，（∫I：微分积分作用），考虑到参数之间互相影响，所以确定比例作用K1=I/t，微分作用K2=（I－I/t）D，（t：设定变化量），所以输出公式变为：输出＝P（K1+K2）+（I/M）∫（K1+K2），（M：子系统模型数值，∫（K1+K2）：比例作用与微分作用的积分范围），与最优PID 控制器进行对比分析，非线性函数近似器的上升时间是最优PID 控制器的1.5 倍，下降时间是最优PID 控制器的3.5 倍。非线性函数近似器的应用使得人工智能控制器可以解决一些常规方法难以解决的问题，并且具有很好的抗噪声干扰能力，对新技术和新数据的适应性较好，即使是机械配置较低，也能通过修改和扩展人工智能控制器来实现智能化控制[2]。

2 PID技术在恒压供水控制器中的应用

恒压供水AI 人工智能调节器的工作原理就是在水压一定的基础上，通过人工智能技术对供水系统进行控制和协同，实现用户用水的自动化管理，并且可以节省资源，实现效益的最大化[3]。对于压强的控制和对于温度的控制相同，因为存在时滞，所以系统的响应阶段会存在一定的振荡，动态性不高。因此，一般采用改进PID 技术和人工智能调节器进行模糊控制，如图2 所示。

控制开始过程，e=Y-s，|e|≥EM，误差较大，当误差逐渐变小，直到|e|＜EM时，变换控制对象，采用改进PID 算法，并消除积分饱和问题，达到最佳静态性系统值，就是输出量尽可能不失真的反映输入量。其中，s：给定值、e：误差、Y：输出，EM：设定值。

3 恒压供水AI人工智能调节器

3.1 系统组成

该系统由上位机组软件RSView32、压力传送设备、控制接触器组、AB 软启动设备、变频器、AI-808 人工智能调节器、阀门、水泵（380 V 低压电机，分别有355 kW 设备2台、220 kW 设备2 台、160 kW 设备1 台）等组成。

3.2 设备功能

电气自动化使工业流程向着自动化方向发展，人工智能技术可以实时监控电气设备的数据值，智能捕捉故障录波。大大提升了电气设备工作的安全性和稳定性，该文以恒压供水AI 人工智能调节器为例对其进行分析，恒压供水AI-808人工智能调节器的设备具体功能见表1。

表1 恒压供水AI 人工智能调节器设备功能

3.3 AI-808人工智能调节器工作原理

AI-808 人工智能调节器采用最新的人工智能技术，以数字校正系统为输入系统，采用改进PID 智能调节算法实现精准稳定控制，适用于各种场合。压力感应器将信息传导给AI-808 人工智能调节器，调节器自动与设定值进行比较并计算压力误差。结合PID 控制算法，将控制信号为4 mA ～20 mA的电流传导到变频系统的控制端，并根据水管要求对水流频率进行调节。如果用户的用水量增加，水泵的工作频率上升到一定值（一般为50 Hz）以后，如果还达不到一定的供水水压，就换水泵供水，如果用水量降低，则会自动停止某一或某几台水泵运行，这样就能实现小范围的自动化控制。

3.3.1 AI-808人工智能调节器技术规格

AI-808 人工智能调节器具体的技术规格见表2。

图2 改进PID 算法框图

表2 AI-808 人工智能调节器的技术规格

3.3.2 AI-808人工智能调节器人工控制说明

AI-808 人工智能调节器的调节仪表具有一定的自整定功能，并且无需用户超调，自整定时仪表盘的执行位式经过2 ～3 次振荡，机器计算出P、I 和dt（采样时间）参数，在一些特殊场合课将I 增加或减少50%，如果效果变好就继续向同方向调节，反之则向反方向调节。对系统响应曲线进行分析，如果振荡周期略长，则优先减少P，加大I 和dt，反之则优先加大I，加大P 和dt。如此一来就可以对复杂的对象进行良好的控制，工作人员只需要调整设备的实际参数即可。

3.4 水泵控制台工作原理

控制台有手动和自动2 种模式，在手动模式下，通过对多圈电位器进行调节，单独开启或关闭某一或某几个水泵，如果某一水泵需要维修，就可以采取这一模式退出运行序列。自动模式下需要工作人员使用开关控制运行的水泵。如果供水量上升，则通过压力感应开关增加水泵的运行数量，但是如果用户的需水量降低，则自动减少水泵的运行数量。

4 结语

总而言之，人工智能技术已经逐渐在城乡智能供水控制系统中得到广泛应用，其能有效改进传统的控制系统控制效率不高的问题。恒压供水系统是人工智能系统在供水中比较简单的应用，并且实践证明，普通的PID 算法不能满足水泵的压力控制需求，因此，在PID 算法的基础上进行改进，进行非线性模糊化控制，能有效提升工作效率，节省人力、物力，具有很高的实践应用价值。