一种科氏流量计振动幅值的仿人智能控制方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 104236651 A (43)申请公布日 2014.12.24 C N 1 0 4 2 3 6 6 5 1 A (21)申请号 201410354288.2 (22)申请日 2014.07.19 G01F 1/84(2006.01) G05B 19/042(2006.01) (71)申请人中国人民解放军后勤工程学院 地址 401311 重庆市沙坪坝区大学城后勤工 程学院 (72)发明人涂亚庆 杨辉跃 (54) 发明名称 一种科氏流量计振动幅值的仿人智能控制方 法 (57) 摘要 本发明涉及流量检测领域，公开了一种科氏 流量计振动幅值的仿人智能控制方法，将科氏流 量计。

2、测量管振动分为启振稳幅阶段和干扰抑制阶 段，根据振动幅值与给定幅值的误差及误差变化 趋势划分启振稳幅振动为5个特征状态，划分干 扰抑制振动为3个特征状态；针对8个不同特征 状态，模仿人类控制经验构建8种对应的控制模 态；运用直觉推理，根据当前测量管振动的特征 状态选择相应控制模态，输出幅值增益。本发明的 有益技术效果为：有效地提高了科氏流量计启振 速度和响应速度，增强了振动的稳定性。 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 (10)申请公布号 CN 104236651 A C。

3、N 104236651 A 1/2页 2 1.一种科氏流量计振动幅值的仿人智能控制方法，该方法包括：将测量管振动分为启 振稳幅阶段和干扰抑制阶段，根据测量管振动信号幅值、偏差和偏差变化趋势分别构建振 动特征状态集 1 ， 2 ；针对不同的特征状态构建相应控制模态集 1 ， 2 ； 拾取测量管振动信号特征，辨识当前振动状态，运用直觉推理采取相应控制模态，输出振动 幅值控制量u n 。 (1)特征状态集 1 ， 2 其中， 1 ：启振稳幅阶段振动信号幅值的特征状态集； 2 ：干扰抑制阶段振动信号幅值的特征状态集； e：振动信号幅值与预定幅值的误差； 振动信号幅值与预定幅值的误差变化率； e 1 、。

4、e 2 、e 3 ：幅值误差阈值； a、b：幅值误差变化率阈值； (2)控制模态集 1 ， 2 其中， 1 ：启振稳幅阶段的控制模态集； 2 ：干扰抑制阶段振动的控制模态集； u n ：控制幅值输出； e m，i ：幅值误差极值； sgn(e n )：取e n 符号； U max ：最大幅值输出； 权 利 要 求 书CN 104236651 A 2/2页 3 K p1 、K p2 、K p3 ：比例控制系数； K d1 、K d2 ：微分控制系数； K i1 ：积分控制系数； (3)直觉推理规则集 k ： 1 ， 2 ， k THEN ij 其中， k ：特征状态到控制模态的一一映射，k1，2。

5、，8；i1，j1，2，3，4，5；i 2，j1，2，3。 权 利 要 求 书CN 104236651 A 1/5页 4 一种科氏流量计振动幅值的仿人智能控制方法 技术领域 0001 本发明涉及流量检测领域，为一种科里奥利质量流量计(简称科氏流量计)中振 动幅值的仿人智能控制方法，模仿人类智能设计控制器对科氏流量计的振动幅值进行快速 稳定控制。 背景技术 0002 流量是工业过程控制中重要的检测参数，科氏流量计作为一种直接式质量流量 计，具有非接触检测、检测精度高、流体适用范围广及多参数检测等一系列优越性能，广泛 应用于石油、化工、食品、医药等领域。 0003 科氏流量计通过计算两路测量管振动信。

6、号的时间差来检测质量流量，测量管的快 速启振和稳幅振动性能严重影响科氏流量计检测精度。模拟方法采用滑动变阻器、压控放 大器等模拟元器件调节驱动电流，实现振动幅值控制。然而，在流量开始或结束阶段以及气 液两相流等情况下，测量管中流体的有效质量不恒定，导致测量管阻尼比发生变化，此时模 拟驱动方法因控制算法简单、响应速度慢、电路复杂，存在温度漂移和时间漂移问题，无法 维持测量管振动幅值的稳定性，导致流量检测精度下降，甚至造成测量管停振而无法产生 测量数据。因此，近年来科氏流量计振动幅值的数字控制技术正逐渐发展。 0004 科氏流量计振动幅值控制主要采用以P算法和PI算法为基础的PID调节，具 有实现。

7、简单、鲁棒性好、可靠性高的特点，但不能在线整定参数，在对模型复杂、具有非线 性时变特点的科氏流量计测量管振动进行幅值控制时，不同程度地存在启振时间较长、 超调较大、振动不稳定等问题。英国牛津大学研究了一种非线性幅值控制方法(CLARKE D W.Non-linear control of the oscillation amplitude of a coriolis mass-flow meterJ.European Journal of Control.1998.4：196-207)，其核心思想是通过对振动 信号幅值和给定幅值取自然对数，扩大控制量的调节范围，提高控制精度，取自然对数可使 幅。

8、值偏差比单纯相减更大，从而加强控制调节效果，缩短了启振时间，加快了响应速度。针 对非线性幅值控制中因积分饱和而产生超调现象，合肥工业大学徐科军等(李祥刚，徐科 军，朱永强.非线性幅值控制算法中2中PI控制器的比较J.合肥工业大学学报，2009， 32(11)：1665-1668，1690.)在非线性幅值控制算法中采用了积分分离的PI控制器和积分 限幅的PI控制器。积分分离的PI控制器在偏差较大时，只让比例控制起作用，以快速减少 偏差；在偏差较小时，再让积分控制起作用。两种PI控制器体现了一定智能特性，有效提 高了控制性能，但积分分离的判断值很难选取，且结果受阻尼比 变化的影响；采用积分限 幅P。

9、I控制器可较好解决积分饱和、产生超调的问题，但启振时间延长了。文献(苏奋华，涂 亚庆，张海涛.科氏流量计驱动系统模糊PID控制器设计及仿真J.仪表技术与传感器， 2009，9：64-67.)设计了基于模糊PID的科氏流量计振动幅值控制方法，实现PID控制参数 的在线自整定，改善测量管振动性能。 发明内容 说 明 书CN 104236651 A 2/5页 5 0005 本发明公开了一种科氏流量计振动幅值的仿人智能控制方法，以克服现有技术不 足，实现测量管的稳幅振动，一定程度提高科氏流量计测量精度。该方法通过总结和模拟人 的智能控制经验、技巧和直接推理能力，将测量管振动过程分为启振稳幅阶段和干扰抑。

10、制 阶段，在不同阶段根据振动信号幅值、偏差和偏差变化趋势确定相应控制策略。 0006 本发明的技术方案：一种科氏流量计振动幅值的仿人智能控制方法包括振动信号 幅值特征状态集、控制模态集以及直觉推理规则集。 0007 (1)特征状态集 1 ， 2 0008 0009 其中， 1 ：启振稳幅阶段振动信号幅值的特征状态集； 0010 2 ：干扰抑制阶段振动信号幅值的特征状态集； 0011 e：振动信号幅值与预定幅值的偏差； 0012 振动信号幅值与预定幅值的偏差变化率； 0013 e 1 、e 2 、e 3 ：幅值偏差阈值； 0014 a、b：幅值偏差变化率阈值； 0015 (2)控制模态集 1 ，。

11、 2 0016 0017 其中， 1 ：启振稳幅阶段的控制模态集； 0018 2 ：干扰抑制阶段振动的控制模态集； 0019 u n ：控制幅值输出； 0020 e m，i ：幅值偏差极值； 0021 sgn(e n )：取e n 符号； 0022 U max ：最大幅值输出； 0023 K p1 、K p2 、K p3 ：比例控制系数； 0024 K d1 、K d2 ：微分控制系数； 0025 K i1 ：积分控制系数； 0026 (3)直觉推理规则集 0027 k ： 1 ， 2 ， k 0028 THEN ij 说 明 书CN 104236651 A 3/5页 6 0029 其中， k。

12、 ：特征状态到控制模态的一一映射，k1，2，8；i1，j1，2，3， 4，5；i2，j1，2，3。 0030 本发明与现有方法相比的优点在于： 0031 (1)本发明在启振阶段采用磅-磅控制，当偏差值大于某一阈值e 1 时，直接输出最 大控制幅值，使测量管振动幅值快速调整到预定幅值，相比于普通PI控制方法，无需积分 过程即可实现最大输出，极大缩短了启振时间。 0032 (2)本发明采用多模态控制方式，即根据振动信号幅值、偏差和偏差变化趋势等 不同的特征状态信息采用不同控制策略，在振动状态发生改变时迅速切换到相应的控制模 态，使得控制更具针对性和灵活性，加快了响应速度，特别在幅值偏差有变大趋势时。

13、，能及 时采取相应措施，把偏差控制在较小的范围内，从而增强振动稳定性，提高了抗干扰能力。 0033 (3)本发明可采用数字芯片实现，使用器件更少，且避免了因使用模拟器件造成的 噪声干扰，减少了噪声源，具有较强的抗干扰能力。 附图说明 0034 图1为科氏流量计振动信号曲线。 0035 图2为本发明偏差相平面图。 0036 图3为本发明控制结构图。 0037 图4为本发明控制流程图。 具体实施方式 0038 以下结合附图对本发明作进一步说明： 0039 若科氏流量计测量管振动的预定幅值为A 0 ，实际振动幅值为A(t)，定义幅值偏差e A(t)-A 0 ，幅值偏差变化率设幅值偏差阈值e 1 、e。

14、 2 、e 3 ，其中e 1 e 2 e 3 0， 幅值偏差e|e 2 |为可接受偏差范围，用e m，n ，n1，2表示幅值偏差极值。 0040 如图1所示为科氏流量计振动信号曲线，图2所示为振动信号幅值偏差相平面。根 据幅值偏差极值e m，n 的大小将科氏流量计测量管振动分为启振稳幅阶段和干扰抑制阶段， 若|e m，n |e 2 ，则为启振稳幅振动，此阶段主要控制目的在于减小振动幅值偏差到可接受范 围内；若|e m，n |e 2 ，则为干扰抑制阶段，此阶段主要控制目的在于减小振动幅值波动。根 据振动信号幅值偏差e及偏差变化率，将启振稳幅阶段分为5种特征状态，对应图1和图2 中1-1、1-2、。

15、1-3、1-4、1-5区域，将干扰抑制阶段分为5种特征模态，对应图1和图2中2-1、 2-2、2-3区域。2类8种特征状态构成特征状态集 1 ， 2 。 0041 0042 其中， 1 ：启振稳幅阶段振动信号幅值的特征状态集； 说 明 书CN 104236651 A 4/5页 7 0043 2 ：干扰抑制阶段振动信号幅值的特征状态集； 0044 e：振动信号幅值与预定幅值的偏差； 0045 振动信号幅值与预定幅值的偏差变化率； 0046 e 1 、e 2 、e 3 ：幅值偏差阈值； 0047 a、b：幅值偏差变化率阈值； 0048 参见图2，在不同的特征状态采用相应的控制策略： 0049 在启。

16、振稳幅阶段： 0050 (1)状态对应区域1-1，偏差|e|e 1 ，采取磅-磅控制，使流量计尽快启振； 0051 (2)状态对应区域1-2，振动幅值趋向预定值，偏差逐渐减小，但偏差减小速度 小于预定速度，即此时采用比例-积分控制模态； 0052 (3)状态对应区域1-3，振动幅值趋向给定值，偏差减小速度大于预定速度时， 即在比例控制的基础上，引入弱微分模态，形成比例-微分控制模态； 0053 (4)状态对应区域1-4，偏差减小过程中，幅值正常趋向预定值，即 采用保持控制； 0054 (5)状态对应区域1-5，振动幅值远离预定值，偏差增大，采用比例加强微分控 制模态； 0055 在干扰抑制阶段。

17、，偏差在可接受范围内，但为提高振动稳定性，采用以下控制策 略： 0056 (1)状态对应区域2-1，偏差在可忽略范围内，即|e|e 3 ，此时采用稳态保持 的控制模态； 0057 (2)状态对应区域2-2，偏差不可忽略但仍在可接受范围内，且呈增大趋势，即 e 3 |e|e 2 且，采用极值保持加弱微分的控制模态； 0058 (3)状态对应区域2-3，偏差不可忽略但仍在可接受范围内，且呈减小趋势， 即，e 3 |e|e 2 且，采用极值采样保持加弱积分的控制模态； 0059 根据上述控制策略，构建控制模态集 1 ， 2 0060 0061 其中， 1 ：启振稳幅阶段的控制模态集； 0062 2 。

18、：干扰抑制阶段振动的控制模态集； 0063 u n ：控制幅值输出； 0064 e m，i ：幅值偏差极值； 0065 sgn(e n )：取e n 符号； 0066 U max ：最大幅值输出； 0067 K p1 、K p2 、K p3 ：比例控制系数； 说 明 书CN 104236651 A 5/5页 8 0068 K d1 、K d2 ：微分控制系数； 0069 K i1 ：积分控制系数； 0070 图3为本发明控制结构框图。根据实际振动幅值与目标幅值的偏差及偏差变化 率，从特 征状态集中辨识出当前振动状态，然后从控制模态集中选择相应的控制模 态进行控制。极值偏差通过特征记忆传递到控制。

19、模态，控制模态的选择采用启发式搜索和 直觉推理，构建直觉推理规则集 0071 k ： 1 ， 2 ， k 0072 THEN ij 0073 其中， k ：特征模态到控制模态的一一映射，k1，2，8；i1，j1，2，3， 4，5；i2，j1，2，3。 0074 本发明控制流程如图4所示。 0075 首先，拾取振动信号幅值A，结合预定幅值A 0 计算幅值偏差eA(t)-A 0 、幅值偏差 变化率 0076 其次，根据偏差极值e m，n 与偏差阈值e 3 的关系判断当前测量管振动所属阶段，若 e m，n e 3 则认为振动处于启振稳幅阶段，否则认为振动处于干扰抑制阶段； 0077 再次，根据幅值偏。

20、差e、偏差变化率以及偏差阈值e 1 、e 2 、e 3 和偏差变化率阈值a、 b，从特征状态集 1 ， 2 中辨识出当前振动状态若处于启振稳幅阶段，则当前振 动状态特征状态集若振动处于干扰抑制阶段，则当 前振动状态特征状态集 0078 然后，根据当前振动状态从控制模态集 1 ， 2 中选择相应的控制模态 ij ，即 k ：，其中 k 表示IF THEN ij ，k1，2，8； 0079 最后，根据控制模态 ij 输出振动幅值控制量u n 。 说 明 书CN 104236651 A 1/3页 9 图1 图2 说 明 书 附 图CN 104236651 A 2/3页 10 图3 说 明 书 附 图CN 104236651 A 10 3/3页 11 图4 说 明 书 附 图CN 104236651 A 11 。