机坪管网供油自动控制系统智能化发展方向探究.pdf

232综述引言近年来，在国家的大力支持下，民航业高速发展，机场设施设备的自动化水平日益升高。机坪管网供油鉴于其操作方便，自动化程度高等特点逐渐成为各大机场首选的供油方式。机场油库航油供应自动控制系统更是成了机坪管网供油过程中最为关键的一环。机坪管网供油系统的安全运行对于整个机坪稳定运营至关重要，如果机坪管网供油系统出现严重故障，势必会引发航班延误，给机场带来不良的影响，因此保障机坪管网自动供油控制系统的安全平稳运行是保障航空运输安全的必要要求。机坪管网自动供油控制智能化水平的提高也将推动机场现代化设备的发展，加快机场供油的效率、安全、自动化程度等多个方面的大幅提升。一、机坪管网供油自动控制系统的发展与分析1.机坪管网恒压供油的发展过程由于航班量在各时段的不均匀分配，机坪管网供油常处于动态变化中，这就要求机坪供油需求和油泵功率输出达到最大程度的吻合，因此，机坪供油管网压力值的稳定程度就成了衡量油品供需差异大小的指标。最早实现恒压供油的方式是节流调节法，通过改变供油泵出口阀门的开度来实现出口流量的增减以保证供油管线压力的恒定。这种调节方式虽然简便易行，但控制过于粗糙导致油泵效率低下，且在管线压力波动较大的情况下频繁调节阀门会对泵体伤害较大。为解决这一矛盾，开始采用回流调节法来稳压，即通过调整旁通管道上回流调节阀的开度，改变航空煤油从油泵排出口流回管道的流量，进而保持主管道的实际流量的稳定。但是在这种方式的调节下，会出现能量浪费和回流调节响应速度缓慢的问题，同时控制性能极大程度地受限于回流调节阀本身的精度。近年来，随着自动化水平的提升，各大机场在升级改造的过程中开始使用变频调速技术，利用电机工作频率和转速的比例关系，通过调整频率实现恒压供油。相对于以往的节流调节法和回流调节法，变频调速技术由于其柔性控制、安全系数高、响应速度快等优势，能够最大程度地解决机场供油系统所面临的流量需求变化频繁且剧烈的问题。2.机坪管网自动供油控制的特点分析以兰州某机场为例，油库自动供油系统采用控制器输出变频器频率进而驱动油泵工作的方式，设置多台变频器和多个油泵，每台变频器驱动相应的油泵轮流工作，实现机坪供油的稳压供油。每天的加油工作开始前系统处于手动供油模式，手动调节油泵频率使油泵在低频下安全试运行，确认油泵运转正常后，切换至自动加油模式。在自动加油模式下，通过对特定的压力采集点进行压力数据采集，传回控制器输入端，控制器计算出相应的输出频率值自动驱动油泵进行保压。无加油作业时保持压力维持在稳压压力值，当机坪开始供油，管线压力值降低直至低于启泵压力值时，油泵启动。当机坪用油量增加，第一台油泵高频运转但管线压力仍低于稳压压力值时，启动第二台油泵进行动态调节。当机坪用油量较少，变频器频率降低至最小但管线压力值仍然过高时，第二台泵机停止工作。通过对系统运行情况进行分析，可以总结出机场油库自动供油系统具有以下特点：（1）时滞特性在机坪管网自动供油控制的过程中，压力和流量数据的传输存在一定的延迟，会导致管线压力控制滞后，这种随机变化的时滞使得管线压力波动剧烈，给自动供油系统的精准控制带来了巨大挑战。（2）干扰特性在实际供油过程中，除了变频器及泵机组本身的设机坪管网供油自动控制系统智能化发展方向探究文馨任晨昱中国航空油料有限责任公司甘肃分公司【摘要】随着民航产业的不断发展壮大，机坪供油已成为机场运行保障中不可或缺的一项重要工作。而自动供油控制系统作为机坪管网中的关键部件，其作用也尤为重要。传统的控制算法需要依赖精确的对象模型，且抗干扰能力差，自适应能力弱，导致控制不精准不平稳，进而导致供油效率较低，影响经济性能。基于此，机坪管网供油自动控制系统的发展过程及特点进行了介绍，并对智能控制领域的几大算法及其在机坪管网供油自动控制系统中的应用进行了分析，阐述了未来机坪管网自动供油控制系统的智能化发展的方向。【关键词】机坪管网供油；自动控制系统；智能控制【DOI】10.12316/j.issn.1674-0831.2023.15.078233综述备误差外还会受到压力测量的偏差、信号传输及外界环境等干扰，这些干扰的出现对系统的稳定性和控制精度带来了极大的阻碍。（3）不确定性机坪管线在不同流量下具有不同的对象特征，这就要求控制器能够在供油工况不确定的情况下具有更强的自适应性和更加自主的控制能力，否则会造成控制效果变差，严重时甚至造成控制器失效，从而给机坪管网供油带来重大的安全隐患。由于上述特点的存在，很难对机坪管网自动供油控制过程进行精确模型的建立从而进行精准有效平稳的控制，且目前的控制算法智能化水平低，很难在复杂多变的外部工况下满足机坪管网供油所需的柔性控制。二、智能控制算法在机坪管网自动供油控制过程中的应用探究智能控制通常是人工智能的理论、运筹学的方法与自动控制的技术相结合的产物。智能控制算法能够适应不断复杂变化的外部环境，同时不依赖于被控对象的精确模型，根据外部环境自主处理信息，并且具有较强的实时响应能力和鲁棒性，在自主度和控制性能方面，都优于传统的控制方法。智能控制方法主要包括模糊控制、神经网络、遗传算法、专家控制及机器学习等控制方法。1.模糊控制模糊控制是以模糊语言变量、模糊集合理论和模糊逻辑推理为基础的一种智能控制算法。模糊控制首先通过给定值与传感器采集到的实际信号值得到偏差信号，将其转化为计算控制变量，用合适的隶属度函数将输入信号模糊化处理处理成相应的语言值，利用操作人员或专家经验编制出合理的模糊控制规则，通过模糊规则进行模糊决策与推理，完成决策推理后将输出信号进行解模糊化处理，经再过A/D转换后将输出模拟量传达给执行器。模糊控制中模糊规则的建立和参数调整主要是依据专家经验或设计者的反复实验得出的知识集合，而在现有的机坪管网自动供油控制系统中，原有系统中的压力，频率等参数的变化及范围已经通过了大量的实验和验证，通过对其进行提炼、归纳和整理可以作为有效精准的模糊规则库。2.神经网络神经网络控制是在控制系统中，利用神经网络技术，对难以精确建模的复杂非线性对象进行神经网络模型辨识，或者作为控制器进行优化计算或推理的算法。神经网络是由大量的人工神经元，根据不同的结构方式互相连接而成的网络，能够以任意精度逼近复杂的非线性函数。通过不断修正神经元之间的连接权重并离散地存储在连接网络中，因而对难以建模的系统具有良好的学习功能。神经网络作为一种模拟人脑神经处理信息的技术，具有较好的适应性和处理速度，因此在机坪供油中的应用具有很大的发展前景。神经网络可以对机坪供油过程中的重要参数进行实时监测和处理，并及时更新和反馈，以满足现代化机场高效、快速的供油需求。3.遗传算法遗传算法不需要先验知识，是一类可以进行复杂优化计算的鲁棒搜索算法。通过采用自然进化模型，来不断地选择优良个体，最终达到模拟达尔文进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化的目的。算法从一组随机产生的初始群体开始，根据所求解的具体问题设定种群规模、终止条件等基本参数，接着计算初始种群中每一个个体的适应度函数，以此为依据选择个体，并通过交叉变异产生下一代种群，求解过程中，迭代次数逐渐增加，目标函数值逐渐趋于收敛，直到满足终止条件。在机坪管网自动供油的过程中，需要寻求最优的变频器频率来驱动油泵工作，通过遗传算法可以对压力、流量等参数进行自动计算和优化，使得给每架飞机时流量与频率的数值更加合理，从而使得供油效率达到高效。4.专家控制专家控制是将专家系统的理论和技术通控制理论相结合，在未知环境下，仿效专家经验进行控制。专家控制主体框架是知识库、实时推理机和控制算法库，通过对系统的先验经验、动态信息、目标的获取与组织，按照某种策略及时地选用恰当的规则进行推理输出，以实现对实际对象的控制。专家控制算法是一种针对动态、非线性、复杂系统的自适应控制算法，因此在航班量在各时段分配不均，机坪管网供油常处于动态变化中的复杂工况下，专家控制能够满足这种动态的控制需要，另外它要求在线工作方式，即在线获取反馈信息，因此可以提高机坪管网自动供油系统的响应速度，使得供油的过程更加安全可靠。5.强化学习强化学习算法相较于其他机器学习算法普适性更强，算法根据智能体与环境进行不断地试探性地交互，从而获得环境做出的奖励或者惩罚的反馈，通过这些反234综述馈，逐步修正当前控制策略向最优控制策略逼近，进而找出如何才能获取外界对前动作的最好反馈。在不依赖于对象精确模型的条件下，强化学习算法主要通过决策进行算法训练，利用大量训练的数据进行算法的自主优化。另外，鉴于机坪管网自动供油控制过程中每时每刻都会产生并储存大量的数据，在无法获得过程精确模型的情况下，强化学习可以利用数据经验，进行供油量的预测和计算，从而更好地合理控制的供油流量，降低供油成本。三、机坪管网自动供油控制系统的智能化发展方向探究传统机坪管网自动供油控制系统中因控制算法智能化水平不足，导致延迟较大，控制不精准，供油效率较低，进而影响经济性能。随着智能控制技术的发展及应用，能够实现对自动供油系统更加自主、精准、平稳的控制，未来机坪管网自动供油控制系统的智能化发展方向可以从以下几个方面展开。1.智能控制算法与传统控制器组合目前机坪管网自动供油控制系统中大多采用传统控制，为了能够更加智能化地满足多种复杂工况的要求，可以将智能控制算法与原有的传统控制相结合，形成模糊自适应PID算法，专家整定PID算法等，这样可以在微调控制器算法设计的情况下，对原有控制效果进行改善，且经过改善的控制算法更加便于实际应用。2.多种智能控制算法交叉融合智能控制算法中包含的几大类算法具有共同的优于传统控制算法的优势，同时也具有各自的优化控制特点和缺陷，多种智能控制算法经过交叉融合后应用在系统中，更能全面改善系统的控制性能，也促进了智能控制算法朝着多元化方向发展。遗传算法和模糊算法相结合，利用遗传算法来学习隶属度函数，可以更好地改进模糊系统的性能。基于遗传算法的神经网络可用来调整人工神经网络的连接权，也可用于人工神经网络结构优化设计。模糊强化学习算法则可以通过学习得到一个完整的规则库，从而为强化学习算法中策略训练提供更全面的先验知识。通过不同智能控制算法之间的取长补短，更有利于提升机坪管网自动供油的控制效果。3.控制器与变频器双智能控制调节通过变频器调节主要有两种方式，一种是由控制器进行决策和运算，变频器从输入端口接收到的是控制提供的频率控制值，这样的调节方式可以考虑在控制器中设计智能控制算法。第二种是变频器中内置PID控制回路，上级控制器只需要根据实际工况进行变频器启停信号的控制。这种调节方式下，可以对变频器内部的传统控制进行智能控制优化。4.智能控制算法嵌入式编程鉴于西门子系列PLC产品的体积小、功能强、可靠性高等优点，使其作为控制器在工业生产中广泛应用，目前各大机场的机坪管网自动供油控制系统中的控制器也大多使用西门子系列PLC产品。然而部分智能控制算法在计算求解过程中会涉及大量的参数和复杂的矩阵运算，这给PLC编程和调试造成了极大的挑战。但随着PLC功能的增强和扩展，可以将智能控制算法及逆行模块化编程嵌入PLC实现智能控制，以PLC为主体实现智能控制，通过嵌入智能控制算法，加上通信能力的增强及人机界面技术的应用，使用PLC组成各种控制系统将变得切实可行。四、总结与展望智能控制技术在机坪管网自动供油控制系统中具有重要意义。通过引入智能控制技术，机坪管网自动供油控制系统能够更好的对机坪管网压力进行平稳可靠的控制，最大限度地提高供油效率，让机场供油服务更加快捷和高效。同时智能化的控制模块不仅能够提高自控系统的智能化水平，更能够在加油过程中根据数据分析和反馈实时调整流量和压力值，最大程度地保证安全高效供油。机坪管网自动供油控制系统的智能化发展不仅更加符合现代社会智能化的要求，还推动供油系统向着智能化管理和服务方向迈进，为航空运输提供坚实保障。参考文献：1张艳玲.机坪供油管网水击分析及压力区间研究D.西安石油大学，2017.2薛正炎，冯正进，王磊.智能控制在民航供油系统中的应用J.中国海洋平台，1998(03):28-32+46.3徐自兵.民航机场供油管网压力分析与研究J.中国石油和化工标准与质量，2012，33(12):86-87.4楼登峰.智能PID技术在恒压管线控制中的应用D.上海师范大学，2004.5高锐.基于PLC的嵌入式智能控制策略研究及应用D.新疆大学，2010.