卡尔曼滤波器在储罐液位监控系统中的应用.pdf

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1、７５８化工自动化及仪表第４１卷卡尔曼滤波器在储罐液位监控系统中的应用王慧锋吴中相（华东理工大学信息科学与工程学院，上海２００２３７）摘要提出了基于卡尔曼滤波器的储罐液位监控方法，通过卡尔曼滤波器估计储罐的真实液位，再对其进行监测与控制。采用ＳＴ语言实现卡尔曼滤波算法，并将其应用在ＲｏｃｋｗｅｌｌＰＬＣ平台上，现场测试结果表明：卡尔曼滤波能很好地滤除储罐运行时产生的各类噪声，在判断储罐液位趋势及提高液位控制精度等方面都收到了较为理想的效果。关键词储罐液位监控卡尔曼滤波ＲｏｃｋｗｅｌｌＰＬＣＳＴ语言Ｐ

2、ＩＤ控制中图分类号ＴＨ８６５文献标识码Ａ文章编号１０００-３９３２（２０１４）０７-０７５８-０５储罐液位监控是库区自动化中的重要一环，陷，结合实际应用背景并对各类滤波方法进行深［３～６］关系到库区的经济效益及运行安全等多方面问入研究后，笔者提出了基于卡尔曼滤波器的题。由于储罐的容量较大，单位时间储罐液位高储罐液位监控方法，并将其应用在ＣＯＣ储运培训度变化微小且微小的高度误差都会带来很大的容中心的库区自动化控制系统中，实现了储罐液位量误差，因此精确稳定的液位监测和高精度的液的稳定监测和高精度控制，

3、收到了理想的效果。①位控制显得异常重要。1储罐液位动态模型分析储罐液位的自动测量仪表通常采用伺服液位储罐液位模型结构如图１所示。计、超声波液位计及雷达液位计等。通过读取仪表的液位信号，完成对储罐液位的监控过程。但液位仪表检测出的储罐液位信号常常伴有以下问题，如储罐进出料、油轮上储罐或搅拌器运行时液面发生的波动及液位信号夹杂着测量噪声等，都会影响储罐液位的监控效果。解决此类问题的关键在于对储罐液位信号进行滤波处理，将影响液位监控的液面波动、测量噪声和失波效应滤除，从复杂的现场液位信号中获取真实平稳的

4、液位信号从而实现高效的液位监控。传统的方法如平均值［１］滤波等，会在一定程度上避免噪声对监控造成图１储罐液位模型的影响，但当发生诸如液位信号夹杂能量较高的假设储罐上下均匀，截面积为M，进料的体积噪声、超声波或雷达液位计发生短暂虚假回波或流量和出料的体积流量分别是Qｉ和Qｏ，输出为储罐液位长时间周期性波动等情况时，其滤波效ｄh液位h。储罐的液位模型为M＝Qｉ－Qｏ，经化果不明显，且算法的实时性差，影响控制效果。文ｄt献［２］提出的误差回归模型方法，在特定条件下ｄh［７］简后得PM＋h＝RQｉ，其中P

5、为液阻。变频可以很好地预测真实液位，但该方法适应性较差，ｄt不同情况需要采用不同的误差模型完成对误差液器控制输出频率f从而改变水泵的流量Qｉ，两者位的修正处理，且该方法并没有从本质上滤除液位信号的干扰和噪声。①收稿日期：２０１３-１２-０５（修改稿）针对平均值滤波及噪声回归模型等方法的缺基金项目：上海市重点学科建设项目（Ｂ５０４）第７期王慧锋等．卡尔曼滤波器在储罐液位监控系统中的应用７５９f其中，K（k）为Ｋａｌｍａｎ增益或混合因子，之间为线性关系，即＝Kｆ，则得到储罐液位与变QｉZ（k）－Cx（

6、k｜k－１）包含了所有的误差信息，称为频器输入信号间的传递函数为：新息。H（s）１１＝·（１）卡尔曼的滤波过程为：F（s）KｆMs＋１／Pa．根据式（３）计算当前时刻系统状态的先2卡尔曼滤波器的状态估计原理验估计值x（k｜k－１）；卡尔曼滤波的基本思想是采用信号与噪声的b．根据式（４）计算当前时刻系统协方差的状态空间模型，利用前一时刻的估计值和现在时先验估计值P（k｜k－１），此时完成了时间更新环刻的观测值来更新对状态变量的估计，求出现在节，随后进入测量更新环节；时刻的估计值。卡尔曼滤波在随机干扰

7、和噪声的c．根据式（５）计算Ｋａｌｍａｎ增益K；情况下，以线性最小方差估计方法给出状态的最［８～１０］d．根据式（６）计算当前时刻系统状态的后优估计值。验估计值x（k｜k），该值即本轮计算的状态输出由于笔者讨论的是卡尔曼滤波在Ｒｏｃｋｗｅｌｌ值；ＰＬＣ平台上的实现，属于离散系统的范畴，因此在e．根据式（７）更新当前时刻系统的后验协滤波前，首先要将待滤波系统的传递函数离散化：方差P（k｜k）。x（k）＝Ax（k－１）＋Bu（k）＋w（k）y（k）＝Cx（k）＋v（k）（２）所有步骤结束后即完成了卡尔

8、曼滤波器的一其中x（k）是k时刻的系统状态，u（k）是k时个工作周期。刻对系统的控制量，A和B分别是系统矩阵和控3基于卡尔曼滤波的储罐液位监控原理制矩阵，C为输出矩阵，w（k）和v（k）分别是k时3．1储罐液位监测刻的控制和测量噪声，且满足E［w（k）］＝储罐液位监测常伴有测量干扰，包括液位测ＴＴ量仪表本身的噪声及进出料时液位上表面的波动E［v（k）］＝０，E［w（k）w（j）］＝０，E［v（k）v（j）］Ｔ等。将卡尔曼滤波器配置在液位测量仪表的后＝R，E［v（k）w（j）］＝０。