基于模糊控制船閘閘門同步的設計

張建平，劉增元，李丹鋒

（北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

0 引言

船閘系統(tǒng)中，閘門是由左右兩扇門組成的，選擇其中一扇作為主側(cè)，另一扇為從側(cè)。閘門運動時，主側(cè)閘門根據(jù)設計要求以設定速度運動，從側(cè)閘門也是相同的設定。但由于自身性能的差異，左右兩扇門運行起來會有會有同步偏差，該偏差可以通過左右兩側(cè)門的開度儀（位置傳感器）計算得出，當偏差超過設定值時，從側(cè)閘門加速或者減速，以此保證左右兩扇門的位置同步。

存在的問題是，不同項目中船閘閘門及液壓啟閉機（推動閘門）的設計往往也是不同的，所以采用固定參數(shù)的傳統(tǒng)控制器來實現(xiàn)同步是不現(xiàn)實的，實際中，經(jīng)常是由程序員憑個人經(jīng)驗先預設參數(shù)，然后根據(jù)閘門同步效果不斷修正，這樣導致現(xiàn)場調(diào)試時間長，而且很大程度上是依賴于個人理論素養(yǎng)和經(jīng)驗的。

模糊控制則不然，它的規(guī)則是依賴于人類經(jīng)驗的，可以通過被控制量誤差的變化及變化率不斷修正輸出值的控制器。這樣如果擁有一個好的的模糊控制器，即使是一個經(jīng)驗不怎么豐富的技術(shù)員，也可以很好的在不同系統(tǒng)中實現(xiàn)控制。

1 閘門同步控制器的設計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

模糊控制是以人的控制經(jīng)驗為控制的知識模型，以模糊集合、模糊語言變量以及模糊邏輯推理作為控制算法的數(shù)學工具，用計算機來實現(xiàn)的一種智能控制。模糊控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，主要取決于模糊控制器與人的控制經(jīng)驗的符合程度。

閘門同步控制結(jié)構(gòu)如圖1所示，以雙閉環(huán)控制，外環(huán)為位移環(huán)，內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，其中閘門的位移是通過開度儀直接檢測得到的，閘門速度是通過液壓的比例泵間接控制，比例泵的流量與閘門的速度成比例關系，在圖中以K表示，比例閥自帶閉環(huán)反饋，可以準確依照指令達到指定的比例閥開度，反饋環(huán)節(jié)在圖中以v’的反饋表示。

運行時，PLC不斷檢測左右兩扇閘門的位移，同時計算出位移的差值，當位移的差值超過控制的精度要求時，啟動同步糾偏：首先在采樣周期內(nèi)，算出位移差和位移差的變化率，通過三角隸屬函數(shù)，將位移差和位移差的變化率映射到模糊論域；然后根據(jù)人為制定的IF-THEN規(guī)則，通過輸入屬于的模糊論域，找到對應的輸出的模糊論域；最后根據(jù)輸出的模糊論域采用重心法反模糊化得到速度要糾偏的量v2。

圖1 閘門同步控制結(jié)構(gòu)原理圖

1.2 模糊控制器的原理及結(jié)構(gòu)設計

模糊控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，模糊控制器包括輸入量模糊化、模糊推理和解模糊3個部分。左側(cè)為模糊控制器的兩個輸入端，右側(cè)為模糊控制器的輸出端，e為兩門行程的差值，ec為e的一階導數(shù)，采樣周期設定為1s。E和EC分別是e和ec模糊化后的模糊量；U為模糊控制量，u為U解模糊化后的精確量。K1、K2和K3是量化因子，作用是將輸入的工程量轉(zhuǎn)化到相應的模糊論域[-2,2]。根據(jù)控制精度要求，將E、EC和U劃分成五個檔{-2,-1,0,+1,+2}，每個檔中采用三角型隸屬度函數(shù)，從大到小為PB、PS、Z、NS和NB。

圖2 模糊控制器基本結(jié)構(gòu)

模糊推理是模糊控制器的核心部分，采用模糊IF- THEN規(guī)則庫便于PLC編程實現(xiàn)，同時規(guī)則庫的建立是基于成熟的控制經(jīng)驗上建立的。建立的規(guī)則表如表1所示，其中左下邊豎列的是EC的論域，右上橫排的是E的論域。

表1 規(guī)則庫

實際工作中，為了保證E、EC和u的量程為定值，需要尺度轉(zhuǎn)換，如設：e的范圍為[m,n]，E的范圍為[x,y],則K1的值為(y-x)/ (n-m),轉(zhuǎn)換時，E=e*K1。計算原理為，設E屬于NB的隸屬度為a，屬于NS的隸屬度為b，EC屬于NB的隸屬度為c，屬于NS的隸屬度為d。則根據(jù)規(guī)則庫匹對可得，U屬于PB的隸屬度為a*c+a*d+b*d，屬于PS的隸屬度為b*c。得到U的論域和隸屬度后，采用重心法去模糊化得到控制變量u。方法為：U為隸屬度α的PB，和隸屬度β的PS，則去模糊化有α’=α/(α+β),β’=α/(α+β),u=α’*PB’+β’*PS’，其中PB’和PS’分別為PB和PS的中心值。

2 模糊控制閘門同步的PLC實現(xiàn)

模糊控制器IF-THEN的推理方式便于PLC用梯形圖實現(xiàn)。與傳統(tǒng)IF-THEN相比，特殊之處在于在模糊接口的處理，判斷之前需要將左右閘門的行程差模糊化處理，在得到所需的量后需要將被控變量反模糊化處理。

實現(xiàn)時，首先PLC在每個采樣周期點計算對e和ec，并對計算出的e進行上下限判斷，如果e超過上下預警限時就啟動模糊控制，對e和ec轉(zhuǎn)化成對應的E和EC，再用E和EC的所屬的閾值與規(guī)則庫去匹對，按照IF-THEN的規(guī)則庫找到對應的U后，將U反模糊化就得到所需的控制量。

舉例來說：如e的工程范圍為[-30,30]，ec工程的范圍為[-5，5],某一次計算得到e為8，ec為3，e的警戒值為±5，e已經(jīng)超過警戒值啟動糾偏程序。則首先對e和ec進行歸一化和模糊化：，E隸屬于Z的程度為0.47，屬于PS的程度為0.53，EC隸屬于PS的程度為0.8，隸屬于PB的程度為0.2。然后進行模糊化推理：根據(jù)表一的規(guī)則對應出U，0.47*0.8的NB，0.47*0.2的NB，0.53*0.8的NS和0.53*0.2的Z。然后對U反模糊化處理，即0.47*（-2）+0.53*0.8*（-1）=-1.356。如果調(diào)速范圍為[-500,500]則對應的調(diào)節(jié)量為。如此得到所需的控制量，應該給右側(cè)比例泵減小0.339的開度。程序?qū)崿F(xiàn)時，可以用PLC中的ST指令來判斷，部分實現(xiàn)方法如圖3所示。其中圖3（a）啟動糾偏程序后，根據(jù)e的大小進入相應的模糊域（D1和D2）及其隸屬度（A1和A2），對ec也進行類似的處理；圖3（b）中根據(jù)E和EC屬于的模糊域進行規(guī)則匹對得出U的模糊域隸屬度（U1）。編程過程中由于規(guī)則配對數(shù)比較多可以采用調(diào)用子程序的方式實現(xiàn)。

圖3 模糊化及規(guī)則匹對

3 結(jié)束語

模糊控制屬于模糊數(shù)學和自動化領域的交集，整體框架是按自動化要求來的，如控制對象的分析，系統(tǒng)設計，模糊數(shù)學在其中的地位是指導相關參數(shù)隨著被控變量變化而變化，而且這種變化是基于人類經(jīng)驗的。在這里，模糊控制器是不斷對閘門同步差進行采樣和計算，根據(jù)人類的經(jīng)驗（規(guī)則庫）指導參數(shù)變化。所以模糊控制閘門同步的性能取很大程度決于規(guī)則表的設定，而規(guī)則表是依賴于人去設定的，所以在控制器實現(xiàn)初期需要有經(jīng)驗豐富的人士，在設計初期可以先將輸入變量的模糊論域劃分粗略一下，如果效果良好可以不斷細分論域和規(guī)則這樣得到的控制變量就不斷精確。

設計好后的控制器，今后使用到其他閘門同步項目中，一般情況下只要將工程量和模糊量的尺度變化值更改一下，不用更改規(guī)則庫就能達到很好的效果，大大體現(xiàn)了智能控制的優(yōu)越性。

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