基于模糊控制的氣動(dòng)造浪機(jī)節(jié)能技術(shù)研究*

黃學(xué)飛，龐 茂

（1.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與電子學(xué)院，廣東廣州 510430；2.浙江科技學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，浙江杭州 310023）

人工造浪是一種新穎的水上娛樂(lè)項(xiàng)目，其通過(guò)造浪機(jī)在室內(nèi)水池中模擬海上波浪，使游客在室內(nèi)感受大海里波浪的洶涌澎湃。隨著國(guó)內(nèi)越來(lái)越多游客對(duì)人工造浪娛樂(lè)項(xiàng)目的青睞，人工造浪設(shè)備也得到水上樂(lè)園經(jīng)營(yíng)者的關(guān)注。目前應(yīng)用在國(guó)內(nèi)水上樂(lè)園的人工造浪設(shè)備大致分為三種：搖(推)板式造浪機(jī)、沖箱式造浪機(jī)和氣動(dòng)造浪機(jī)。其中氣動(dòng)造浪機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維護(hù)，波形多樣等特點(diǎn)在水上樂(lè)園得到廣泛應(yīng)用。但氣動(dòng)造浪機(jī)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)造浪，其連續(xù)運(yùn)行能耗很大，為此本文將模糊控制技術(shù)引入氣動(dòng)造浪機(jī)的控制系統(tǒng)中，探討減小人工造浪機(jī)運(yùn)行能耗的方法。

1 氣動(dòng)造浪機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1 氣動(dòng)造浪機(jī)結(jié)構(gòu)原理

氣動(dòng)造浪機(jī)主要包括由電機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)組成的空氣供給系統(tǒng)、氣體輸送管路、造波風(fēng)罩，及布置在管路上配氣閥和對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)等，其通過(guò)配氣閥控制鼓風(fēng)機(jī)輸出氣流的周期性變化實(shí)現(xiàn)造浪。其中配氣閥在一個(gè)工作周期內(nèi)分為兩步，第一步由鼓風(fēng)機(jī)將空氣壓入造波風(fēng)罩，使風(fēng)罩內(nèi)的水排出罩外，從而在風(fēng)罩前形成波峰；第二步控制配氣閥將風(fēng)罩內(nèi)的空氣釋放，水被反吸入風(fēng)罩，在風(fēng)罩前形成波谷。在配氣閥的周期控制下，即可在水池內(nèi)形成一定波長(zhǎng)的人造波浪。

1.2 氣動(dòng)造浪機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)氣動(dòng)造浪機(jī)每個(gè)周期內(nèi)空氣都會(huì)被壓入風(fēng)罩和完全釋放一次，每個(gè)工作循環(huán)中負(fù)載變化幅度大，容易導(dǎo)致電機(jī)瞬態(tài)過(guò)載，工作溫度過(guò)高。為此本文針對(duì)原有氣動(dòng)造浪機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，在鼓風(fēng)機(jī)出口增設(shè)了一套儲(chǔ)氣裝置。如圖1所示。造波過(guò)程仍分為兩步，其中前半周期配氣閥2打開，排氣閥4關(guān)閉，空氣經(jīng)儲(chǔ)氣筒被壓入造波風(fēng)罩，在造風(fēng)罩前形成波峰。后半周期時(shí)，配氣閥2關(guān)閉，排氣閥4打開，水被吸入風(fēng)罩，在造風(fēng)罩前形成波谷，同時(shí)鼓風(fēng)機(jī)向儲(chǔ)氣筒3輸送空氣，為下一周期的造波做準(zhǔn)備。采用該種結(jié)構(gòu)后，鼓風(fēng)機(jī)在整個(gè)造波周期內(nèi)都處于工作狀態(tài)，減小了負(fù)載變化率，同時(shí)大大提高了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作效率。改進(jìn)后的造浪機(jī)與傳統(tǒng)氣動(dòng)造浪機(jī)相比，產(chǎn)生同樣波高和波長(zhǎng)的波浪需要的電機(jī)穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速明顯下降，節(jié)能效果顯著。下面將采用模糊技術(shù)控制電機(jī)，進(jìn)一步優(yōu)化鼓風(fēng)機(jī)的工況和節(jié)能效果。

圖1 改進(jìn)的氣動(dòng)造浪機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 氣動(dòng)造浪機(jī)模糊控制

2.1 氣動(dòng)造浪機(jī)能耗分析

氣動(dòng)造浪機(jī)的能耗主要是鼓風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)消耗的能量，鼓風(fēng)機(jī)的功率取決于造浪的水域面積和浪的高度及波長(zhǎng)等參數(shù)，鼓風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按其最大功率要求設(shè)計(jì)：

其中：Wmax為鼓風(fēng)機(jī)需要的最大功率；Pmax為鼓風(fēng)機(jī)出口氣壓，Qmax為鼓風(fēng)機(jī)出口流量，其中：

式（2）中：Pout為造浪風(fēng)罩下最大氣壓；Δp為氣體輸送管路中的壓力降。

式（3）中：L為風(fēng)罩長(zhǎng)度；A為風(fēng)罩截面積；λmax為造浪的波長(zhǎng)最大值。

傳統(tǒng)的氣動(dòng)造浪機(jī)，鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)按滿足功能參數(shù)對(duì)應(yīng)的最大功率要求選型，而實(shí)際運(yùn)行中，風(fēng)機(jī)不需一直運(yùn)行在最大功率狀態(tài)下，從而造成氣動(dòng)式造浪機(jī)運(yùn)行中能耗的浪費(fèi)[1]。為此本文對(duì)傳統(tǒng)氣動(dòng)造浪機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上，將模糊控制技術(shù)引入氣動(dòng)造浪機(jī)控制過(guò)程，以降低該類造浪設(shè)備運(yùn)行的能耗。

2.2 模糊控制器設(shè)計(jì)

模糊控制是以模糊數(shù)學(xué)知識(shí)為理論基礎(chǔ)，基于常識(shí)推理、實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立推理規(guī)則，不需建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，控制機(jī)理和策略易于接受和理解，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，應(yīng)用方便[2]。氣動(dòng)造浪機(jī)是一個(gè)強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，其運(yùn)行中受到外界多種因素影響，狀態(tài)復(fù)雜多變，難以得到精確的數(shù)學(xué)模型，采用模糊算法對(duì)其進(jìn)行控制是一種簡(jiǎn)單有效的方式。

2.2.1 輸入輸出變量模糊化

系統(tǒng)直接控制的目標(biāo)是人造波浪的波高，但其與鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)管風(fēng)罩結(jié)構(gòu)布置等均有關(guān)，傳遞模型復(fù)雜，僅以此作為模糊控制器的輸入變量較難控制，因此本文同時(shí)選擇人造波浪的波高和造浪機(jī)的儲(chǔ)氣筒壓力波動(dòng)值作為控制器輸入變量，將鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速作為模糊控制器輸出變量。將輸入論域量化為7檔，NL、NM、NS、ZE、PS、PM、PL[3]，按照模糊推理的一般規(guī)則，輸入變量人造波浪的波高Hw論域取值為：{1，2，3，4，5，6，7}，儲(chǔ)氣筒壓力波動(dòng)值ΔP論域取值為：{0，1，2，3，4，5，6}，為達(dá)到更好的節(jié)能效果，將輸出變量論域鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速n取值細(xì)分為 10 檔：{1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}。取各模糊子集的隸屬函數(shù)均為等腰三角形[4]，圖2給出了儲(chǔ)氣筒壓力波動(dòng)值的隸屬函數(shù)。此外，兩個(gè)輸入變量之間不同權(quán)重因子值，對(duì)應(yīng)的偏差對(duì)控制輸出量的加權(quán)程度也不同。本控制系統(tǒng)將兩個(gè)輸入變量的權(quán)重調(diào)整因子分別設(shè)為0.6和0.4。

2.2.2 模糊規(guī)則建立

控制規(guī)則選擇為：

If(Hwis a)and(ΔPis b)then(n is c)

圖2 儲(chǔ)氣筒壓力波動(dòng)值隸屬函數(shù)圖

其中a，b，c分別為Hw，ΔP和n論域中的元素。根據(jù)設(shè)計(jì)者自己的經(jīng)驗(yàn)及前期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到控制規(guī)則表如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表

2.2.3 模糊推理選擇

目前模糊推理常用的有Sugeno型和Mamdani型兩個(gè)系統(tǒng)。Mamdani型模糊推理通過(guò)綜合多個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的操作員的控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，符合人們思維和語(yǔ)言表達(dá)的習(xí)慣，因而能夠方便地表達(dá)人類的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。但其采用極小運(yùn)算規(guī)則表達(dá)模糊關(guān)系，推理后的輸出為變量的隸屬度函數(shù)或離散的模糊集合，因此要控制實(shí)際對(duì)象還需進(jìn)行去模糊化處理，不利于工程應(yīng)用。Sugeno型模糊推理系統(tǒng)則要求運(yùn)用推理規(guī)則后得到的輸出變量隸屬度函數(shù)必須是關(guān)于輸入變量的線性函數(shù)或常值函數(shù)，因此其運(yùn)算速度較Mamdani快，數(shù)據(jù)處理更簡(jiǎn)單直觀，便于與PID控制以及優(yōu)化、自適應(yīng)等其他智能控制方法結(jié)合應(yīng)用[2]。

鑒于Sugeno型推理規(guī)則的上述優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)考慮到人工造浪控制系統(tǒng)采用的是PLC，因此選用Sugeno型推理進(jìn)行。

2.3 控制器輸入輸出仿真分析

根據(jù)上述確定的模糊控制器輸入輸出變量及推理規(guī)則，在Matlab/Simulink中進(jìn)行了仿真[5]，得到的輸入輸出關(guān)系圖如圖3所示。從圖3可以看出，運(yùn)用模擬控制后，不同浪高對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速連續(xù)穩(wěn)定，負(fù)載特性明顯改善。

圖3 模糊控制器輸入輸出變量圖

3 結(jié)論

在對(duì)傳統(tǒng)人工造浪機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)的基礎(chǔ)上，將模糊控制技術(shù)引入人工造浪機(jī)的控制中，建立了基于浪高和鼓風(fēng)機(jī)壓力波動(dòng)控制的模糊控制器，將模糊控制算法和對(duì)鼓風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，得到模糊控制規(guī)則，并運(yùn)用Matlab／Simulink模塊對(duì)輸入輸出變量進(jìn)行了仿真。從仿真結(jié)果可以看出，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速輸出連續(xù)穩(wěn)定，有效優(yōu)化了風(fēng)機(jī)運(yùn)行中負(fù)載變化率，達(dá)到節(jié)能的目的。

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