基于變論域模糊PID的船舶柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

楊 森, 楊 杰, 張均東, 祝亮亮

(1.海軍工程大學(xué) 艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430033; 2.中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院,北京 100036; 3.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院, 遼寧 大連 116026)

基于變論域模糊PID的船舶柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

楊 森1,2, 楊 杰1,2, 張均東3, 祝亮亮3

(1.海軍工程大學(xué) 艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430033; 2.中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院,北京 100036; 3.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院, 遼寧 大連 116026)

為實(shí)現(xiàn)船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制，對(duì)船舶柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)基于變論域模糊PID的柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。選取基于模糊規(guī)則的伸縮因子，將變論域模糊控制思想與常規(guī)PID相結(jié)合，形成變論域模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在不同工況下對(duì)常規(guī)PID控制、模糊PID控制和變論域模糊PID控制的柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真曲線進(jìn)行對(duì)比分析。仿真結(jié)果表明：變論域模糊PID控制算法具有更快的響應(yīng)速度、更好的穩(wěn)定性、更小的超調(diào)量和更強(qiáng)的自適應(yīng)性。

船舶工程；船舶柴油發(fā)電機(jī)；調(diào)速系統(tǒng)；伸縮因子；變論域模糊PID

Abstract: Rotation speed control technologies for the marine diesel engine generator are investigated, and a diesel engine generator speed control system based on variable universe fuzzy-PID is designed. The system is basically PID type but the scale factors are adjusted according to the fuzzy rules, which makes it "variable universe". The dynamic response curves of the system are compared with those of a conventional PID controller, which shows that variable universe fuzzy-PID algorithm makes the system response faster with better stability, smaller overshoot, and better adaptability.

Keywords: ship engineering; marine diesel engine generator; speed regulation system; scale factor; variable universe fuzzy-PID

隨著船舶電站裝機(jī)容量不斷增加、綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)廣泛普及，人們對(duì)船舶供電質(zhì)量的要求越來(lái)越高。由于船舶電網(wǎng)頻率主要是由原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定的，因此對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制是維持船舶電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的關(guān)鍵。[1]

目前傳統(tǒng)的PID控制在船舶柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制中仍占主導(dǎo)地位，而大功率發(fā)電機(jī)具有時(shí)變性、不確定性、非線性和強(qiáng)耦合性等特點(diǎn)[2]，因此僅采用傳統(tǒng)的PID控制很難再繼續(xù)提高船舶柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性。[3]

相關(guān)學(xué)者針對(duì)傳統(tǒng)PID控制在面對(duì)復(fù)雜過(guò)程時(shí)凸顯出的不足，提出模糊PID控制、PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和變結(jié)構(gòu)控制算法等多種基于PID的控制算法，但其能否應(yīng)用于實(shí)踐中還需作進(jìn)一步的研究論證。[4]例如，模糊PID控制采用的是固定不變的論域和隸屬度函數(shù)，且所依據(jù)的控制規(guī)則不可能達(dá)到最完善的地步，因此會(huì)使控制不穩(wěn)定，進(jìn)而出現(xiàn)振蕩和響應(yīng)變慢的問(wèn)題。[5]

為進(jìn)一步提高船舶柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制效果，針對(duì)傳統(tǒng)PID控制存在的固有缺陷，設(shè)計(jì)一種基于變論域思想的PID控制器。該控制器可實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線自整定，能滿(mǎn)足船舶柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的需求，可大大提高電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性。

1 變論域模糊控制算法

常規(guī)PID控制器是一種線性控制器。

e(t)=r(t)-y(t)

(1)

(2)

式(1)～式(2)中：kp，ki，kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。3個(gè)環(huán)節(jié)的物理意義和作用很明顯。

1) 比例環(huán)節(jié)即成比例地反映偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器就會(huì)產(chǎn)生作用減小偏差。

2) 積分環(huán)節(jié)主要消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。

3) 微分環(huán)節(jié)能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。

然而，工業(yè)對(duì)象普遍存在非線性、時(shí)變性和不確定性等因素，常規(guī)PID控制是在忽略眾多不確定因素的前提下建立模型的，不能達(dá)到精確控制的要求。同時(shí)，對(duì)于復(fù)雜的控制對(duì)象，受參數(shù)整定方法繁瑣的影響，常規(guī)PID控制器參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，對(duì)運(yùn)行環(huán)境的適應(yīng)性也較差。

模糊PID控制融合了模糊信息處理方法，能根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行工況，利用模糊推理調(diào)節(jié)PID參數(shù)，具有模糊控制不依賴(lài)于被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快的特點(diǎn)；同時(shí)，克服了模糊控制固有的精度死區(qū)，改善了系統(tǒng)的控制品質(zhì)，尤其對(duì)非線性、時(shí)變性和不確定對(duì)象具有良好的控制性能。對(duì)于復(fù)雜的被控過(guò)程，常規(guī)模糊PID控制采用的是固定的論域、輸入輸出決策因子和隸屬度函數(shù)，且依據(jù)個(gè)別專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)制定的有限控制規(guī)則粗糙、不完善，因此當(dāng)系統(tǒng)在大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，其論域范圍會(huì)顯得過(guò)大或過(guò)小，很容易造成PID參數(shù)調(diào)整過(guò)量或調(diào)整不足，系統(tǒng)控制性能變差，進(jìn)而出現(xiàn)振蕩、響應(yīng)變慢和難以穩(wěn)定等問(wèn)題。

變論域思想是指在規(guī)則形式不變的前提下，輸入和輸出論域隨誤差和控制要求的變化作適當(dāng)?shù)纳炜s變換；從局部考慮，論域伸縮相當(dāng)于增加規(guī)則，從而可以提高控制精度。通過(guò)對(duì)論域進(jìn)行適當(dāng)?shù)纳炜s變化即可將專(zhuān)家總結(jié)出來(lái)的初始規(guī)則庫(kù)變?yōu)楦行У男乱?guī)則庫(kù)，從而克服規(guī)則空白的缺陷，達(dá)到優(yōu)化控制的效果。[6-9]

以最簡(jiǎn)單的單輸入單輸出系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。已知系統(tǒng)的輸入變量為誤差e，其基本論域?yàn)閇-E，E]，采用7個(gè)規(guī)則對(duì)其進(jìn)行劃分，得到基本論域及其模糊劃分見(jiàn)圖1?？刂七^(guò)程中，若誤差e縮小，則基本論域相對(duì)于縮小后的e會(huì)變大，嚴(yán)重影響其控制精度；相反，若誤差e變大，則控制器的輸出值會(huì)一直大于理想的輸出值，這會(huì)導(dǎo)致被控量上下波動(dòng)而難以達(dá)到期望值。輸出量μ也存在類(lèi)似問(wèn)題。變論域的實(shí)質(zhì)就是使論域適時(shí)進(jìn)行伸縮變換，從而獲得理想的輸出。圖2為論域的收縮與膨脹，誤差e的基本論域[-E，E]通過(guò)伸縮因子α(x)變換為[-α(x)E，α(x)E]，進(jìn)行收縮或膨脹，增加了可用規(guī)則，提高了控制精度。

圖1 基本論域及其模糊劃分

圖2 論域的收縮與膨脹

2 基于模糊規(guī)則的伸縮因子

設(shè)計(jì)變論域模糊控制器的關(guān)鍵是確定伸縮因子，使基本論域適時(shí)伸縮，實(shí)現(xiàn)控制的最優(yōu)化。[10]

目前變論域模糊控制算法的伸縮因子還沒(méi)有統(tǒng)一的形式，常見(jiàn)的伸縮因子構(gòu)造方法有以下2種。

1) 由誤差或誤差變化量的函數(shù)確定。

2) 基于模糊規(guī)則確定某個(gè)論域的伸縮程度。

這里研究的控制器基于雙輸入單輸出系統(tǒng)。設(shè)系統(tǒng)的輸入變量為誤差e和誤差變化率ec，伸縮因子的選取采用模糊規(guī)則算法，分析如下。

1) 當(dāng)e和ec減小時(shí)，將其論域E和Ec縮小，使縮小后的可用規(guī)則增多，以增強(qiáng)其控制靈敏度。

2) 當(dāng)e和ec增大時(shí)，使其論域E和Ec維持不變。

設(shè)e和ec基本論域的伸縮因子分別為α1和α2，表1為輸入論域的伸縮因子規(guī)則，其中：B,M,S,Z,N表示論域伸縮的程度。

表1 輸入論域伸縮因子規(guī)則

設(shè)β為系統(tǒng)輸出論域的伸縮因子，確定β值時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮e和ec的大小及符號(hào),分析如下。

1) 當(dāng)e和ec的值較大且符號(hào)相同時(shí)，說(shuō)明被控量與給定值之間的偏差較大且正以較快的速率變得更大，此時(shí)控制系統(tǒng)只有輸出較大的控制量才能將被控量快速調(diào)節(jié)回來(lái)，使其盡快靠近給定值。因此,β應(yīng)取較大值。上述分析用模糊規(guī)則表示為：

(1) 若e為PB且ec為PB，則β為VB；

(2) 若e為NB且ec為NB，則β為VB。

2) 當(dāng)e和ec的值較大但符號(hào)相反時(shí)，說(shuō)明被控量與給定值之間的偏差只是暫時(shí)較大，被控量正以較快的速率跟蹤給定值，若此時(shí)輸出量較大，則系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，嚴(yán)重影響控制效果。為使被控量能快速、平穩(wěn)地靠近給定值，β應(yīng)取較小值，稍微壓縮輸出論域。上述分析用模糊規(guī)則表示為：

(1) 若e為PB且ec為NB,則β為Z；

(2) 若e為NB且ec為PB,則β為Z。

3) 當(dāng)e非常小、ec很大時(shí)，說(shuō)明被控量與設(shè)定值之間的偏差只是暫時(shí)較小，被控量正快速偏離給定值，偏差值將瞬間增大，此時(shí)控制系統(tǒng)只有輸出較大控制量才能抑制偏差快速增大的趨勢(shì)。因此，β應(yīng)取較大值。上述分析用模糊規(guī)則表示為：

(1) 若e為Z且ec為NB，則β為B；

(2) 若e為Z且ec為PB，則β為B。

同理可推導(dǎo)出β在其他各種情況下的取值(見(jiàn)表2)，這里不再贅述。

表2 輸出論域伸縮因子規(guī)則

2 變論域模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

根據(jù)常規(guī)PID控制和模糊控制的特點(diǎn)，采用變論域模糊控制與PID相結(jié)合的控制算法能實(shí)現(xiàn)PID控制器參數(shù)的優(yōu)化自適應(yīng)，進(jìn)一步完善PID控制器的自適應(yīng)性能。所設(shè)計(jì)的船舶柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，整個(gè)系統(tǒng)分為以下3個(gè)部分。

圖3 變論域模糊PID控制器原理

1) 第1部分為伸縮因子調(diào)整模塊，其輸入量是e和ec，根據(jù)輸入量進(jìn)行模糊推理得出3個(gè)基本論域的伸縮因子α1(t)，α2(t)和β(t)。

2) 第2部分為變論域模糊控制模塊，第1部分的輸出量作為該模塊的輸入量，進(jìn)行模糊推理后得到PID的調(diào)整參數(shù)ΔKp，ΔKi和ΔKd，然后分別與初始值相加得到最終優(yōu)化的PID參數(shù)Kp，Ki和Kd。

3) 第3部分為經(jīng)典PID控制模塊，該模塊的輸入量來(lái)自于優(yōu)化后的PID參數(shù)，輸出量就是驅(qū)動(dòng)后面執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的控制量，通過(guò)該控制量對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。

e和ec的基本論域均設(shè)為[-8，8]，語(yǔ)言取值為：負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、零(Z0)、正小(PS)、正中(PM)和正大(PB)。將e和ec的模糊語(yǔ)言變量量化到整數(shù)論域?yàn)閧-6，-5，-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4,5,6}。

ΔKp，ΔKi和ΔKd的基本論域均設(shè)為[-0.1,0.1]，語(yǔ)言值取為:負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。將其模糊語(yǔ)言變量量化到整數(shù)論域?yàn)閧-0.06，-0.05，-0.04，-0.03，-0.02，-0.01，0,0.01,0.02,0.03,0.04,0.05}。

利用MATLAB可視化編輯模塊FIS Editor編寫(xiě)模糊控制規(guī)則。這里的模糊控制器輸入的是系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec，輸出的是(Kp，Ki，Kd)，采用Mamdani算法進(jìn)行規(guī)則編寫(xiě)，利用Simulink工具箱Fuzzyblock中的FIS s-function模塊載入編寫(xiě)好的模糊規(guī)則庫(kù)，建立變論域自適應(yīng)模糊PID模塊，最后得到的模糊PID控制仿真模塊見(jiàn)圖4。

圖4 變論域模糊PID控制仿真模塊

對(duì)于柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，常采用簡(jiǎn)化后的模型。主控制器與放大單元構(gòu)成比例微分加二階慣性環(huán)節(jié)的控制單元，通過(guò)調(diào)節(jié)柴油機(jī)油門(mén)執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。柴油機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速通過(guò)積分環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩，再加上柴油機(jī)的延時(shí)特性；該轉(zhuǎn)矩通過(guò)機(jī)組延時(shí)環(huán)節(jié)之后與乘法器的轉(zhuǎn)速信號(hào)相乘得到轉(zhuǎn)矩功率信號(hào)，發(fā)電機(jī)在該轉(zhuǎn)矩功率驅(qū)動(dòng)下發(fā)出電功率,可得到包括傳統(tǒng)PID控制器的船舶柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速

控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

(3)

所研究的船舶柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中的相關(guān)參數(shù)為：K=35;T1=0.3 s;T22=0.000 2;T3=0.2 s;T4=0.001 3 s;T5=0.027 s;T4=0.006 s;T5=0.041 s;τ=0.05 s。

3 仿真研究

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的變論域模糊PID控制器的控制性能及效果，搭建基于Simulink平臺(tái)的船舶柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，采取的仿真對(duì)象為中速發(fā)電柴油機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。同步發(fā)電機(jī)的額定功率設(shè)定為3.125 MW，額定電壓為6.6 kV，頻率為60 Hz。Simulink仿真模塊見(jiàn)圖5。

圖5 柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制Simulink仿真模塊

在傳統(tǒng)PID控制中，PID參數(shù)不能在線自整定，只能根據(jù)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，得出的參數(shù)往往難以達(dá)到最優(yōu)的控制效果?？紤]到柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中各種干擾因素會(huì)使系統(tǒng)受到不同程度的影響，分別對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的空載啟動(dòng)、突加突卸有功負(fù)荷和三相短路故障等3種工況進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

在仿真開(kāi)始之前，設(shè)定3種控制器的初始參數(shù)：常規(guī)PID控制器的參數(shù)調(diào)整為Kp=0.001 2，Ki=0.002 3，Kd=0.000 1；模糊PID控制器的初始參數(shù)為Kp0=0.001 5，Ki0=0.002 5，Kd0=0.000 1；變論域模糊PID控制器的參數(shù)選取為Kp0=0.03，Ki0=0.02，Kd0=0.001。

圖6為柴油發(fā)電機(jī)空載啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速曲線。常規(guī)PID控制下柴油機(jī)空載啟動(dòng)時(shí)的超調(diào)量大，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)；模糊PID控制下超調(diào)量和穩(wěn)定時(shí)間都得到一定程度的優(yōu)化；變論域模糊PID控制器作用下的曲線響應(yīng)速度最快、穩(wěn)定時(shí)間最短，空載啟動(dòng)時(shí)超調(diào)量最小。

圖6 柴油發(fā)電機(jī)空載啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速曲線

圖7為突加突卸50%負(fù)荷(即柴油機(jī)啟動(dòng)并達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后在空負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行,第10 s突加50%額定負(fù)荷，穩(wěn)定后在第15 s突卸50%額定負(fù)荷)時(shí)的轉(zhuǎn)速曲線，可很明顯地看到常規(guī)PID的控制曲線對(duì)干擾信號(hào)的響應(yīng)速度較慢、穩(wěn)定時(shí)間最長(zhǎng)；模糊PID曲線波動(dòng)較大；變論域PID輸出波形平緩、波動(dòng)幅度減小、穩(wěn)定時(shí)間最短，抗干擾性有很大改善。

圖7 突加突卸50%負(fù)荷時(shí)的轉(zhuǎn)速曲線

圖8為三相短路故障時(shí)的轉(zhuǎn)速曲線，模擬船舶電網(wǎng)未進(jìn)行電網(wǎng)保護(hù)時(shí)加入三相短路故障柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化情況(在第15 s時(shí)加入故障，第16 s時(shí)消除故障)。發(fā)生故障時(shí)，常規(guī)PID的動(dòng)態(tài)過(guò)程不太理想，波動(dòng)幅度最大、穩(wěn)定時(shí)間最長(zhǎng)；模糊PID有所改善；變論域模糊PID的響應(yīng)速度有所提高，曲線更為平滑、波動(dòng)較小，具有更快的響應(yīng)速度、更小的波動(dòng)量和更好的自適應(yīng)性。

圖8 三相短路故障時(shí)的轉(zhuǎn)速曲線

對(duì)于船舶柴油發(fā)電機(jī)這種時(shí)變的非線性復(fù)雜系統(tǒng)，在不同工況下受到不同干擾時(shí)，變論域模糊PID的控制均能取得較好的控制效果、達(dá)到預(yù)期目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

船舶柴油發(fā)電機(jī)變論域模糊PID速度控制器采用模糊推理的算法對(duì)參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，以滿(mǎn)足各種工況下調(diào)速的需要。通過(guò)MATLAB/Simulink平臺(tái)進(jìn)行建模仿真，結(jié)果表明：變論域模糊PID控制相對(duì)于常規(guī)PID和模糊PID具有更好的魯棒性和自適應(yīng)性、更快的響應(yīng)速度和更小的超調(diào)量，可給發(fā)電柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際開(kāi)發(fā)提供一定的參考。

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RotationSpeedControlofMarineDieselEngineGeneratorBasedonVariableUniverseFuzzy-PID

YANGSen1,2，YANGJie1,2，ZHANGJundong3，ZHULiangliang3

(1. National Defense Science and Technology Key Laboratory of Ship Integrated Power Technology of Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. China Ship Industry System Engineering Research Institute, Beijing 100036， China; 3. Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026， China)

2015-11-19

國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2012BAG03B02)

楊 森(1987—)，男，河北衡水人,工程師，碩士，從事艦船電力推進(jìn)及自動(dòng)化控制工作。E-mail:yangmengfei@126.com

1000-4653(2016)01-0017-05

U665.11；TP273.2

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