（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的水轮机调速器研究.pdf

摘要 水轮机调速器是水电站重要设备之一。它调节发电机频率、运行方式以 及水轮机功率的输出，其性能的好坏直接影响着电能品质和水电站的安全运 行。对水轮机调速器的软硬件实现及控制策略的研究具有重要意义。 本文首先概述了水轮机调速器的发展历史、研究现状和发展趋势，接下 来对d s p 技术的特点作了简要总结。通过建立水轮机调速系统的数学模型， 结合模糊控制理论和m a t l a b 软件，提出了水轮机调速器模糊自整定策略。 它将模糊推理与传统的p i d 控制相结合，使得水轮机调速器能够更好的适应 工况的变化。仿真的结果表明，模糊自整定p i d 控制策略是行之有效的。接 下来的两章首先对t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列的d s p 的软硬件作了必要的说明，然 后对基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的水轮机调速器系统软硬件设计作了详细论述。硬 件部分先作了整体论述，然后具体介绍了d s p 测频电路、p w m 输出电路、液 晶显示电路、模拟量输入电路、开关量输入输出电路以及与p c 接口电路。 软件部分首先介绍了软件开发的环境及要完成的任务，给出了测频子程序、 a d 转换子程序、带死区p w m 输出子程序、液晶显示予程序的设计及部分程 序代码。此外还详细介绍了利用p c 串口写d s p 片内f l a s h 的方法。 最后总结了整篇论文，指出了不足之处以及后续研究要解决的问题。 关键词：水轮机调速器，模糊控制，d s p a b s t r a c t i ti sk n o w nt h a th y d r a u l i ct u r b i n es p e e dg o v e r n o ri so n eo ft h ei m p o r t a n t e q u i p m e n ti nt h eh y d r o p o w e rs t a t i o n i tg o v e r n st h es p e e d ，t h eo p e r a t i n gm o d e a n d p o w e ro u t p u t o f h y d r a u l i c t u r b i n e i t s p e r f o r m a n c e e x e c s i m p o r t a n t i n f l u e n c eo nt h eq u a l i t yo fe l e c t r i ce n e r g ya n do p e r a t i o n a lr e l i a b i l i t yo ft h eh y d r o p o w e rp l a n t s i ti sa na c t i v es u b j e c tt or e s e a r c hs o f t w a r e a n dh a r d w a r er e a l i z a t i o n o ft u r b i n es p e e d g o v e r n o r i nt h ep a p e r , f i r s t ，a no v e r v i e wa b o u tt h eh i s t o r y ，c u r r e n ts t a t u sa n dt r e n do f h y d r o t u r b i n eg o v e r n o ri s d i s c u s s e d a n dt h e nt h eb e n e f i t so fu s i n gd s pa r e s u m m a r i z e di nb r i e f r e f e r r e dt h e f u z z yl o g i ct h e o r ya n d 脚l a b t h e s e l f - a d j u s t i n gp a r a m e t e r p i dc o n t r o l s t r a t e g y b a s e do nt h e f u z z yl o 酉c i s p r o p o s e d i tm a k e sg o v e r n o r m o r e a d a p t i v e t ot h er e a lc o n d i t i o n s n es i m u l a t i o n r e s u l ts h o w sp i dc o n t r o l l e rw i t h p a r a m e t e rf u z z ys e l f - a d j u s t i n gi sm o r e a v a i l a b l e 弧e f o l l o w i n g t w o c h a p t e r s i t f i r s ti n t r o d u c e st h eb a s i c k n o w l e d g e o f t m s 3 2 0 u 砣4 ( h t h e nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g n o f h y d r o t u r b i n e g o v e r n o rb a s e do nt m s 3 2 0 u 吃4 0 7d e v e l o p e db yt h ea u t h o ra r ed i s s e r t a t e di n d e t a i l n ec h a p t e ro fh a r d w a r ed e s i g nf i r s te x p o u n d st h ew h o l ed e s i g n s e v e r a l p r i m a r y c i r c u i ta r ed e s i g n e d ，i n c l u d i n gf r e q u e n c ym e a s u r i n gc i r c u i t ，p w m s i g n a l so u t p u tc i r c u i t ，l c dd i s p l a yc i r c u i t , a n a l o gs i g n a l si n p u tc i r c u i t ，o i l o f f i n p u t a n do u t p u tc i r c u i ta n dt h ei n t e r f a c ec i r c u i tb e t w e e nt h ed s pa n dp c s o f t w a r ed e s i g nf i r s t l yi n t r o d u c e ss o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta n dt h e t a s ko fs o f t w a r ed e s i g nf o rd s pb a s e dh y d r a u l i c t u r b i n es p e e dg o v e r n o r t h e ni t g i v e ss e v e r a lk e ys u b p r o g r a m ，i n c l u d i n gf r e q u e n c ym e a s u r i n g ，dc o n v e r t ， p w m o u t p u tw i t l lad e a db a n d ，l c dd i s p l a y i na d d i t i o n ，am e t h o d t op r o g r a m o n - c h i pf l a s h o fd s po v e rt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n si n t e r f a c ei sa l s op r e s e n t e d a tl a s t ，t h ea u t h o rg i v e sas u m m a r yo ft h ew h o l et h e s i sa n d p o i n t so u tt h e s h o r t a g eo f t h i sp a p e ra n dm o r er e s e a r c hf o rr e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：h y d r a u l i c t u r b i n eg o v e r n o r , f u z z yc o n t r o l ，d s p 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题的目的和意义 水轮机调速器是水轮机调速系统的核心，是水电站的主要自动控制设 备之一。机组空载运行时，它调节发电机的频率；机组并网运行时，它根 据系统频率的变化，调节发电机输出的有功功率，与其它机组的调速器一 起维持电力系统的频率在规定的范围内；电力系统发生故障致使某些机组 跳闸时，它可以使备用水轮发电机组迅速启动、升速和并网，保证电力系 统稳定运行。上述工作能否顺利完成，主要取决于调速器的调节性能和可 靠性。由于水轮机调速器对水轮发电机组安全、可靠地运行具有举足轻重 的作用，并直接影响着电力系统向用户供电的质量及可靠性，因此，水轮 机调速器一直是电力系统自动控制的重要研究内容。 7 0 年代末国内开始研究新型水轮机电液调速器，8 0 年代中期就有微机 型调速器投入运行。现阶段，主要以可编程控制器( p l c ) 和工业计算机( i p c ) 为控制核心，以步进电机、直流伺服电机或交流伺服电机为执行机构取代 电液转换器来构成水轮机调速系统。在水轮机调速器的控制策略方面，其 控制规律从定参数p i 、p i d 到变参数p i d ，水轮机调节系统的性能得到了不 断提高。此外，自适应控制、变结构时变参数自完善控制、模型参考多变 量最优控制等基于现代控制理论的控卷4 模型和控制方法也被提出并进行了 大量的理论研究。近年来，随着智能控制技术的出现，基于模糊逻辑和神 经网络及遗传算法的水轮机调速器智能控制律也被提了出来，这些研究对 水轮机调速器的发展起到了积极的推动作用，它们给出了提高调节系统的 鲁棒性和适应性的方法与途径。 随着国民经济的迅速发展和人民生活水平的日益提高，人们对电能质量 和可靠性的要求越来越高，现在系统频率的控制已由5 0 _ + 0 2 h z 提高到5 0 o 。i h z ；同时电力系统的规模越来越大，水轮机组的单机容量越来越大， 如三峡电厂单机容量将达7 0 万千瓦，这些都对水轮机调速器提出了更高的要 武汉理工大学硕士学位论文 求，迫切需要采用现代新技术，从理论上进行系统研究，开发和研制功能更 全、产品质量更高、运行更加可靠的新型调速器。所以本课题的研究既有一 定的学术意义，又有很大的实用价值。 1 2 水轮机调速器国内外发展概况 水轮机调速器首先经历了由机械液压型向电气液压型的发展。机械液压 调速器( 简称机调) 静、动态特性较差，而且存在机件磨损问题，但有较高的可 靠性。本世纪4 0 年代出现的电气液压调速器( 简称电调) 相对机调来说，性能品 质得到了一定的提高。在测量和控制精度等方面均有较大改善，而可靠性却没 有得到明显提高。机调和电调在我国已建的水电站中还占有较大的比例。 2 0 世纪8 0 年代，世界上发达国家的著名水轮机调速器公司均毫无例外地先 后研制了微机调速器。日本是率先研制微机调速器的国家之一，其中著名的有 日立公司和东芝公司。a b b 公司也是电站微机控制设备起步较早、发展较陕的 企业之一。法国奈尔皮克( n e y r p i c ) 公司、德国西门子( s i e m e n s ) 公司、美 国伍德华德( w o o d w a r d ) 公司、瑞士埃舍尔维斯( e s c h e rw y s s ) 公司、比利时 的a c e c 公司、挪威的k b b 公司等也均推出了各自的微机调速器产品。 8 0 年代初我国就开始了基于微机的水轮机调速器( 简称微机调速器) 的研 究开发工作，8 0 年代中期这种新型的调速器在我国投入实际运行。实践表明， 微机调速器的性能品质比机调和电调均有明显提高，主要性能指标能够达到当 代国际先进水平，而且功能实现简单，操作调整方便，可靠性也容易得到保证。 因此，从8 0 年代末开始，我国微机调速器的研制呈现出蓬勃发展的局面，市场 上涌现了各种不同类型的微机调速器产品。 曾经应用到微机调速器中的微机型式很多，女1 3 8 0 3 1 、8 0 8 6 、8 0 9 8 、8 0 9 6 等不同的c p u ，它们主要有单板微机、单片微机及s t d 总线微机几种系统类型。 8 0 年代中，这些种类的微机调速器在我国大约投运了1 0 0 多台。到了9 0 年代， 随着可编程逻辑控制器( p l c ) 和工业控制微机( i p c ) 的应用和发展，出现了基于 p l c 和i p c 的微机调速器。其出色的可靠性和性能品质表明我国微机调速器的研 制和生产在9 0 年代进入了第二个发展时期，近年来这两种类型的微机调速器在 我国大中型水电站中产生了较好的反响。 p l c 调速器以其高可靠性在水电站得到了广泛应用。它用梯形图编程，虽然 简单易用，但不灵活，难以实现复杂控制规律；通过a d 、d a 模块控制步 2 武汉理工大学硕士学位论文 迸电机的方式实现简单，但却成为提高调速器性能的瓶颈；p l c p q 部高速计数 频率偏低，用于大型机组的调速器为了提高测量精度通常自行设计测频模块， 在我国调速器厂家现有设备和条件下，难以保证自制模块的高可靠性；各种基 于智能控制的方法已被证明极为实用，但中低档p l c 因资源有限、编程语言等 原因难以实现。为了解决上述问题，本文提出用一种新型的，以d s p 为核心的可 编程控制器构成水轮机调速器，它需要的外围硬件极少，提高了系统可靠性。 同时采用c 语言和d s p 汇编语言混合编程，开发水轮机调速器应用软件，能够 实现诸如模糊p i d 等高级控制算法。 1 3d s p 技术 d s p 高速信号处理器是8 0 年代初诞生的一产物，在过去的二十多年时 间里，随着其芯片性能价格比和开发手段的不断提高，目前已渗透到各个领 域，得到飞速的发展。它不同于目前通用的微处理器。通用型微处理器，采 用的是冯诺依曼结构，即程序指令和数据共用一个存储空间和单的地址与 数据总线；而d s p 采用的是哈佛结构，是将程序指令与数据的存储空间分开， 各有自己的地址与数据总线。这就使得处理指令和数据可以同时进行，从而 大大提高了处理效率。另外，它具有专门的硬件乘法器，广泛的流水线操作， 特殊的d s p 指令再加上集成电路的优化设计，使得d s p 芯片的指令周期在 2 0 0n s 以下。公司的1 m s 3 2 0 系列处理器的指令周期已经从2 0 0 n s 降低至 2 0 n s 以下。其吣2 0 c 6 0 0 0 系列的d s p 主频已经超过了1 g h z ，快速的指 令周期使得d s p 能够实时实现许多d s p 应用。 d s p 系统的特点： ( 1 ) 接口方便。d s p 与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互 兼容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要 容易得多。 ( 2 ) 编程方便。d s p 系统中的可编程d s p 芯片可使设计人员在开发过程中 灵活方便地进行修改和升级。 ( 3 ) 稳定性好。模拟电路中的电阻、电客、运算放大器等器件的特性都会 随着温度的改变而改变。d s p 系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声 的影响较小，可靠性高。 ( 4 ) 精度高。1 6 位数字系统可以达到1 0 的精度。”。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数字 系统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产。 ( 6 ) 容易实现复杂算法。可以采用f f t 对输入信号进行频谱分析，进行故 障诊断；也可以实现卡尔曼滤波以及f i r 、i i r 滤波器；还能够实现现代人工 智能方法神经网络和模糊逻辑。 1 4 本文的主要工作 本文致力于基于d s p 的微机型水轮机调速器研究，并以水轮机调速器为 对象，提出一种模糊自整定控制策略。同时以d s p 为核心控制芯片，提出系 统的整体设计方案，并对系统软硬件作详细说明。简述如下： f ) l 式中：u 产u k ；u i = u 、l 皿：u f u d l ；p 产p ；l | ；l = l l ( 8 ) 电手动装置 其作用是将微机输出变为电手动装置的输出，属比例环节。以相对量表 示的输入、输出关系为： f u lau ；( 自动状态下) l u l 一群+ a d ；( 电手动状态下) 式中：埘为电手动操作量。显然，其传递函数为g ( s ) 一1 。 ( 9 ) 综合放大电路与电液器串联环节： 均属于比例环节，将其综合为一个系数为k 的比例环节，传递函数为 g ( s ) = k 。 ( 1 0 ) 液压放大器及主配环节； 原本属于比例环节，但由于开限反馈、手操机构及主配限幅的作用，使 其综合后成为一个非线性环节，其特性如图2 4 所示。 3 jl 口。 。7 一 一， 图2 - 4 液压放大器及主配压阀环节特性曲线 分段函数如下： 武汉理工大学硕士学位论文 仁善：洌 其中，s = k ( u - y ) 是电液器输出相对量，1 9 是主配输出相对量，盯，是主 配最大输出( 限幅值) ，它由机械开度限制机构及手动操作机构共同决定。 ( 儿) 位电转换器环节 位电转换器是导叶的反馈装置，该反馈装置将位移转换为电压，属比例 环节，传递函数为：g ( s ) = 1 _ ( 1 2 ) 主接力器环节 属于典型的积分环节。 数学方程：y 一扫o d t - 传递函数器一专 l 一接力器的反应时间常数，y ：里称接力器行程变化相对值。 y 。 2 2 3 调节器的差分方程 微机型调速器虽然多种多样，但其控制规律多数是p i d 型，个别采用适 应式变参数p i d 型。其控制规律是由软件编程( 算法) 实现的，所以是离散 数学模型。当采用p i d 算法时，一般先按连续系统理论设计，然后再将其离 散化，即取z 变换成脉冲传递函数，或直接按近似方法将连续的p i d 算式变 换为离散的差分方程算式。 调速器的输入信号是频率偏差e ( t ) ，其输出为控制作用u ( t ) ，在连续系 统情况下，p i d 算式为： 。p + 乃掣+ 扣叫 ， 式中，k p 为比例增益，t 。为积分时间常数，t ，为微分时间常数。 要将上式改换成差分方程，首先要选定采样周期t ，用矩形法数值积分 ( 欧拉法) 近似替代微分和积分算式。对于k t 时段，可写出差分方程： h ( 七) ；k e ( 七) + 乃兰i 垡掣+ 砉耋e ( 七) f ( z z ) 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 2 ) 式所表示的p i d 算式又称为全量式( 位置式) 算法，即控制器的输 出u 直接与执行机构的位置一对应。但是由于调节器输出的是控制对象调 节机构的位置值，当计算机发生电源消失故障或受到干扰时，将产生不必要 的错误动作，导致调节系统严重的事故或波动。针对位置式p i d 算法存在的 间题，文中采用增量式p i d 算法。增量式的算法推导如下： 对于( k 1 ) t 时段，输出为； “ 一1 ) - 七， e 一1 ) + l 墨垡2 i 掣+ 丢薹e ) 丁 ( 2 3 ) 与式( 2 - 2 ) 相减，可得增量式计算公式： 舢一侧垮水川+ 争骓9 夸叫q 4 微机调速器的控制规律由软件实现，因此可以大大的超出经典p i d 控制 的范畴。这就为使用模糊p i d 等先进的控制策略提供了可能性，使得水轮机 调节系统存p i d 的基础r 宴现智能棒制。 2 3 调节对象数学模型 调节对象包括引水管道系统，水轮机及发电机组三部分。下面分别阐述 系统中各组成部分的数学模型。本文中以混流式的水轮机为例。 一、水轮机 混流式水轮机的特性，可用下面两个方程来表示“： m r 竺p l ( 2 - 5 ) q q ( 日 盘)i 式中：m 。为水轮机主动力矩；q 为水轮机的过流量；h 为工作水头；n 为水轮机转速；a 为导水叶开度。 式( 2 5 ) 方程的函数呈非线性关系，将其线性化，得 p t - e h 。h + e x x + e y ) ， ( 2 - 6 ) i q 哥e 神_ i l + e 乒x + y 、。 武汉理工大学硕士学位论文 式中：气一a m 。l a h ，p ；一o m ，a x ，e ，；o m ，a y ，它们分别是水轮机转矩 对水头的传递系数、转矩对转速的传递系数( 又称水轮机自调节系数) 和转 矩对接力器行程的传递系数。8 种一蛔舶 ，e ，一a q a x ，e 。= a q a y ，分别 为水轮机流量对水头、流量对转速和流量对接力器行程的传递系数。 二、压力引水道 压力引水道的运动方程由水击方程描述。一般在小扰动清况下，且管道 长度小于6 0 0 8 0 0 m 时，可认为是刚性水击。刚性水击的传递函数为： g 0 ) 1 - t ： ( 2 - 7 ) 式中：l 一言鲁称为水流惯性时间常数( s ) ，它表示在额定水头q 下， 管道中流量由零增加到q ，所需要的时间。l 、f 分别代表管道的长度与截面 积。 有了引水管道的模型表达式，并将其与水轮机结合在一起考虑，则可得 到刚性水击下的水轮机( 含引水道) 的传递函数为： g ( s ) 。e y - ( e c t e h - = e 和e y ) t s ( 2 - 8 ) 1 + 瓦s 如果对水轮机作如下假定：( 1 ) 水轮机过流部分被看作是孔口出流，在各 种工况下的流量系数相等；( 2 ) 接力器行程按直线规律变化；( 3 ) 各种工况下 水轮机效率相等，则认为水轮机为理想水轮机。对于理想混流式水轮机，系 数e 矿0 5 ，e m , = 1 5 ，e ，= 1 0 ，e h 1 0 。 三、机组运动方程 根据动力学原理，将发电机及负荷综合考虑，可得到以力矩为输入量、 转速为输出量的传递函数： g m 志2 赤2 去 ( 2 9 ) 式中，t a 为机组惯性时间常数，t b 为负载中各转动部分时间常数， e , = 趣d x 称发电机负荷阻力矩对转速的传递系数或电机自调节系数。 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 系统框图及仿真模型 有了水轮机调节系统各组成部分的数学模型，即可作出系统框图。图2 5 中，c 为转速给定( 或网频) ；x 为机组转速；e 为偏差信号；u 为控制输出；y 为接力器行程；m 。为水轮机输出力矩：m 。为扰动或负载。 图2 5 中调节器为p i d 或模糊自整定p i d ，在下面的章节，首先以模糊 控制理论为基础，以此仿真模型对本文提出的模糊自整定p i d 用m a t l a b 进行 仿真分析。 图2 - 5 系统仿真模型 通过建立水轮机调速系统的数学模型，我们就可以很容易对水轮机调速 器的各种控制算法进行仿真研究。 需要指出，在具体实现某个算法之前，一般需要对其进行模拟，以判断 其正确性、复杂性和可靠性。以前d s p 算法模拟一般使用c 语言或f o r t r a n 语言等来模拟实现，但模拟的过程比较繁琐，调试不方便。现在这种模拟可 以用m a t l a b 语言快速方便的实现。 充分利用m a t l a b 编程简单、调试方便的优点来求取各种必需的系统参 数，并利用所求得的系统参数模拟实现i ) s p 过程，以检验设计思想是否正确， 可靠性如何，并对原方案进行修正。然后再用c 语言按得到的设计方案进行 d s p 编程，最后，再对c 程序进行汇编，在d s p 芯片上实现功能。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章水轮机调速系统的模糊p id 控制 3 1 模糊控制原理 3 1 1 概述 自从1 9 6 5 年美国加利福利亚大学的控制论专家l a l z a d c h 教授提出模糊 数学以来，吸引了众多的学者对其进行研究，使其理论与方法日臻完善，并 且广泛地应用于自然科学和社会科学的各个领域，尤其是在第5 代计算机研 制和知识工程开发等领域占有特殊的重要地位。由于模糊逻辑本身提供了由 专家构造语言信息并将其转化为控制策略的一种系统的推理方法，因而能够 解决许多复杂而无法建立精确数学模型系统的控制问题，所以它是处理推理 和控制系统中不精确和不确定性的一种有效方法。从广义上讲，模糊控制是 基于模糊推理，模仿人的思维方式，对难以建立精确数学模型的对象实施的 一种控制策略。它是模糊数学和控制理论相结合的产物，同时也是智能控制 的重要组成成分。模糊控制的突出特点在于： ( 1 ) 控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要提供 现场操作人员的经验知识及操作数据。 ( 2 ) 控制系统的鲁棒性强，适应于解决常规控制难以解决的非线性、时 变及大滞后等问题。 ( 3 ) 以语言变量代替常规的数学变量，易于形成专家的知识。 ( 4 ) 控制推理采用“不精确推理”。推理过程模仿人的思维过程。由于引 入了人类的经验，因而能够处理更复杂甚至“病态”系统。 水轮发电机组是一个具有非最小相位、非线性时变特性的被控系统。传 统的控制理论虽然在解决非最小相位系统的控制问题中，提出了很多有效的 办法，但是由于线性控制器的限制，并没有解决非最小相位系统中右半平面 零点造成系统输出“反调”的问题。基于专家知识或操作经验的模糊控制器 为这一问题的解决提供了一种新的途径。它不需要被控对象的精确数学模型， 对于处理非线性时变参数系统的控制问题具有良好的效果。模糊技术用于水 轮机调节系统，表现为以下几种形式： ( 1 ) 直接采用模糊控制作为模糊控制器，这种形式使用的最早。但是该 控制器具有稳态误差，因而单独使用模糊控制器需要另外解决稳态误差。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 化) 模糊技术和传统的p i d 技术相结合，形成了模糊p i d 控制技术。在 现有的模糊p i e ) 控制结构中，有模糊控制和p i d 控制在不同的控制区域进行 切换的模糊p i d 控制，还有采用模糊推理对p i d 控制参数自校正的p i d 模糊 控制等。本文考虑在小波动的情况下，采用模糊控制和p i d 控制切换时，切 换条件难以确定，而采用参数模糊自校正p i d 控制结构，使得系统根据不同 的运行工况能够自适应的调整p i d 的控制参数。 侣) 采用多输入的模糊控制器，相当于参数自适应p i d ，但是这种控制 器的设计非常复杂，规则的获取难度很大，在水轮机调节中应用较少。 3 1 2 模糊控制系统组成及原理 模糊控制属于计算机控制的一种形式，模糊控制系统的组成类同于一般 的数字控制系统，其方框图如图3 1 所示。 给 图3 - 1 模糊控制系统框图 模糊控制系统一般可以分为四个部分n ，： ( 1 ) 模糊控制器：它实际上是一台微计算机。根据控制系统的需要，可 以选用系统机，也可选用单片机或d s p 等。 ( 2 ) 输入输出接口装置：模糊控制器通过输入输出接口从被控对象获 取数字信号量，并将模糊控制器决策的输出数字信号通过数模变换，将其转 换为模拟信号，送给执行机构去控制被控对象。 ( 3 ) 广义对象：包括被控对象及执行机构，被控对象可以是线性或非线 性的、定常的或时变的，也可以是单变量或多变量的、有时滞或无时滞的以 及有干扰的多种情况。 ( 4 ) 传感器；它将被控对象或各种过程的被控制量转换为电信号。 模糊控制的基本原理如图3 2 所示，它的核心部分是模糊控制器，如图 中的虚线部分所示。 武汉理工大学硕士学位论文 培定 ： 模糊控锫嚣( 徽处理器) ： 传癌嚣h 一桩控对聋卜- - 叫执行机构 图3 - 2 模糊控制原理框图 模糊控制器中的控制规律是通过计算机程序实现的，实现一步模糊控制 算法的过程是这样的：微机经中断采样获取被控量的精确值，然后将该值与 给定值相比较得到误差信号e ，再把误差信号e 作为模糊控制器的输入量， 并对它进行模糊量化处理得到模糊控制量，用相应的模糊语言表示，于是得 到误差的模糊语言集合的一个子集e 。再用e 和模糊控制规n r 及根据推理 合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量u 为： u = e o r( 3 - 1 ) 对二维模糊控制，相应地还要将误差的变化率e c 作为模糊控制器的输 入，并得到模糊子集e c ，于是二维模糊控制的控制量“为： “( e e c ) o r ( 3 2 ) 为了对被控对象进行精确的控制，还需要将模糊量u 转化为精确量，这 一步骤称为非模糊化处理。得到了精确的数值控制量后，经过数模转换变为 精确的模拟量送给执行机构，对被控对象进行一步控制。然后，中断等待第 二次采样，进行第二步控制。这样循环下去，就实现了对被控对象的模糊控 制。 综上所述，模糊控制算法可以概括为如下四个步骤： ( 1 ) 根据本次采样得到的系统的输出值，计算所选择的系统的输入变量； ( 2 ) 将输入变量的精确值变为模糊量，即为模糊化过程； ( 3 ) 根据输入变量( 模糊量) 及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控 制量( 模糊量) 。 ( 4 ) 由上述得到的控制量模糊量计算精确的控制量，即为非模糊化过程。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 3 模糊控制规则的设计 模糊控制规则的设计是设计模糊控制器的关键，一般包括三部分内容， 即选择描述输入和输出变量的词集、定义各模糊变量的模糊子集及建立模糊 控制器的控制规则。 ( 1 ) 选择输入和输出变量的词集 模糊控制器的控制规则表现为一组模糊条件语句，在条件语句中描述输 入输出变量状态的一些词汇( 如“正大”、“负小”等) 的集合，称为这些变 量的词集( 也称为变量的模糊状态) 。 通常将输入输出变量模糊状态分别用如下七个词汇来插述： 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大 般用英文字头缩写为： n b ，n m ，n s ，0 ，p s ，p m ，p b 这样，描述输入和输出变量的词汇都具有模糊特性，可用模糊集合来表 示，模糊概念的确定性问题就直接转化为求取模糊集合隶属函数的问题。 ( 2 ) 定义各模糊变量的模糊子集 定义一个模糊子集，实际上就是要确定模糊子集隶属函数曲线的形状。 将确定的隶属函数曲线离散化，就得到了有限个点上的隶属度，便构成了一 个相应的模糊变量的模糊子集。 隶属度函数可以是任意形状的曲线，取什么形状取决于是否让我们使用 起来感到简单、方便、快速、有效，唯一的约束条件是隶属度函数的值域为 0 ，1 。模糊系统中常用的隶属度函数有如高斯型隶属度函数、钟型隶属度函 数、s i n m o i d 函数型隶属度函数、s 型隶属度函数等11 种。 一般来说隶属函数曲线形状较尖的模糊子集其分辨率较高，控制灵敏度 也较高；相反，隶属函数曲线形状较缓，则其控制特性也较缓，系统稳定性 较好。因此在选择模糊变量的模糊子集的隶属函数时，在误差较大的区域采 用低分辨率的模糊集，在误差较小的区域采用较高分辨率的模糊集，当误差 接近于零时采用高分辨率的模糊集。 另外，在选择描述某一模糊变量的各个模糊子集时，要使它们在论域上 分布合理，即它们应该能够较好地覆盖整个论域。在定义模糊子集时，使论 域中的任何一点对这些模糊子集的隶属度的最大值不能太小，否则会在这些 点附近出现不灵敏区，造成失控，使模糊控制系统的控制性能变坏。 ( 3 ) 建立模糊控制器的控制规则 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 模糊控制器的控制规则是基于手动控制策略，而手动控制策略又是通过 学习、试验以及长期经验积累而逐渐形成的，是一种技术知识的集合。手动 控制过程，一般是通过对被控对象的一些观测，操作者根据已有的经验和技 术知识，进行综合分析并做出控制决策，调整加到被控对象的控制作用，从 而使系统达到预期的目的。 利用模糊语言集合理论和语言变量的概念。可以将利用语言归纳的手动 控制策略上升为数值运算于是可以采用微计算机完成这个任务以代替人的 手动控制，实现所谓的模糊自动控制。 常见的模糊条件语句及对应的模糊关系月概括如下： ( 1 ) “若a 则b ”( 即i fat h e nb ) ： r ；a b + 爿e( e 为单位向量)( 3 - 3 ) ( 2 ) “若a 则b 否则c ”( 即i fat h e nbe l s ec ) ： r a b + a x c( 3 - 4 ) ( 3 ) “若a 且b 则c ”( 即i faa n dbt h e nc ) ： r - 0 4 c ) 。( 口c ) ( 3 - 5 ) 这条语句还可以表述为： “若a 则若b 则c ”( 即i fat h e ni fbt h e nc ) ： r t a f 8 c 1 一a n b c( 3 6 ) ( 4 ) “a 或b 且c 或d 则e ”( 即i fao rba n dco rdt h e ne ) ： r 一【( 4 + b ) x e 】【( c + d ) n e 】 ( 3 - 7 ) ( 5 ) “若a 则b 且若a 则c ”( i fat h e nba n di fat h e nc ) ： r ( 4 b ) ( 爿c ) ( 3 - 8 ) ( 6 ) “若a 。贝0b ，或若a ：贝0b 。”( 即i fa 。t h e nb 。e l s ei fa 。t h e nb 2 ) ： r - 4 b 1 + 乞b 2 ( 3 - 9 ) 3 1 4 模糊化方法 将精确量( 数字量) 转换为模糊量的过程称为模糊化。模糊化一般采用 如下两种方法： 1 、把精确量离散化，如把在 一6 ，+ 6 之间变化的连续量分为7 个档次， 每一档对应一个模糊集，这样处理使模糊化过程简单。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 如果精确量x 的实际变化范围为 a ，b ，将 a ，b 区间的精确变量转换为 一6 ，+ 6 区间变化的变量y ，采用如下公式： y - 1 2 x 一( 口- i - b ) 2 ( b 一) ( 3 一l o ) 由式( 3 1 0 ) 计算的y 值若不是整数，可以把它归入最接近y 的整数。 例如一4 8 一一5 ，2 8 3 ，0 1 一o 。 2 、将在某区间的精确量x 模糊化成这样一个模糊子集，它在点x 处隶属 度为1 ，除x 点以外其余各点的隶属度均为0 。 3 1 5 去模糊化方法 模糊化是计算每个输入变量在其对应模糊集上的隶属度。去模糊化即进 行相反的运算，也就是说，根据推理阶段得到的值计算实际的输出值。有几 种去模糊方法，其中用的最多的是g r a v i t y 方法。 m a t l a b 模糊逻辑控制箱中包括几种去模糊的方法，如： c e n t r o i d 重心法： b i s e c t o r 表面二分法； m o m 最大值平均法； s o m 取最大绝对值的最小值法： l o m 取最大绝对值的最大值法； 在这些方法中，最常用的是重心法“c e n t r o i d ”和“m o m ”法。重心法计 算推理阶段所得表面的重心并把它投影到水平轴上，这样就可以得到输出变 量以其隶属度作为权值的平均值。“m o m ”法计算最大隶属度的均值，较为简 单，但对于隶属程度比较小的元素没有考虑，利用信息量少。 3 2 水轮机调速系统的模糊p i d 控制 3 2 1 系统概述 水轮机调节系统是一个包含有水流、机械、电气的复杂的闭环系统，如 果仅从控制的角度看，水轮机调节系统是一个具有非最小相位、非线性时变 特性的复杂系统，系统相对来说不易稳定。p i d 控制算法由于其结构简单， 易于操作，参数易于调节，至今仍是生产过程自动化中使用最多的一种调节 器，大多数反馈控制系统用该方法或其较小的变形来控制，因此p i d 控制是 武汉理工大学硕士学位论文 水轮机调节系统的一种比较理想的控制方式。p i d 控制( 以并联p i d 为例) 是按偏差的比例积分和微分线性组合进行控制的方式。比例控制在偏差出现 时，立即能给出控制信号。使被控制量朝着减小偏差的方向变化，比例控制 信号较积分控制信号快，但在偏差很小时，控制信号也很小，调节过程较慢， 控制作用的强弱取决于比例系数k ，对于具有自平衡性的被控对象存在静差， 加大k ，可以减小静差，但k 过大时，会导致动态性能变坏、甚至会使闭环系 统不稳定；积分控制对偏差进行记忆并积分，可以防止小偏差长期存在，有 利于消除静差。但在偏差出现初期，偏差比较小，此时无论是比例控制还是 积分控制作用都比较小，速动性差，具有滞后特性。积分作用太强则会使控 制系统的动态性能变差，以至于使系统不稳定；微分控制信号反映偏差变化 速度，敏感偏差的变化趋势。在偏差刚形成时，就能有较大的控制作用，从 而加快调节过程。增大微分控制作用可加快系统响应，使控制系统超调量减 小，增加系统稳定性，其缺点是对于干扰敏感，使系统抑青4 于扰自2 力降低。 根据不同被控对象适当地整定p i d 控制器的3 个参数，可以获得比较满意的 控制效果。实践证明，这种整定参数的过程，实际上是对比例、积分、微分 三部分控制作用的综合。常规p i d 控制无法解决稳定性与减小偏差之间的矛 盾，加大控割作用可使偏差减小，但是降低了稳定性；反之，为保证稳定性， 限制控制作用，这样又降低了控制的精度。即使对被控对象整定了组满意 的p i d 控制参数，当对象特性发生变化时，也难以保持良好的控制性能。当 过程的随机、时滞、时变和非线性等特性比较明显时，采用常规p i d 调节器 很难收到良好的控帛8 效果，甚至无法达到基本要求。因此，要保证在各种工 况下均能优化运行，必须采用在线自整定技术，基于专家式p i d 自整定和模 糊p i d 自整定方法已显示出良好的应用前景。 模糊推理由于不需要了解对象精确的数学模型。只需要根据系统的误差 和误差变化率就能够调节相关的参数，计算相对简单，因此应用模糊推理来 在线调整p i d 参数，对于处理非线性时变参数系统的控制问题具有良好的控 制效果。本文采用模糊推理来在线整定p i d 控制器的比例、积分、微分三个 系数，系统的结构如图3 3 所示。 从图3 - 3 可以看出，整个系统由p i d 调节器、调节对象及模糊推理器三 部分组成，其中模糊推理器按照转速的偏差及其变化，根据模糊规则不断调 整p i d 调节器的比例、积分及微分系数。 矗汉理工大学硕士学位论文 图3 - 3 模糊自整定p i d 控制水轮机调速器系统框图 3 2 2 模糊自整定p l d 参数