（机械电子工程专业论文）大水位差港口客运缆车监控系统研究.pdf

武汉理丁大学硕士学位论文 摘要 地面缆车是大水位差港口斜坡道码头运送旅客、搬运货物的主要交通工 具，采用钢丝绳牵引方式拖动，其控制系统的自动化水平在很大程度上决定 了缆车运行的安全可靠性。缆车的安全运行取决于两个方面：一方面是当水 位涨落时，缆车如何实现实时准确地调绳，避免发生危险；另一方面是如何 保证缆车运行平稳，冲击小，保证乘客的安全。因此这两个方面也就是缆车 控制系统需要重点解决的问题。 目前，在长江三峡库区沿线港口的缆车控制系统大多采用手动调绳方 式，自动化程度低，调绳精度不高，缆车的平稳起制动问题也没有得到很好 的解决。本文从解决以上两方面的问题为出发点，在对现有缆车系统进行深 入调研的基础上，对缆车平稳起制动关键问题进行了深入的探讨，运用曲线 模拟和几何规划理论对缆车运行进行优化，得出了一些有价值的结论。为了 提高缆车调绳的自动化水平，将水位变送器测得的水位信号引入上位机，结 合模糊控制理论对缆车的自动及半自动调绳进行了研究，提出了缆车调绳模 糊控制的整套技术方案，即以水位差和水位变化的速率为二维模糊控制器的 输入量，以缆车的调绳量为控制输出量来实现缆车的自动调绳。本文开发设 计了缆车控制系统人机界面，利用v b 计算机高级语言开发了一套缆车仿真 控制系统，较好地实现了控制系统人机界面的功能，对水位实时跟踪，缆车 自动、半自动调绳以及重要参数的仪表显示都作了很深入的分析。特别是对 缆车调绳和水位报警的设计，作出了多个方案，经仿真研究表明，文中采用 的调绳报警方案达到了控制系统的要求，很好地表达了缆车调绳手动、半自 动、自动三种模式，为缆车控制系统的工程实际使用提供了技术支持。为了 实现缆车的智能调绳，须引入库区水位值的变化，但由于大水位差港口独特 的地理环境，难以采用打竖井的方式来测量水位值，本文在大量实验研究的 基础上，提出了一套缆车码头水位测量的可行方案，较好的解决了水位的测 量问题，同时对于水位信号的引入，采用5 l 单片机作为内核，以a d c 0 8 0 9 作为模数转换芯片开发出了一套专用模数转换模块，附加设计r s 2 3 2 串口 通信电路和硬件报警装置，解决了水位信号引入上位机的问题。 关键词：客运缆车，控制系统，缆车调绳，模糊控制，仿真，串口通信 武汉理t 大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e g r o u n d c a b l ec a ri st h em a i nv e h i c l ef o r e a r r i n gp a s s e n g e r s a n d c o n v e i n gc a r g o si nt h o s ep o r t so fg r e a tw a t e r l e v e lg a p s ，w h i c ha d o p ts t e e lw i r et o t o wt h ec a r r i g e f o rt h ec o n t r o ls y s t e mw h o s ea u t o m a t i z a t i o nl e v e ld e s c i d et h e c a b l ec a r ss a f t ya n ds e c u r i t yb yh i g hd e g r e ew h e ni ti sr u n n i n g h o w e v e ri tl i e s o nt o wa s p e c t sf o rt h ec a b l ec a rr u n n i n gw i t h o u ta c c i d e n t o nt h eo n eh a n d ，h o w t oa c t u a l i z ea d j u s t i n gr o p ei nt i m ea n da v o i d i n gd a n g e rb e c a u s eo ft h ee a ta n d f l o wo fc h a n g j i a n gr i v e r sw a t e rl e v e l ；o nt h eo t h e rh a n d ，h o wt oe n s u r et h e c a b l ec a rr e p o s e f u l l yr u n n i n g ，l i t t l ei m p a c t ，n a m e l yh o wt oe n s u r et h ep a s s e n g e r s s a f e t y s oh o wt o r e s o l v et h e s et o wp r o b l e m si st h ek e y s t o n ef o rt h ec a b l ec a r c o n t r o ls y s t e mn e e dt od o a tp r e s e n t ，t h ec a b l ec a rc o n t r o ls y s t e ma d o p tt h em o d ea d j u s t i n gr o p eb y h a n dh o w b e i ta tt h o s e p o r t sa l o n g t h es a n x i ar e s e r v o i r t h i s m o d e ，i t s a u t o m a t i z a t i o nl e v e li s v e r y l o wa n di ti sh a r dt o g e th i g hp r e c i s i o nw h e ni t a d j u s t i n gr o p e n o w ，t h ep r o b l e mt h a t h o wt o k e e pt h e c a b l ec a rc a l mw h e ni t s t a r t st or u na n ds t o p sd o e sn o tb er e s o l v e dy e t i nt h i sp a p e r ，w e w i l ls e ta b o u to u r w o r kb a s eo nh o wt or e s o l v ea b o v ep r o b l e m s a f t e rat h o r o u g hr e s e a r c ht ot h e p r e s e n tc a b l ec a rs y s t e m ，t h ep a p e r d i s c u s st h et e c h n o l o g ya n d k e yp o i n ta b o u tt h e c a b l ec a r s r u n n i n g a n d s t o p p i n gc a l m l y i ta p p l y c u r v e - s i m u l a t i o na n d g e o m e t r y - p r o g r a m m i n gt h e o r yt oo p t i m i z et h ec a b l ec a r sr u n n i n ga n dg e ts o m e v a l u a b l ea n ds i g n i f i c a t i v ec o n c l u s i o n o nt h eo n eh a n d ，i no r d e rt o i m p r o v et h e c a b l ec a r sa u t o m a t i z a t i o n l e v e l ，w ei m p o t t h ew a t e rl e v e l s i g n a l w h i c hb e m e a s u r e db yt r a n s d u c e rt ou p c o m p u t e r t h ep a p e rl i n kf u z z yc o n t r o l t h e o r yt o s t u d y t h ea u t o m a t i z a t i o na n dh a l fa u t o m a t i z a t i o nm o d ew h e nt h ec a b l ec a r a d j u s t s r o p e t h i sp a p e rb r i n gf o r w a r daw h o l ef u z z yc o n t r o ls c h e m eo ft h ec a b l ec a r s a d j u s t i n gr o p e i tt a k et h ew a t e rl e v e la n d t h ec h a n go f s p e e d o fw a t e rl e v e la st h e p l a n a rf u z z yc o n t r o l l e r si p u ta n dt a k et h e a m o u n to ft h ec a b l ec a r s a d j u s t i n g r o p ea st h eo u t p u t o nt h eo t h e rh a n d ，t h i sp a p e rd oag r e a td e a lw o r k o nt h eh m i d e s i g no ft h ec a b l ec a r sc o n t r o ls y s t e m i tc o n t r i v e das i m u l a t i o na b o u tt h ec a b l e c a r sc o n t r o l s y s t e mb y v bc o m p u t e r l a n g u a g e a n df u l f i l l e dt h eh m i s l i 武汉理工大学硕士学位论文 r e q u e s t t h i ss i m u l a t i o ns y s t e ms t u d yt h ea u t o m a t i z a t i o na n d h a l fa u t o m a t i z a t i o n m o d e ，c h a n go fw a t e rl e v e la n di m p o r t a n tp a r a m e t e r sd i s p l s yi np a r a m e t e r s e t a t t h es a m et i m e ，t h ep a p e rd i s c u s ss e v e r a ls c h e m e sa b o u tw a t e rl e v e la l a r ma n dt h e c a b l ec a r s a d j u s t i n gr o p ee s p e c i a l l y t h es i m u l a t i o ns y s t e mi n d i c a t e s t h a tt h e m o d eo fa l a r ma n da d j u s t i n gr o p ew a ss a t i s f i e dw i t ht h er e q u e s to ft h ec o n t r o l s y s t e m i tc a nu s c f o rr e f e r e n c ef o rt h o s ec a b l ec a rw h i c hh a sb e i n gu s e di np o r t s i na d d i t i o n ，t h ev a l u eo fw a t e rl e v e lm u s tb ei n t r o d u c e di no r d e rt or e a l i z e i n t e l l e c t u a l l ya d j u s t i n gr o p eo ft h ec a b l ec a r b u tb e c a u s eo ft h eg e o g r a p h i c a l e n v i r o n m e n to fg r e a tw a t e ：l e v e lp o r t s ，i ti sd i f f i c u l tt om e a s u r et h ew a t e rl e v e l v a l u e b yt h ew a yo fd i g g i n g t h es h a f t t h e p a p e r h a sd o n em u c hw o r ki n m e a s u r i n gt h e w a t e rl e v e lo ft h e c h a n 自i a n gr i v e r , a n dh a sd o n e al o to f e x p e r i m e n t s a t l a s t ，i t p u t s f o r w a r das e to fs c h e m et os e t t l ew e l lt h e m e a s u r e m e n tp r o b l e mo ft h ew a t e rl e v e l f o ri n t r o d u c i n gt h es i g n a lo ft h ew a t e r l e v e ls i g n a l ，t h i sp a p e r d e v e l o p s as e to fs p e c i a l - p u r p o s ea dm o d u l e ，w h i c hu s e s 5 1 s i g n a l c h i pm i c r o c o m p u t e r sa s t h ek e r n e la n da d c 0 8 0 9a sa dc h i p ，a n d d e s i g n sr s 一2 3 2 s e r i a lc o m m u n i c a t i o nc i r c u i ta n dh a r d w a r ew a r n i n gd e v i c ei n a d d i t i o ns oa st os o l v et h ep r o b l e mo fi n t r o d u c i n gt h es i g n a lo fw a t e rl e v e lt ot h e u pc o m p u t e r k e y w o r d s ：t h e c a b l ec a ri np o r t s ，c o n t r o ls y s t e m ，a d j u s t i n gr o p e ，f u z z y c o n t r o l ， s i m u l a t i o n ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 山区河流在汛期和桔水期，水位落差很大，水文特征复杂。长江中上游 沿线港口随着三峡库区的顺利蓄水水文特征改变明显水位大幅增加，考虑到 港区地质构造与地形条件、水文特征和投资条件等因素，港口码头多建成斜 坡式，坡度大多较小( 一般1 8 。左右) ，码头坡道较长。由于地域环境和自然 条件的影响，目前大部分山区港口码头设施简陋，乘客进出港都采用步行方 式，货物装卸和进出港采用人工搬运方式，乘客上、下船必须走过长距离的 坡道，行动困难，搬运效率低，容易发生危险酿成事故。为了促进地区经济 发展，加大港口码头的客运流量，减少乘客的滞港时间，保证乘客进、出码 头的快捷、方便和安全，国家西部交通建设科技项目管理中心以山区河流 大水位差港口建设关键技术研究课题立项专门研究客运承运缆车的相关技 术，并组织力量进行关键技术研究和缆车样车试验，当前三峡库区大部分新 建码头都采用了客运缆车作为交通工具运送旅客。一些原有客运码头也正根 据港口码头的实际情况逐步进行改建，采用客运缆车来输送乘客。资料表明， 采用客运缆车的输送方式是大水位差港口码头客运输送的必然趋势。 三峡库区的蓄水及开闸放水，使得库区的水文特征更加复杂。为了保证 客运缆车运行安全和乘坐舒适，对缆车控制系统和平稳起制动技术提出了迫 切的研究要求。本课题即来源于国家西部交通建设科技项目山区河流大水 位差港h 建设关键技术研究中“客运承运缆车控制系统研究”子课题1 1 j 。 1 2 课题研究的目的和意义 西部地区地域环境恶劣，水、陆交通不发达，物流不畅通，地区经济发 展严重滞后。国家针对三峡工程建设和库区蓄水后水文特征、地理环境的改 变，提出了对西部长江中上游一带沿岸大水位差港口进行规划重建。山区河 流大水位差港口建设关键技术研究课题的立项对交通建设、地区经济的发 展意义重大。 武汉理工大学硕士学位论文 “客运承运缆车控制系统研究”是西部港口建设客运缆车系统研究中的 重要内容，它触及的技术种类包含机械、电力拖动、自动化、信息工程、管 理自动化，监测、监控自动化等广泛的技术综合运用。本课题依托三峡库区 重庆万州港鞍子坝客运码头淹没复建工程，针对港口客运缆车的平稳起制动 和安全、稳定运行进行研究，其技术和经验可以推广到其它西部同类港口工 程中。另外，作为斜坡式码头集装箱和件杂货运输工具的货运缆车，采用同 样的电气控制系统也具有重要的意义。 本课题研究是在依托工程的基础上，以缆车乘客乘坐的舒适性和安全性 为目的，研究出一套切实可行、自动化程度高、适合西部港口特征的客运缆 车控制系统。其课题研究成果将对西部大水位差港口建设和区域经济发展有 着重大的意义。 1 3 国内外缆车研究的现状 1 3 1 国内地面缆车情况 地面牵引缆车作为斜坡道的运输工具应用非常广泛，主要应用在煤矿斜 井、斜坡道码头、旅游景点等地。地面缆车使用钢丝绳牵引，在地面上沿着 一定轨迹行走，主要用于大高差地段上人员和货物的提升，相对于其它运输 工具，地面缆车的主要特点是提升能力强，线路坡度可以相当大。在某些特 殊地段，地面缆车可以发挥其它运输工具不可替代的作用，我国早期的地面 缆车基本从矿用斜井人车发展而来，技术相对落后，安全性不足。 目前我国旅游景点地面缆车主要由北京起重运输机械研究所研制，该所 近期建设的地面缆车项目有：贵州黄果树地面缆车和河南济源五龙口地面缆 车。长度均为2 0 0 米左右，坡度2 0 一3 0 度之间，运行速度分别为4 m s 和2 m s ， 车厢载客分别为3 0 人和1 8 人。此前国内其它地方的一些缆车主要存在无轨 道制动器( 缆车最重要的安全设备) ，线路设计不合理，控制系统简陋等安全 问题。该所在设计及建设此两项目时，全面参照了将颁布和实施的地面缆 车安全规范( g b 标准，强制规范) 。对这些问题加以重点考虑，车厢都设 置了安全可靠的轨道制动器，电气控制系统设置了多套安全装置。起制动平 稳，并可自动运行。此两项目都通过了技术监督部门和国家客运架空索道安 全监督检验中心的审查验收，已正式运营取得了良好的经济和社会效益。 地面缆车作为大水位差港口斜坡道码头的客运工具最早出现在8 0 年代 武汉理工大学硕士学位论文 的川江重庆，用于朝天门轮渡上下旅客，缆车形式为纵向阶梯缆车，由缆车 侧面上下人，缆车在离码头2 米多的地方就停下不用正面停靠，因此避免了 由于过卷引起的断绳因素，这给安全控制带来了好处。目前三峡库区沿线港 口正在进行码头的重建和改建工作，全部采用地面缆车作为斜坡道运输工具。 例如实地调研的重庆云阳港，缆车系统由四川矿山机器( 集团) 有限责任公 司承制，缆车载客人数5 0 人，载重量4 5 t ，整套系统由一上一下两台缆车组 成。电气控制部分由武汉港迪电气系统有限公司设计制造，主要由p l c 和触 摸屏构成控制内核，控制点两个，为一主一辅两个控制台，调绳模式为手动 调绳。根据多年的使用情况，大型客运缆车调速及平稳起制动问题一直没名 解决好，经常引起关注。 目前国内地面缆车的电气控制系统是交直流调速控制系统均用，控制水 平表现在以下几个方面【1 1 1 【4 5 】： 交流绕线式电机转子串电阻调压调速，其调速比为1 比3 ，特点是 线路简单、成本低易维修、但调速性能差、无低速下降、效率低、 功率因数低运行费用高。 绕线式电机转子串电阻调压调速，配合直流能耗制动，可以在重载 下降时有1 比5 的调速比。如配合涡流制动器时可以有1 比1 0 的调 速比( 但不能长期低速运行，而且加大了系统的g d 2 且效率低) 交流鼠笼型电机变级调速，可有1 比4 的调速比，但只能适用于小 电机且调速时有冲击。 交流变频调速使用通用鼠笼型电机或专用鼠笼型电机，可以获得1 比1 0 0 或更高的调速比，可以在整个范围内连续调速，实现基频以 下为恒转矩控制，基频以上为恒功率控制。 直流调速，使用直流电动机，调速比可达1 比1 0 0 ，可以在整个范围 内连续控制，在额定转速以下为恒转矩、额定转速以上为恒功率， 其缺点是直流电动机有机械式换相器，易坏，维修不方便，成本高， 使用环境受限制。 基于上述，港口载人缆车应采用交流变频调速方式，配合p l c 、工控机 及通讯设施等，构成较先进的客运缆车监控系统。 货运缆车目前宜采用交流绕线式电机转子串电阻调压调速，配合p l c 等 构成监控系统。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 国外地面缆车情况【1 8 儿1 9 】【2 3 】【2 5 】 缆车作为交通工具在国外使用非常广泛，比如：城市轨道交通、港口运 输以及旅游景点载客等。特别是作为港口运输工具，历史悠久。 美国西部海港城市旧金山，缆车仍是重要的交通工具，其牵引和制动 方式如下：在两条铁轨中间有一凹槽，槽内有一连续移动的钢缆，为 缆车提供牵引动力。缆车底部有一具夹固装置，伸入凹槽内。驾驶员 操纵控制杆，即能使夹固装置牢牢夹住钢缆，钢缆牵引缆车前进。反 之，若夹固装置松开钢缆，则缆车失去牵引力，减速行驶，驾驶员通 过手动制动器可以将缆车停住。 瑞士缆车公司设计的缆车系统：该系统由两台缆车组成，靠一套平衡 驱动绳联在一起，两台缆车在同一个轨道上行驶，在斜坡中间有一个 让车道，会车时，可以错开行驶，同时该系统具有过载保护、地震保 护等安全措施。 锡金首都甘托克缆车情况：由一套2 7 0 k w 的柴油发电机提供动力， 另外还有一套热备用的发电机，在紧急情况下可以投入运行。 国外现代化的缆车运行监控中心如下图所示。 1 4 本文主要研究内容 本文将在依托工程的基础上，深入分析现有缆车工程控制系统的优缺 点，从可靠性和安全性出发将电气控制和安全保护装置有机地结合起来设计 4 武汉理工大学硕士学位论文 出一套自动化水平高，操作简单可靠的智能监控系统，具体研究内容如下： 缆车平稳起制动关键技术研究。缆车平稳起制动是关系到乘客乘坐 安全舒适的一个重要因素，本文采用最优化技术和曲线模拟方案来 优化缆车的运行参数，使乘客在缆车起制动时所受的冲击最小。 大水位差港口的水位测量方案设计。为了实现缆车的智能调绳，必 须引入河流的水位值，但由于大水位差港口的地理环境，难以采用 打竖井的方式来测量水位值，本文将突破港口传统水位测量方法难 以凑效的技术难点，提出一套切实可行的水位测量方案。 编写港口缆车监控系统仿真软件。本文将以v b 作为开发语言，将水 位信号经过模数转换后引入工控机，实时监控缆车系统的运行状态 和各项技术参数，实现缆车随水位变化的可靠调绳。 水位的a d 转换及报警方式设计。本文将采用5 1 单片机作为内核， 以a d c 0 8 0 9 作为模数转换芯片开发出一套专用模数转换模块，另外 附加设计r s 2 3 2 串口通信电路和硬件报警装置。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章缆车平稳起制动关键技术及控制方案设计 2 1 港口缆车概况 2 1 1 港口缆车系统 山区河流大水位差港口一般采用缆车作为运输工具搬运货物和接送旅 客进出港。特别是在坡长和坡度角较大的情况下，客运缆车显得尤为优越， 考虑到乘客乘坐的舒适性及安全性，同时为了使旅客以最短的时间进出港， 对缆车控制系统、缆车运行方式及传动方案均提出了新要求，图2 - 1 是缆车 运行及传动方案示意图： 图中，t m r l ： f 1 ： f ，： 图2 - 1 缆车拖动系统示意图 电动机的输出转矩 卷简转速 上行缆车对卷筒的作用力 下行缆车对卷筒的作用力 武汉理工大学硕+ 学位论文 上、下行缆车由缆车提升机卷筒有机地联在一起，此上彼下，速度大小 和运行完全相同，只是方向刚好相反，下行缆车给上行缆车起一个活配重的 作用，以减小电动机的驱动功率。电动机的转速由变频器控制，缆车运行可 以实现无级变速，从而使乘客所受冲击最小。 缆车速度由零开始到匀速行驶以及从匀速行驶到缆车停车都有一个变 速的过程。为了减小乘客所受的冲击，关键要控制缆车变速和起制动时的加 减速度，保证乘客乘坐的舒适性和安全性。下面通过具体分析缆车的速度一 时间益线，来优化缆车的运行。 2 1 2 客运缆车参数、码头地理参数及工作流程【1 1 本控制项目研究依托重庆万州港鞍子坝港区客运缆车的设计要求而进 行，其港口客运缆车参数、码头地理参数及乘客进出港流程如下： 1 、缆车系统参数 行驶速度1 2 5 m s 缆车 载客量6 0 人 卷筒直径2 0 0 0 r a m 缆车提升机卷筒宽度1 0 0 0 m m 电机功率1 l o k w 2 、码头地理参数 码头前底标高1 3 0 9 0 m( 黄海高程) 客运平台高程1 7 6 o o m 缆车道长度1 3 9 3 2 4 m 坡度比 1 ：3 ，0 2 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 、缆车工作流程 乘客下船到出站流程( 上行) 乘客进站到出站流程( 下行) 上行、下行两流程由上、下行缆车同时进行。 2 2 缆车运行优化分析 2 2 1 缆车运行v t 曲线 为了便于控制和操作，缆车运行的速度一时间曲线分为三个阶段：o a 段， 缆车由零开始加速上升，加速度逐渐减小；a b 段匀速运行，速度大小为v 。： b c 段缆车加速下降直至降为零，减速度逐渐增大，由此可以看出缆车在起 制动瞬间加速度绝对值最大。 武汉理工大学硕士学位论文 v v 】 0 v v 2 v l 0 - v l 。啦 m s a e t 蠡i - 。i bl 军 ， li j 蠹7 0 军 图2 - 2 缆车运行方案1 的v t 曲线 图2 - 3 缆车运行方案2 的v t 曲线 s ) 图2 3 为手动时，变频器分为五挡操作，运行情况较为复杂，现先以图 2 - 2 所示方案进行分析 2 2 2 变速曲线函数模拟 观察上行缆车运行曲线，假设加速上升段曲线( 0 a 段) v t 曲线为函数 “t ) ，减速上升段曲线( b c 段) 为函数g ( t ) ，s 为缆车运行距离，在低水位时 s = 1 3 1 m 1 】。 9 武汉理工大学硕士学位论文 则有： s 2 上1 ，( t ) d t + ，( fz _ ) + f g ( t ) d t 从旅客角度来讲，应使t 总= t 3 最小，以节约时i 旬，同时变速阶段所受冲 击应能承受。即两变速曲线要平滑，在t - 点加速度趋于零，在任何加速点位 置，加速度a o 1 9 2l m s 2 1 从控制角度来看，为了使电气控制简单可靠，如图2 - 2 所示，运行曲线 完全对称，函数f ( t ) 苇l l 函数g ( t ) 曲线特征完全一样，将上述约束条件转化为数 学模型即为： 2 _ 1 ，( t ) d t + 1 ，1 ( f 2 一f 1 ) ( 2 1 ) 川t ) - 掣忙m 1 l i m f “) = o ( t t ，) v a 0 a 叨 一 舢 i 图2 4 正弦曲线 在0 a 段，正弦曲线y = s i n 0 在0 【o ，玎2 】与上述对f ( t ) 的要求相吻合 所以用正弦曲线h ( t ) = as i n ( k t ) 来模拟f ( t ) 。 其中： a 一调幅参数( 0 墨k t s t ，) k 一调频参数k t t = 石2 ；t = 丌2 k 只要调整a ，k 的大小，即可改变f ( t ) 曲线曲率，使之符合要求，将 ，0 ) 一 o ) 代入( 2 1 ) 式，得： 2 丘 a s i n ( k t ) d t + ，l ( t2 一t 1 ) 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 另根据设计要求，匀速度a = k s mm s ，解上式得： 加七+ a ( t 2 - t 1 ) = 1 3 1 f 总= t 2 + f l ：t l 一_ 7 r 2 k s t a m ，厂7 ( 0 ) = a k s 0 9 8 1 即可以推得： m i n t 总= 1 1 4 k 一1 。1 3 1 a 一1 s tas m ；a ks 1 ；a ，k 0 即以总时间最小为优化目标。 2 2 3 数学模型的建立及优化( 2 1 以总时间为优化目标，a , k 为设计变量，f ( x ) 为目标函数，并根据 约束条件建立如下数学模型： m i n f ( x ) = 1 1 4 x 1 + 1 3 1 x 2 。 工l z 2 s1 三石s1 m z 1 工， 0 用几何规划求解上述优化问题，困难度为：t - ( n + 1 ) = 4 ( 2 + 1 ) = 1 ，则其对 偶问题就变成了具有线性等约束的一个非线性规划问题，因此还要用到一维 寻优技术寻求最终结果。 2 2 4 几何规划法求解缆车运行优化设计f 2 i 【3 4 】 设目标函数和各约束函数多项式中各项权重系数分别为：w o o ，w 0 ：，w 0 2 ， w l l ，w 2 1 。( o w 1 ) 则有 fw 0 0 = l( 归一性条件) w 。- + w 。z = 1 1 - w 0 1 + w l l = o ( 正交性条件) 。w 0 2 + w 1 】+ w 2 1 = o j 武汉理工大学硕士学位论文 解得用w 0 1 表示的对偶方程为： m ，= ( 等) “1 ( 等厂1 ( 圹1 转化为数学模型为： m i n m 卜( 半) 。( 鲁) 1 。稠 由于“x ) 为非线性函数，且非线性程度比较高，函数较为复杂，常规方 法难以作出其图形，为了使函数图形直观形象，此处利用m a t h e m a t i c a 4 1 数 学软件将“x ) 在区间工( ( ) ，1 ) 的图形绘制出来 3 5 1 。 图2 - 5 给出了m = 1 8 时的函数图形，当m 取其他值时图形形状完全相同， 只是数值不同而已。下面是软件给出的极小点( m = 1 8 1 ： 邮卜n 一【一( 半) “1 3 1 i 】壮t ( 击广”， x ，o 0 0 0 1 ，1 ，】 o m p p 一7 4 6 0 2 2 ， x + 0 0 2 4 4 5 5 2 ) 即：当x o 0 2 4 时，缆车运行总时间为7 4 6 s ，这与优化的结果基本吻合。 总时间 反值 图2 - 5 函数“x ) 的图形 权系数 ( w 0 1 ) 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 5 缆车运行优化c 语言程序 1 、搜索区间： # i n c l u d e ”s t d i o h ” # i n c l u d e ”m a t h h ” v o i dm a i n ( ) f l o a t k o ，f l ，f 2 ，f 3 ，a o ，a ，b ，a l ，a 2 ，a 3 ，m ； p r i n t f ( ”请输入k o ，a o ，m0 0 ( r ：n ) ； s c a n f ( ”f f f ，& k o ，& a o ，& m ) ； a l = a o ；a 2 = a o + k o ； f l - - p o w ( 1 1 4 a l ，a 1 ) + p o w ( 1 3 1 ( 1 一a o ，1 一a 1 ) 4 p o w ( 1 m ，1 - 2 4 a 1 ) ； f 2 - 一p o w ( 1 1 4 a 2 ，a 2 ) + p o w ( 1 3 1 ( 1 一a 2 ) ，1 - a 2 ) + p o w ( 1 m ，1 2 4 a 2 ) ； p r i n t f ( ”f l = l f 2 = f n ”，f l ，f 2 ) ； i f ( f l f 2 ) d o a 2 = a 3 ； f 2 = f 3 ； k o = 2 + k o ； a 3 = a 2 + k o ； f 3 = 一p o w ( 1 1 4 a 3 ，a 3 ) 4 p o w ( 1 3 1 ( 1 一a 3 ) ，1 一a 3 ) + p o w ( 1 m ，1 2 + a 3 ) ； ) w h i l e ( f 3 e l s e d o a l = a 3 ； 武汉理上大学硕十学位论文 -_-h_-一 f l = f 3 ： k o = 2 4 k 0 ； a 3 = a l - k o ； f 3 = 一p o w ( 1 1 4 a 3 ，a 3 ) + p o w ( 1 3 1 ( 1 一a 3 ) ，1 一a 3 ) 4 p o w ( 1 m ，1 _ 2 + a 3 ) ； ) w h i l e ( f 3 e ) ；n + + ) 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 -_-_-_-_-_h_r_-_，h_-一 i f ( f l 卢w 所以一5 用n b 表示。 表3 1 65 d 一321o123 456 p b00o000o0o0 10 40 81 o p mo0000oo00 20 71 00 7o 2 p soo0000o0 91 o0 70 2o0 o000000 51 00 500000 n s00o 20 71 o0 9oo0000o n m0 20 71 00 7o ，2oo0o0ooo n b 1 。oo 8o 4o 1o0o0ooooo 如果精确量x 的实际变化范围为【a , b 】，将f a , b 】区间的精确变量转换为 【_ 6 ，6 】区间变化的变量y 。采用如下公式 y = 1 2 x 一( n + 6 ) 2 ( b a ) ( 3 1 ，1 ) 由式3 1 1 计算的y 若不是整数，可以把它归入最接近于y 的整数，例如 武汉理工大学硕士学位论文 一4 8 归为5 ，2 7 归为3 ，o 4 归为0 。 一般情况，如果把k ，6 1 区间的精确量x ，转换为【h ，+ n 1 区间的离散量 y ( 模糊量) ，其中h 为不小于2 的正整数，易推出 y ；二l ( 3 - 1 - 2 i 、i j x 一( n + 扫) 2 b a 即 y ；2 n x 一( 口+ b ) 2 ( b 一盘) ( 3 - 1 3 ) 对于离散化区间的不对称情况，如 n ，+ 研】的情况，式( 3 - 1 - 3 ) 变为 y = ( 朋+ 甩) x 一04 - b ) 2 ( b 一拉) ( 3 1 4 ) 2 、第二种方法是将在某区间的精确量x 模糊化成一个模糊子集，该子集 在点x 处隶属度为1 ，除x 点外其余各点的隶属度均取0 ，这种方法相比更为 简单。 3 1 4 模糊控制器的结构设计 模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量。因 为模糊控制器的控制规则是要模拟人脑的思维决策方式，而人对于误差( 输 入变量和输出变量之差) 、误差的变化以及误差变化的速率的敏感程度是有差 异的。一般说来，人对误差最敏感，其次是误差的变化，再次是误差变化的 速率。模糊控制器的控制规则是根据人的手动控制规则提出的，所以模糊控 制器的输入变量也可以为三个，即误差( e ) 、误差的变化( ) 、误差变化 的变化( 庄) ，输出变量般选择控制量的变化。一般将输入变量的个数称为 模糊控制器的维数，下面给出单输入单输出模糊控制器的几种结构形式。 图3 - 4 一维模糊控制器图3 5 二维模糊控制 e 图3 - 6 三维模糊控制器 2 5 武汉理工大学硕士学位论文 一般情况下，一维模糊控制器用于一阶被控对象，由于这种控制器输入 变量只选误差一个，它的动态控制性能不佳。所以，目前被广泛采用的均为 二维模糊控制器，这种控制器以误差和误差的变化为输入变量，以控制量的 变化为输出变量。从理论上来讲，模糊控制器的维数越高，控制越精细。但 是维数过高，模糊控制规则变得过于复杂，控制算法的实现相当困难。目前 人们广泛设计和采用二维模糊控制器，以降低控制难度和提高控制质量。 3 1 5 模糊控制规则的设计 控制规则的设计是设计模糊控制器的关键。一般包括三部分的内容：选 择描述输入输出变量的词集，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 、选择描述输入输出变量的词集 由于人们在日常生活中和在人一机系统中对各种事物变量的语言描述， 一般都选用“大、中、小”三个词汇来描述模糊控制器的输入、输出变量的 状态。人的行为在正、负两个方向的判断基本上是对称的，将大、中、小再 加上正、负两个方向并考虑变量的零状态，共有七个词汇，即： 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大) r、 一般用英文字头缩写为： b ，m ，埘，o ，傩，p m ，p 日 ，选择较多 的词汇描述输入、输出变量，可使制定控制规则方便，但是控制规则相应变 得复杂。选择词汇过少，又使变量描述变得粗糙，导致控制器性能变坏。一 般情况下，都选择上述七个词汇，也可以根据实际系统需要选择三个或五个 语言变量。对于误差变化输入变量，选择描述其状态词汇时，常常将“零” 分为“正零”和“负零”，这样的词集变为： 负大，负中，负小，负零，正零，正小，正中，正大 r 、 i n b ，n m ，n s ，n o ，p o ，p s ，p m ，p b 、 描述输入、输出变量的词汇都具有模糊待性，可用模糊集合来表示。因 此，模糊概念的确定问题就直接转化为求取模糊集合隶属函数的问题。 武汉理工大学硕士学位论文 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，得到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。如图3 7 所示的隶属函数曲线表示论域x 中的元 素x 对模糊变量a 的隶属程度。 l o 7 0 5 o ，2 图3 7 隶属度函数曲线图 设定； x = - 6 ，5 ，一4 ，一3 ，- 2 ，1 ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) 则有： 乜( 2 ) f 皂( 6 ) = 0 2 ；f 苎( 3 ) = p 皂( 5 ) = 0 7 ，户也( 4 ) el 论域x 内除x = 2 、3 、4 、5 、6 外各点的隶属度均取为o ，则模糊变量a 的模糊子集为 a = 0 2 2 + 0 7 3 + i 4 + 0 7 5 + 0 2 6 由上面的例子不难看出，确定了隶属函数曲线后，就很容易定义出一个 模糊变量的模糊子集。实验研究结果表明用正态型模糊变量来描述人进行控 制活动时的模糊概念是适宜的。 因此，可以分别给出了误差e 、误差变化速率r 及控制量c 的七个语 言值 胎，删，船，d ，船，蹦，朋 的隶属函数。 3 、建立模糊控制器的控制规则 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人们 武汉理工大学硕士学位论文 通过学习、试验以及长期经验积累而逐渐形成的，存贮在操作者头脑中的一 种技术知识集合。手动控制过程一般是通过对被控对象( 过程) 的一些观测。 操作者再根据已有的经验和技术知识，进行综合分析并作出控制决策，调整 加到被控对象的控制作用从而使系统达到预期的目标。 下面以手动操作控制水温为例，总结一下手动控制策略，从而给出一类 模糊控制规则。 设温度的误差为e 、温度误差的变化为c e ，热水流量的变化为c u 。假 设选取e 及c u 的语言变量词集为 t u b ，n m ，n s ，n o ，p o ，p s p m ，p b 、 选取c e 的语言变量词集为 ，、 、j b ，n m ，n s ，0 ，p s ，p m ，p b 现将操作者在操作过程中要遇到的各种可能出现的情况和相应的控制策 略汇总为表3 - 2 。 表3 - 2 模糊控制规则表 惑 n bn mn sop sp mp b n bp bp bp bp bp m0o n mp bp bp bp bp mo0 n sp mp mp mp mon sn s n op mp mp son sn mn m p op mp mp son sn mn m p sp sp s0n mn mn mn m p moon mn bn bn bn b p boon mn bn bn bn b 由表3 - 2 所描述的控制规则，正是一类根据系统输出的误差及误差的变 化趋势来消除误差的模糊控制规则。这个控制规则可以用下述