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卜海师范大学硕士研究生学位论文 智能p i d 技术竹：恒压管线控制中的应用 摘要 论文介绍了机坪自动供油系统中的管线压力控制问题，针对供油管线中的 时滞、干扰问题提出了应用专家思想的智能p i d 控制策略，在控制参数的寻优 过程中创新性地应用数理统计的方法来权衡各组参数控制指标的优劣，通过仿 真与实施证明了控制策略和参数整定方法的优越性。 论文首先介绍了浦东机场机坪恒压供油系统的系统结构，论述了大时滞、 大干扰条件下恒压供油管线的控制目标。针对对象模型不能确定、系统鲁棒性 要求较高的特点，确定了以p i d 技术为核心的控制方法。在其后的控制方案选 择选择过程中，根据系统能智能化地满足各种工况的要求，通过对交参数p i d 、 模糊自适应p i l l ) 、专家整定p i d 等方案的细致分析，选择了应用专家思想的自 适应p i d 控制策略。 在系统实施过程中，论文以系统辨识和生产实践人员的经验作为基础，整 理归纳出能方便实现的专家规则。在随后的现场实现过程中，又针对p 1 d 控制 参数难以整定的问题，创新性地提出了基于数理统计的离线参数寻优方法，通 过对误差平方积分等指标的统计，形象地作出了各种控制方法和参数设置下的 控制效果横向比较。论文通过实践证明了专家整定p i d 控制方案在本系统应用 中的良好效果，其中针对组态软件趋势图的离线数据分析方法有很强的工程借 鉴意义。 关键词：智能p i d 、专家控制、参数寻优、数理统计 上海师范人学硕一t - 研究生学位论文智能pj d 技术，1 叵水萑线挣制中的麻用 a b s t r a c t t h i st h e s i sf o c u s e do nt h ep r e s s u r ec o n t r o lp r o b l e mo f a p r o n h y d r a n t - s y s t e m i nm o d e ma i r p o r t i m p l i e dw i t he x p e r t t h e o r y ，i n t e l l i g e n tp i dw a su s e dt os o l v e p r e s s u r ec o n t r o lp r o b l e m ，a n ds t a t i s t i c sm e t h o dw a si n n o v a t i v e l yu s e di np a r a m e t e r o p t i m i z i n gp r o c e s s w i t ht h ep r a c t i c ei nr e a l i z a t i o n ，t h ee x p e r tp i dc o n t r o lp o l i c y a n d p a r a m e t e ro p t i m i z i n gm e t h o di n t r o d u c e di nt h i st h e s i st u r n e do u ts u c c e s s f u l a tt h e b e 百n n i n go f t h i st h e s i s ，s y s t e ms t r u c t u r eo f a i r p o r ta p r o n h y d r a n t s y s a n di t sc o n s t a n tp r e s s u r e r e q u e s tw a si n t r o d u c e d f o rt h eu n c e r t a i nm o d e lo fs y s t e m o b j o c ta n dt h er e q u e s to fh i g hr o b u s t i c i t y ，p i dc o n t r o lm e t h o dw a sc o n f i r m e da st h e f i r s ts e l e c t i o na tt h ev e r yb e g i n n i n g i nt h ef o l l o w i n gp r a c t i c i n g ，s e l f - a d a p t i v ep i d c o n t r o l p o l i c yi m p l i e d w i t h e x p e r tt h e o r y w a se s t a b l i s h e dt o a d a p tc h a n g i n g c o n d i t i o n s i nt h e i m p l e m e n t a t i o np r o c e s s e x p e r tk n o w l e d g et h a t e a s y t o i m p l yw a s c o n c l u d e db a s e do ns y s t e m d i s t i n g u i s n n g a n dm a i n t a i n e r s e x p e r i e n c e i nt h e f o l l o w i n gp r a c t i c ei nr e a l i z a t i o n ，w ep u tf o r w a r dp a r a m e t e ro p t i m i z i n gm e t h o d u s i n g s t a t i s t i c st h e o r yt o o p t i m i z i n gp i dp a r a m e t e r s ，a n dh a v ec o m p a r i s o n sv i s u a l l yo n d i f f e r e n tc o n t r o l p o l i c i e sa n dp a r a m e t e r s k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n t p i d t e c h n o l o g y ，e x p e r tc o n t r o lp o l i c y ， p a r a m e t e r so p t i m i z i n g ，s t a t i s t i c sm e t h o d 上海师范大学顺士研究牛学位论文 智能p 1 d 技术在恒压管线控制中的席用 1 1 概述 第一章课题的应用背景 上海浦东国际机场是我国最大的航空港之。一，随着我国经济建设的发展和上 海浦东地区的加速开发，浦东空港的旅客吞吐量也与日俱增，每天进出空港的航 班数己近1 0 0 0 架次。起降的飞机有国际航线的大型喷气客机，也有地区间的中 小型喷气客机和专包机。停机坪供油管线的压力和流量变化频繁、多样，对供油 系统的压力、流量和加油时间都提出了新的要求。事实上，世界各国都把空港油 料供输系统的完善与否，视为大型国际空港的重要品质指标之一。 图1 1 浦东机场自动供油系统工况图 浦东机场油库担负着为浦东国际机场输送喷气燃料的繁重任务，机场油库的 油罐储量为6 0 0 0 0 r 方米，油库泵房配有1 0 台电机功率为1 1 0 k w 的加油泵，用 6 0 0 m m 的大口径管道以环线的形式通往浦东机场停机坪，环线管网总长为1 4 k m ， 其上设有1 2 6 个飞机加油的地井口。现有供油系统的装机容量超过1 0 0 0 k w ，最 大供油流量约为2 2 0 0 米3 孙时。从装机容量来说，在今后几年里要满足同时给 多架大型飞机加油的任务是没有问题的。但是，系统存在的压力控制问题使其不 能很好地发挥作用，难以满足机场不断发展的需要。 1 一 i 海师范大学硕士研究生学位论文 智能p 1 d 技术在恒压管线拧制中的应用 根据国际民航组织( i a t a ) 提供的地井加油规范，机坪加油系统( a p r o n h y d r a n ts y s t e m ) 的出口压力应恒定在o 5 m p a 左右，过低的压力将不能打开飞机 油箱的入口阀门，过高的地井压力则是不安全的。因此，除去机坪供油管网 o 3 m p a 的水力损失，泵机组的出口压力应该控制在o 8 m p a 左右。 白浦东机场在1 9 9 9 年落成后，随着航班量的增加，控制系统建设期间遗留 下来的问题也日趋明显：由于未在停机坪端安装压力检测装置( 只安装在了泵机 组出口端) ，使得控制回路的检测通道存在8 s 左右的时滞，导致系统响应滞后， 压力控制过程中震荡现象明显，泵机不必要地频繁启停，位于总管一端的泄压阀 频繁工作，加油接头和泵机、阀门的密封圈老损严重。 围绕供油管网恒压控制这个难题，结合油罐区存储检漏、工艺流程自动化等 需求，我利用在职读研的机会，对浦东机场自动供油系统的软件进行了彻底的重 新编制。 1 2 控制系统的结构 1 2 1 系统的硬件结构 浦东机场机场油库中的自动供油控制系统是典型的三层结构集散控制系统 ( d c s ) ，其控制任务主要分为供油管网的恒压控制和油罐区的收发储监控两大 功能，整个系统的系统结构如图1 2 所示。 第一层：管理层。管理层由两台小型服务器( 两台工业控制计算机) 组成， 该层的主要任务是运行人机界面( m m i ) 程序，完成数据的记录和作业的管理。 管理层运行的操作系统为w i n 2 0 0 0 系列，其上的应用程序包括由o p t 0 2 2 d i s p l a y 软件编制的人机界面程序、由o p t 0 2 2c d s 编制的数据中继程序。 第二层：控制和数据采集层。控制和数据采集层包括两台o p t 0 2 2 公司的 l c m 4 控制器和二十个i o 模块板，系统的核心控制程序由o p t 0 2 2c o n t r o l 软件编制后下载到l c m 4 控制器运行。该层的i o 模块负责循环采集2 0 0 多个传 感器上传的数据以及执行输出对泵机、阀门的控制信号，其与l c m 4 控制器的 卜淘师范人学碗上研究生学位论文 智能p 1 d 技术在恒压管线挣制中的府用 通讯通过d h 4 8 5 网络完成。 第一层 第二层 第三层 图l 一2 控制系统的三层结构 第三层：现场层。现场层由2 1 个压力传感器、1 5 个流量传感器、1 5 个温度 传感器、6 个液位传感器、1 8 个电动阀的控制器以及1 0 台泵机的执行机构等组 成，完成各有关物理量的测量、变送和开关动作。各传感器的信号经变送器由外 场信号电缆送至相应的i o 模块。 1 22 系统的功能模块与软件结构 本系统在功能实现上可分为两大模块，即罐区监控和泵组监控。罐区监控指 采集油罐区各种仪表的信息，包括油罐内存油的液位、温度、体积、密度以及油 罐体内外的差压、阀门的开度和指示信号，控制器内置的程序根据油罐的液位信 息来判断是否应该更换供油罐和进油罐。泵组监控指采集泵机组的信息，包括泵 机出口流量、轴承温度、出口压力、过滤器差压、电机电流、变频器频率、电流、 继电器结合情况以及进出油总管的温度和压力，控制器根据供油总管的压力来控 制泵机的启停以及变频泵的工作频率。 在软件结构上，我们将要实现的监控目标划分为以下几个功能模块： t 数据的采集、运算和分析； 3 卜海帅范大学硕卜研究生学位论文 智能p i d 技术在匣压管线控制中的应用 对油罐区阀门的控制流程 对泵机组和变频器的控制 流程控制与子程序调用。 1 3 供油管线的压力控制 供油管网的压力控制是机场自动供油系统的核心任务。围绕压力控制，在机 场建设时期设计单位已经将供油工艺设计为单变频器多泵并联的工艺流程。通过 国内外大型机场供油系统压力控制工艺的比较，这种单变频器多泵并联设计是最 为经济、可靠的。 1 ，3 1 控制目标 停机坪供油管网中的恒定压力能保证航空燃油平稳、安全地加注到飞机油箱 中，根据停机坪上不同的飞机加油数，供油管网中打开的加油地井数和需要的总 管流量是不断变化的，机场自动供油系统的主要控制任务便是将供油管网的压力 调定在o 8 m p a 的设定值。 1 3 2 单变频器多泵并联技术 为保障不同流量下的供油管网压力，在流量需求增大时，可以通过提高泵机 转速、增加并联的工作泵台数来调节流量供给，在加油架次减少时，可以通过减 小泵机的转速或减停泵机来调节。 油泵( 指离心式泵机，下同) 的调速特性曲线如图1 3 所示。如果希望把油 泵的出口压力稳定在o 8 m p a ，则泵的流量将随着泵的转速在叽q c 之间变化。也 就是说，管线的恒定压力可以通过对泵机转速的精确控制来实现。管路的水力特 性曲线如图1 - 4 所示。从图中可以看出，管路中的流量越大，所损失的水头压力 也越大，泵机调速曲线和管路水力曲线的交点便是我们所选择的泵机工作点。 i ：海师范火学碗卜研究生学位论文 智能p 1 d 技术在恒压管线控制中的应用 图1 - 3 泵机调速特性曲线图1 - 4 管路水力特性曲线 油泵转速的调节是通过变频器来实现的。变频器作为一种高效的调速装置， 己被愈来愈广泛地应用于拖动设备( 如传送带、电梯、水泵等) 上，应用变频器 所带来的明显优点包括：1 ) 、节能；2 ) 、控制精度的提高所带来的安全性、可靠 性的提高；3 ) 、减少了对电网的冲击等等。 图1 5 三台油泵并联运行管系示意图 图1 5 是单变频器调速三台油泵并联运行的管系示意图。图l 一6 是三台油泵 并联运行的特性曲线图( 五台油泵并联运行的特性曲线是类似的) ，其中一台油 泵的电机是由变频器供电的调速电机。如果希望将压力稳定在o 8 m p a ，则由变 频器供电的第三台油泵的工作点将随着停机坪流量需求的大小在q b 点和q c 点 之间变化。当流量小于q b 时，停止第一台油泵的工作，系统变成由第二台油泵 和由变频器供电的第三台油泵并联工作，压力仍然可以稳定在o s m p a 。当流量 小于一台泵的额定流量时，停止第二台油泵的工作，系统变成由变频器供电的第 三台油泵单独工作，压力还是稳定在0 8 m p a 。这就是单变频器多泵并联运行条 件下实现稳定管线压力控制的基本原理。 一7 一 水增 一 = 謇的 一 路避 一 话漉 一 ，r 上海! j l f j 范人学埘：i t i ) 究生学位论文 智能p 1 d 技术在恒压管线控制中的廊用 图卜6 三台油泵并联运行的特性曲线 1 3 3 压力控制的回路分析 从上面的描述可以看出，对供油管线的压力控制集中在对变频器的频率控制 和其他泵机的启停配合上。自动供油系统压力控制的闭环回路如图1 7 所示。 ( l c $ 4 )( d a n f o s s ) ( 被控对象) 图1 7 压力控制闭环回路 这里基本上是一个单回路系统，l c m 4 控制器可以提供给变频器开关信号 和频率设定值，变频器、电机和油泵共同组成广义意义上的控制对象。同时我们 可以看到，变频器作为执行机构，它本身也能实现对于泵机组的p i d 控制回路， 可以和主控制器一起组成一个串级控制回路。油泵出口的压力监测点将压力信号 反馈给控制器或变频器，反馈值与o 8 m p a 的压力设定值计算生成偏差值e 。 由于作为控制对象的供油管网上的地井分布较为分散，在远机位加油时与在 近机位加油时对象特性不同，加上油泵转速与管线压力之间也存在很大的非线 一6 一 上海师范大学硕士研究生学位论文智能p d 技术在恒压管线控制中的应用 性，冈此我们无法确切计算出控制对象确切的数学模型，只能通过系统辨识得出 近似的对象参考模型。 通用变频器的频率调节分为三种基本的方式：1 ) 设定变频器内的频率升、 降时间，变频器启停过程中按照设定的过程开环工作；2 ) 设定频率调节的p i d 参数，同时提供给变频器输出的设定值以及压力输出的反馈值，在设备级构成 个p i d 控制回路；3 ) 变频器从频率输入端口接收由外部控制器提供的4 2 0 m a 的频率控制值。 在我们原有系统的控制实现中，采用的是第二种方式，即使用变频器的内置 p i d 控制回路。在这种实现方式中，上级控制器只给出开关信号来启停变频器， 变频器在任何情况下只遵照一组单一的p i d 设定值来工作，因此这种控制方式是 极其简单、粗放的，实践证明控制效果很不理想。 在下面的论文中，我将围绕在本章中提出的压力控制问题，提出已经试验、 实现过的或者从参考材料上得来的各种可行的压力控制方案，并以方案论证得出 的结果为依据，具体论述专家p i d 控制及其离线参数整定方法在我们这套系统上 的应用。 b 虹1 ) i l i 弛人学硕士研究生学位论文 智能p i d 技术在恒压管线控制中的应用 第二章、控制方案的选择 对于供油管网的压力控制，从一开始我便确立了以p i d 技术为基础的策略方 针，那为什么选择p i d 作为核心的控制技术呢? 存卜一章我们对控制回路和控制对象的分析中已经看到，供油管网的特征模 型不能确切地得到，这正是p i d 技术的用武之地。p i d 控制不需要对象的确切模 型，它只是按照设定规律对偏差e ( 设定值与反馈值的差值) 进行比例、积分和 微分调节。“它的结构简单，参数易于调整，适应性“，对于那些动态模型不准、 -_ 参数变化较大的被控对象，采用p i d 控制往往能得到满意的控制效果”( 计算机 控制技术熊静琪) 。此外，我们选择应用p i d 技术的另一个重要原因是我们的 硬件设备，无论是d a n f o s s 的变频器还是o p t 0 2 2 的l c m 4 控制器，都已经集成 了p i d 控制回路和相关的设置指令，给我们应用p i d 技术提供了方便。 p 1 d 控制器的全称是比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 控制器，即控制器按 输入信号和反馈信号的偏差对输出信号进行运算调节，其原理如图2 1 所示。控 制器的称呼来源于传统的模拟控制系统，在微机控制系统普及应用的今天，单独 的p i d 控制器往往被数字控制器中的一个p i d 控制回路所代替，但是其基本的 输入、输出、犀馈结构没有变化，只是其中的模拟运算电路被数字控制回路中的 程序所替代。 图2 - 1p i d 控制器原理图 l 海帅范大学硕士研究生学位论，屯智能p i d 技术再j 噎压管线控制中的应用 在模拟调节系统中，p i d 算法的表达式为： u ( t ) = k p t ) + 去胁半】 其中，1 1 ( t ) 为调节器的输出信号；e ( t ) 为调节器输入的偏差信号：k p 为调节 器的比例系数；ti 为调节器的积分时间常数；t d 为调节器的微分时问常数。 从上式可以看出，p i d 控制过程是根据采样时刻的偏差值e ( t ) 计算控制量， 输出控制量u ( t ) 对应了被控对象执行机构应该达到的位置，故称为位置式p i d 控 制算法。 在多数情况下，执行机构本身具有累加或记忆功能，如步进电机本身具有保 持历史位置的功能，只要控制器给出一个增量信号，就可使执行机构在原来位置 的基础上前进或退后若干步，达到新的位置，这时就需要采用增量式控制算法。 从位置式p i d 表达式可以导出增量式p i d 表达式： u ( k t ) = u ( i ，1 ) 一u ( 冰- 1 ) t ) k p ( 【e ( k t ) 一e ( ( k - 1 ) t ) + i 1e ( k t ) + 等 e ( k t ) - 2 e “k - 1 ) t ) + e 绺一2 ) t ) 】) z 两种控制算法实现的闭环数字控制系统，就其控制功能而言基本上是一致 的。在增量算法的控制结构中，步进电机起到积分作用，步进电机的输出是一个 位置量。在实际工程应用中，增量式算法较位置式算法应用更为广泛，它虽然只 是算法上的一点改动，却相对于位置式算法有如下优点。 ( 1 ) 位置式算法需要偏差信号的累加值，而增量式算法只需要偏差信号的 最近几次采样值，容易获得较好的控制效果。由于式中无累加，消除了当偏差存 在时发生饱和的危险。 ( 2 ) 当计算机出现故障时，在增量式算法中，由于步进电机的积分作用， 步进电机输出仍然保持前一个采样时刻的输出值。 ( 3 ) 采用增量式算法，由于执行机构本身具有保持作用，所以易于实现手 上海师范大学颂l 0 f 究生学位论文 智能p 1 d 技术在恒压管线控制中的应j _ | j 动到自动的无冲击切换。 ( 4 ) 若执行机构本身没有保持作用，则在au 的输出端加上一个保持器 也可采用增量式算法。 在控制回路的介绍中已经提到，系统原有控制方法只是在设备级即变频器中 实现了简单的p i d 控制回路，作为控制核心的主控制器l c m 4 虽有强大的运算 功能却没有利用，只是在一定压力范围时给了变频器一个启停信号。系统的原有 控制方法如图2 2 所示。 图2 2 设备级p i d 控制回路示意图 这种单一p i d 参数所实现的控制效果是很不理想的，究其原因，主要有两个 方面：1 ) 压力和流量参数的传输存在一定时延，造成管线压力控制滞后，容易 引发压力动荡：2 ) 管线在不同的流量下有不同的对象特征，大流量下管路有更 大的压力损失，需要更快的压力提升速度。 如何解决测量通道的时延，机动地适应对象特性的变化，是我们在实现恒压 供油系统中待解决的核心问题。 2 1 变参数的p i d 控制方案 鉴于在变频器中只能实现单一的p i d 参数设定，不能根据工况实时地调整， 因此我们考虑由控制级中的l c m 4 控制器来完成p i d 运算与调整，如图2 - 3 所示。 在这种控制方式中，变频器作为执行单元从控制器中接收4 2 0 m a 的频率控制信 号，l c m 4 控制器根据设定值( o 8 m p a 的管线压力) 、反馈信号( 实时检测的供 油总管压力) 以及程序中设置的p i d 参数来运算输出给变频器的频率调定值。 f 海帅范人学琐卜研究生学位论兜 智能p 1 d 技术在俩脉管线控制中的应用 一一一 图2 - 3p i d 控制由设备级转移到控制级 2 1 1 控制器中的p l d 回路分析 现代控制工程中常用的p l c 控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 一般 都集成有p i d 控制模块和p i d 控制指令，在浦东机场自动供油系统中用到的 l c m 4 控制器同样提供了内置p 1 d 控制回路和p i d 控制指令集。 图2 - 4 ( a ) l c m 4 中的p i d 控制回路结构 t m 如# o “i | gc o m m a n d sa u s e dw i t hp r o p o r t i o n a li n t e g t a td e t l v a t i v e s ( p i d s ： s e te t os e 秘i n t s e t 排di n p u t s e tp , t e r i l l s e t i 强m l s e t d t e m s e t p t d m o d e t o a u 协 s e tp i d 猢o d et om a n u a i s e t 辨口c o n t r o lw o r d s e tp i do u t p u tr a t eo fb - h a n g e s e tp i ds c a nf l a t s g e tp i ds e t p o i n t g e t p i dl 兀0 l | t g 髓p 葡m g e ti f a r l l 3 g e t d r e n t l ， g e t p i dm o d e g e tp i do u t p u t g e tp i do t r p u tb a t eo fc h a n g e g e t 辨dc o n t r o lw 侧 g e tp i ds c a np a t e c l a m pp i do u t p u t c l a m pp t ds e t p o i m d i s a l d ap i do u t p u t o i s a b l ap f do u t p u t t 隋c i c i n 口l r | m a l r l u 8 lm o d e d i s a b l ep ds e t p o i n t t r a c k i n gi n r t l a im o d e e n a b t ap t do u _ 【口u t e n a b l 8p i g 纽l | t 1 釉c k i n gi nm a n u a im o d e e n a b l e p t ds e t l 蛾t t r a c k i n g i n m a n u a l m o d e 图2 4 ( b ) l c m 4 控制器中的p 1 d 控制指令集 卜姆帅范大学颂十研究生学位论文智能p i d 技术在恒压管线控制中的应用 在l c m 4 控制器的技术手册里我们叮以查到其所运用的p i d 运算公式，可 以看出，这是一个标准的增量型p i d 算法 c h a n g ei no u t p u t2g a i n + ( ( e r r o r l a s te r r o r ) + ( i n t e g r a l + t i m e + e r r o r ) + ( ( d e r i v a t i v e t i m e ) ( e r r o r 一( 2 + l a s te r r o r ) + o l d e s te r r o r ) ) ) w h e r ee r r o ri s ( s e t p o i n t i n p u t ) i ne n g i n e e r i n gu n i t s t i r i _ i ei s ( s c a nr a t e 6 0 ) ，w h i c hr e s u l t si nt i m ei nm i n u t e s 2 1 2 变参数p i d 控制方法的实现 在具体的实施过程中，我们根据经验值和工程整定的方法确定了初始的p i d 参数，并根据偏差e 的大小实时地改变p i d 控制回路的增益值。 图2 - 5l c m 4 控制器中p i d 控制回路的设置 海师范大学硕士研究生学位论文 智能p i d 技术锄恒n 管线控制中的心用 变参数p i d 控制实现的核心的程序语句如下： s e tp i d i n p u tt o ( pv l t ) o n p i d l o o p ( v l t le i d ) 将p 的值设置为p i d 回路的输入值( 反馈信号) ；p j = 总管压力 + 1 0 + 4 ，即总管压力为0 时pv l t 为4 m a ，总管压力为1 6 m p a 时p 为2 0 m a 。 s e tp i d pt e r m t o ( v l t _ p ) o n p i d l o o p ( v l t l p i d ) 将v l tp 的值设置为p i d 回路增益( p ) ；v l tp = i 总管压力o 8 f + 1 0 + 1 ，即 总管压力为0 8 m p a 时对应p 参数为1 ，偏差e 越大，增益p 越大。 从上面的实现过程可以看出，将p i d 控制回路放到控制器当中比在设备级实 现p i d 控制有了很大的提高，控制程序可以根据过程的变化实时调整p i d 控制 回路的设定参数。但是我们也看到，这里的变参数p i d 调整只是在压力接近设定 值时线性地改变了增益k p ，p i d 参数的这种改变不是建立在系统辨识和指标衡 量的基础上，也不是建立在对控制效果的分析和评价之上的。由于在此控制回路 中，频率控制值与泵机的输出扬程，以及泵机扬程与管线的实际压力存在着非线 性关系，因此系统本身的非线性是显而易见的，所以这种简单的p i d 参数调整控 制方法有待于进一步的完善和提高。 2 2 模糊自适应p i d 控制方案 2 2 1 模糊控制理论 在工业控制过程中经常会碰到大滞后、时变、非线性的复杂系统。其中，有 的参数未知或缓慢变化；有的则存在滞后和随机干扰：有的无法获得精确的数学 模型。模糊控制器是一种近年来发展起来的新型控制器，其优点是不要求掌握受 控对象的精确数学模型，而根据人工控制规则组织控制决策表，然后由该表决定 控制量的大小。将模糊控制和p i d 控制两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控 制灵活而适尖性强的优点，又具有p i d 控制精度高的特点。这种f u z z y p i d 复合 型控制器，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果，也是近年来 十分热门的研究课题。 为师托火学硕士研究生学位论文 智能p i d 技术在恒压管线控制中的应用 豳昔一 l l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 | 图2 - 6 模糊控制的基本原理框图 2 、模糊控制器 r 由图2 - 6 可知，模糊控制系统与通常的计算机数字控制系统的主要差别是， 采用了模糊控制器。模糊控制器是模糊控制系统的核心，一个模糊控制系统的性 能优劣，主要取决于模糊控制器的结构、所采用的模糊规则、合成推理算法，以 及模糊决策的方法等因素。 上海师范人学顸上研究生学位论文智能p i d 技术在恒压管线控制中的席用 模糊控制器( f u z z yc o n t r o l l e r - - f c ) 称为模糊逻辑控$ 1 j 器( f u z z yl o g i c c o n t r o l l e r f l c ) ，由于其所采用的模糊控制规则是由模糊理论中模糊条件语句 来描述的，因此模糊控制器是一种语言型控制器，故也称为模糊语言控制器 ( f u z z yl a n g u a g ec o n t r o l l e r - - f l c ) 。模糊控制器的组成框图如图2 7 所示。 曜m t 争诳雌i h 模糊化姗卜乱勰蝴接蹦卜 图2 7 模糊控制器的组成框图 ( 1 ) 模糊化接1 2 1 ( f u z z yi n t e r f a c e ) 模糊控制器的输入必须通过模糊化才能 用于控制输出的求解，因此它实际上是模糊控制器的输入接e l 。它的主要作用是 将真实的确定量输入转换为一个模糊矢量。对于一个模糊输入变量e ，其模糊子 集通常可以作如下方式划分： 1 ) e 一负大，负小，零，正小，正大= n b ，n s ，z o ，p s ，p b 2 ) e = 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大 = n b ，n m ，n s ，z o ，p s ，p m ，p b 3 ) e = 负大，负中，负小，零负，零正，i e , b ，正中，正大 = n b ，n m ，n s ，n z ，p z ，p s ，p m ，p b 用三角型隶属度函数表示如图2 8 所示。 海帅范人学硕l 研究生学位论文 智能p i d 技术在恒压管线控制中的应j _ 【j l t e j h b瀚sn zp zps镥 p b 一一 一1 2 1 0 864 20 24681 01 2 沦城 图2 8 三角形隶属度函数 ( 2 ) 知识库( k n o w l e d g eb a s e - - - k b ) 由数掘库和规则库两部分构成。 1 ) 黼( d a t ab a s e d b ) 数据库所存放的是所有输入、输出变量的 全部模糊子集的隶属度矢量值( 即经过论域等级离散化以后对应值的集合) ，若论 域为连续域则为隶属度函数。在规则推理的模糊关系方程求解过程中，向推理 机提供数据： 2 ) 规则乒( r u l eb a s e r b ) 模糊控制器的规则是基于专家知识或手动 操作熟练人员长期积累的经验，它是按人的直觉推理的一种语言表示形式。模糊 规则通常由一系列的关系词连接而成，如i f - t h e n 、e l s e 、a l s o 、e n d 、o r 等，关系 词必须经过“翻译”才能将模糊规则数值化。最常用的关系词为i f - t h e n 、a l s o 对于多变量模糊控制系统，还有a n d 等。例如，某模糊控制系统输入变量为e f 误 差) 和e c ( 误差变化) ，它们对应的语言变量为e 和e c ，可给出一组模糊规则：r l ： i f e i s n ba n d e c i s n b t h e n i 】i s p b r 2 ：i f e i s n b a n d e c i s n s t h e n u i s p m 通常把i f ”部分称为“前提部”，而t h e n 部分称为“结论部”，其基本结构 可归纳为i f a a n d b t h e n c ，其中a 为论域u 上的一个模糊子集，b 是论域v 上 的一个模糊子集。根据人工控制经验。可离线组织其控制决策表r ，r 是笛卡儿 乘积集u x v 上的一个模糊子集，则某一时刻其控制量由下式给出： c2 ( a b ) or 式中 模糊直积运算；o 模糊合成运算。 上海帅范大学硕士训f 究生学位沧文智能p i d 技术存喳压管线控制中的应用 规则库是用来存放全部模糊控制规则的，在推理时为“推理机”提供控制规 则。由上述可知，规则条数和模糊变量的模糊子集划分有关，划分越细，规则条 数越多，但并不代表规则库的准确度越高，规则库的“准确性”还与专家知识的 准确度有关。 ( 3 ) 推理与解模糊接v ( 1 n f e r e n c ea n dd e n z z y i n t e r f a c e ) 推理是模糊控制器 中，根据输入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理来求解模糊关系方程，并获 得模糊控制量的功能部分。在模糊控制中，考虑到推理时间，通常采用运算较简 单的推理方法。最基本的有z a d e h 近似推理它包含有正向推理和逆向椎理两类， 正向推理常被用于模糊控制中，而逆向推理一般用于知识工程学领域的专家系统 中。 推理结果的获得，表示模糊控制的规则推理功能已经完成。但是，至此所获 得的结果仍是一个模糊矢量，不能直接用来作为控制量，还必须作一次转换，求 得清晰的控制量输出，即为解模糊。通常把输出端具有转换功能作用的部分称为 解模糊接口。 综上所述，模糊控制器实际上就是依靠微机来构成的。它的绝大部分功能都 是由计算机程序来完成的。随着专用模糊芯片的研究和开发，也可以由硬件逐步 取代各组成单元的软件功能。 3 、模糊控制器的结构 在确定性控制系统中，根据输入变量和输出变量的个数，可分为单变量控制 系统和多变量控制系统。在模糊控制系统中，也可类似地划分为单变量模糊控制 和多变量模糊控制。 在单变量模糊控制器( s i n g l ev a r i a b l ef u z z yc o n t r o l l e r - - s v f c ) ，将其输入 变量的个数定义为模糊控制器的维数，如图2 - 9 所示。 街师范大学硕士研究生学位论立： 智能p i d 技术在恒压管线控制中的麻用 一维 模糊 控制 口 e 螗 模糊 控铸4 蕊b 盯 - - - + a ) 一维模糊控制器 b ) - - 维模糊控制器 图2 - 9 单变量模糊控制器原理图 ( i ) 一维模糊控制器 如图2 9 a 所示，一维模糊控制器的输入变量往往选择为受控量和输入给定 的误差量正。由于仅仅采用偏差值，很难反映受控过程的动态特性品质，因此， 所能获得的系统动态性能是不能令人满意的。这种维模糊控制器往往被用于一 阶被控对象。 ( 2 ) 二维模糊控制器 如图2 - 9 b 所示，二维模糊控制器的两个输入变量基本上都选用受控变量和 输入给定的误差量j e a n 误差变化量e c ，由于它们能够较严格地反映受控过程中 输出变量的动态特性，因此，在控制效果上要比一维模糊控制器好得多，也是目 前采用较广泛的一类模糊控制器。 22 2 模糊自适应p i d 控制方案 在工业生产过程中，许多被控对象随着负荷变化或干扰因素影响，其对象特 性参数或结构发生改变。自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数， 实时改变其控制策略，使控制系统品质指标保持在最佳范围内，但其控制效果的 好坏取决于辨识模型的精确度，这对于复杂系统是非常困难的。因此，在工业生 产过程中，大量采用的仍然是p i d 算法。 常规p i d 应用最大的问题是p i d 参数的整定问题。传统的参数整定方法过 程繁杂，而且得到的参数往往整定不良、性能欠佳，对运行工况的适应性很差， 因此，工业生产实践中所用的p i d 参数通常是根据调试或操作人员的经验得来 卜海帅范人学硕士研究生学位论文智能p i d 技术在恒压管线控制中的应用 的，由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量以及评价指标不易定 量表示，模糊理论是解决这一问题的有效途径，所以人们运用模糊数学的基本理 论和方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则以及有关 信息( 如评价指标、初始p i d 参数等) 作为知识存入计算机知识库中，然后计算 机根据控制系统的实际响应情况( 即专家系统的输入条件) ，运用模糊推理，即 可自动实现对p i d 参数的最佳调整，这就是模糊自适应p i d 控制。 模糊自适应p i d 控制器以设定值和反馈值的偏差e 和偏差的变化e 。作为输 入，可以满足不同时刻的e 和e 。对p i d 参数自整定的要求。利用模糊控制规则 在线对p i d 参数进行修改，便构成了模糊自适应p i d 控制器，其结构如图2 1 0 所示。 图2 1 0 模糊自适应p i d 控制器结构图 p 1 d 参数模糊自整定是找出p i d 三个参数与e 和e 。之间的模糊关系，在运行 中通过不断检测e 和e 。，根据模糊控制原理来对3 个参数进行在线修改，以满足 不同e 和e 。时对控制参数的不同要求，而使被控对象有良好的动、静态性能。 模糊控制设计的核心是总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，建立 合适的模糊规则表，得到针对k p ，k i ，k d 三个参数分别整定的模糊控制表。 卜海帅范t _ _ = 学硕士研究生学位论文 智能p i d 技术在恒压管线控制中的应用 ( 1 ) k p 的模糊规则表为 k p e c 。 心 n bn m n sz 0p sp mp b n b - p bp bp mp mp sz oz o n mp bp bp m p sp sz on s n sp mp mp mp sz on sn s z op mp m p sz on sn mn m p sp sp sz on sn sn mn m p mp sz 0n sn mn mn mn b p bz oz on mn mn mn bn b ( 2 ) k i 的模糊规则表 a k i e c 、心。 n bn mn sz op sp mp b n bn bn bn mn mn sz oz o n mn bn bn mn sn sz oz 0 n sn bn mn sn sz op sp s z o n mn mn sz op sp mp m p sn mn sz op sp sp mp b p mz oz op sp sp mp bp b p bz oz op sp mp m p bp b - 2 0 上海帅范大学蝴上研究牵学位论文 智能p i d 技术在恒压管线控制中的应用 ( 3 ) k d 的模糊规则表 、 4 k d 、e c n n bn mn s z op sp mp b n b p sn sn bn bn bn mp s n mp sn sn bn mn mn sz 0 n sz on sn mn mn sn sz o z oz on sn sn sn sn sz o p sz oz oz 0z oz oz oz o p mp bn sp sp sp sp sp b p bp bp mp mp mp sp sp b k p ，k i ，k d 的模糊控制规则表建立好后，可根据如下方法进行k p ，k i ， k d 的自适应校正： 将系统误差e 和误差变化率e c 变化范围定义为模糊集上的论域： e ，e c = 一5 ，一4 ，一3 ，- 2 ，一l ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ) 其模糊子集为e ，e c = n b n m ，n s ，o ，p s ，p m ，p b ) ，子集中元素分别代表负大， 负中，负小，零，正小，正中，正大。设e ，e c 和k p ，k i ，k d 均服从正态分布， 因此可得出各模糊子集的隶属度，根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊 控制模型，应用模糊合成推理设计p i d 参数的模糊矩阵表，查出修正参数代入下 式计算：k p = k p 十 e i ，e c j p k i = 鼬+ e i ，e ci i k d 5 k d + e i ，e c d i 。海师范大学硕+ 研究生学位论文 智能p i d 技术存恒压管线控制中的应用 在线运行过程中，控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算， 完成对p i d 参数的在线自校正。 采用模糊p i d 控制时，可以不考虑p i d 控制器中的微分部分，因为模糊控 制器本身已经隐含了微分作用。模糊控制器的设计一般分为相对独立的两步进 行：p i d 控制器的设计和模糊控制器的设计。模糊控制器的输出可以直接作为 p i d 控制器的输入，p i d 参数若采用工程整定法整定，可不考虑过程对象的模型。 整定p i d 参数时，去掉模糊控制器的作用。当在每个采用时刻获得了系统响应后， 就可以根据此时刻系统响应偏离给定的情况及变化趋势，依据我们已有的系统控 制知识，运用模糊控制方法，适当加大控制力度或减小控制