模糊控制在飞机消防训练系统中的应用.doc

模糊控制在飞机消防训练系统中的应用Application of Fuzzy Control in Aircraft Fire Fighting System (中国民航大学)高建树 黄毅 王恒GAO Jian-shu HUANG Yi WANG Heng摘要：本文讨论了飞机消防模拟训练控制系统的设计，着重描述了下位机PLC控制程序的设计，根据控制系统自身的特点采用了基于模糊控制和PID相结合的方法实现控制中的模拟量调节，使得系统具有较高的稳定性和灵活性。关键词： 模糊控制 PID控制 PLC中图分类号：TP273+.4 文献标识码：B Abstract：This paper deals with the design of the Aircraft Fire fighting control system ,focusing on the description of PLC control programs. Based on the system characteristics, this paper put forward a kind of system of PID control and fuzzy control to achieve the analog regulation ,so that the control system has better stability and flexibility.Keywords：fuzzy control PID control PLC1引言 随着民航客机起降密度和旅客吞吐量的激增，国内民航机场面临着如何做好消防救援工作的难题，有必要做一套能逼真的模拟飞机火灾环境的消防训练系统来培训各机场的消防应急救援人员，训练消防人员的快速反应能力和安全保障能力，提高灭火的实战水平。本文讨论了消防训练控制系统的设计，针对控制系统大惯性、大时滞等特点，提出用PID和模糊算法相结合的方法调节燃料阀门的开闭量，为营造一个真实的互动的灭火场景提供了必要的理论依据。2系统描述2.1 系统硬件和软件描述消防模拟训练控制系统主要由工控机和S7-300PLC构成。通过工控机中的Wincc人机界面对整个训练系统的运行进行实时监控，并对机场消防训练人员的灭火过程进行过程值归档、生成趋势报表等处理，以便训练结束后对消防人员的灭火能力进行评估和指导。下位机核心程序是通过采集冷却水收集槽里的液位信息和热电偶模块采集进来的温度信号进行逻辑判断，控制燃料流量阀门的开闭和调节大小等任务，从而控制整个训练系统的运行。系统的网络管理层采用遵循TCP/IP协议的100M bit工业以太网为主干网，以太网支持实时I/O控制与信息传递功能，能满足大吞吐量的数据交换。2.2 系统模拟量控制要求实际训练中燃料阀门开启后，经点火器启动燃烧产生火焰，消防训练人员用消防器械喷洒冷却水作用到火焰上，PLC根据现场采集的冷却水液位信息和火焰温度自动调节燃料阀门的开闭量，从而改变火场的火势。通过试验得出冷却水液位量和温度传感器测得的现场火焰温度的对应表，当消防人员喷洒冷却水使得冷却水液位量达到a值时，PLC通过程序查表可知现场火焰温度应该降为b值，然后根据模拟量调节模块控制燃料阀门输出量从而改变火焰的大小，使其产生的温度能快速、稳定的达到b值，给消防训练人员营造出一个接近于真实温度的火灾场景，使其可以根据火势做出下一步行动，提高灭火实战水平。3控制系统设计思想3.1设计难点和解决方案由于涉及到流体力学和火焰燃烧学等复杂的物理和化学规律，很难找出合适的数学模型来构造这个控制系统的反馈回路。传统的PID控制在对象模型难以建立时，较难获得良好的静态和动态性能，调整参数也不方便，当工作条件在大范围变化时，PID控制器总不能处于最佳状态，容易出现滞后、超调过大等不利因素，较难保证灭火流程的实时性。本文提出一种将模糊算法和PID控制相结合的方法1,2来实现对燃料流量阀门的调控，使其既具有模糊控制灵活、调节迅速、适应性强的优点，又有PID控制精度高的特点，可以满足消防训练系统的需要。3.2 控制系统结构 控制系统结构由模糊控制器和参数可调PID组成，如图1所示：图 1 系统模糊控制结构图传统的PID控制是： ，其中，为比例系数，为积分时间常数，为积分时间常数。在本设计方案中，模糊调节器实现对PID三个参数的自动校正，PID完成对温度系统的控制。模糊-PID控制的思想就是找出PID控制器的3个参数，和 与偏差和偏差变化的模糊关系，在运行中通过不断检测E和C，根据模糊规则对个参量进行在线修改，以满足不同偏差和偏差变化情况下对PID控制器参数实时整定的要求，整定过参数的PID控制器自动调节燃料阀门的输出量，以较快、较稳的速度达到训练系统所需要的温度。3.3 控制器的设计根据以上思想采用二输入三输出的形式，以系统偏差和偏差变化为输入语言变量，以、和为输出语言变量。输入变量的模糊集均取NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB；输出变量模糊集均取ZO，S，M，B，VB；E和C的论域取6, 5,4,3,2,1，0，1，2，3，4，5，6；，和的论域取0，1，2，3，4，5，6；考虑到PLC的性能，采用三角函数作为隶属函数确定模糊语言变量的隶属度，根据PID整定原则及人工调节经验可以得到如表1所示模糊控制规则：表 1 模糊控制规则控制规则采用IF_THEN条件语句形式，其结构简单，易于修改和掌握，比较适合PLC编程。如：if E = NB and C = NB then U = VB/ZO/ZO。,分别定义为在X，Y，Z上的模糊子集，则模糊关系为： =()，又 R=， 可推出=()。上述式子中，“”表示取大，“”是合成运算符，这里采用最大-最小合成法。如果已知输入、和输出，就可以根据以上式子得到模糊关系；模糊控制规则R知道，就可以根据输入偏差、偏差变化求出控制输出U，满足被控参数、和自整定要求。4 模糊控制器在PLC上的实现 SIEMENS S7-300的编程软件STEP 7提供了强大的功能模块，为模糊控制算法的实现提供了方便。为了简化程序编写量和方便调试，这里采用模块化编程2,3，将模糊控制程序作为整个PLC控制程序的一个子程序，包括数据的读取、模糊推理和控制参数的输出。功能块FB4是模糊-PID控制器，对应的背景数据块为DB4，FB4由4个功能FC和PID调节功能块FB41组成。FC1完成系统偏差E和偏差变化C的计算，FC2将之进行模糊化处理，FC3用来完成模糊表查询，FC4实现的PID三个参数、和的清晰化处理，功能块FB41根据这三个参数调整燃料阀门开闭的大小，完成对系统模拟量的控制。程序流程如图2所示：图 2 模糊控制算法流程图5效果和结论图3是理想条件下（无干扰）的传统PID和模糊-PID控制的温度仿真曲线，仿真初始值为250。从图中可以看出，模糊PID参数自整定控制比单纯PID控制有更好的控制效果，系统的响应速度加快，调节精度提高，稳态性能变好，具有较强的鲁棒性。图3 理想条件下温度仿真曲线基于西门子S7-300PLC实现的模糊-PID控制算法具有编程方式灵活，限制条件少，模糊变量和模糊规则个数不受系统硬件限制等特点。所以，作者认为模糊控制是比较适合应用在飞机消防模拟训练控制系统中的。 本文作者创新点：目前国内关于飞机消防模拟训练系统的研究一直处于空白阶段，为了满足机场安全保障的需求，首都机场和中国民航大学合作将建立国内第一个飞机消防模拟训练系统。作者首次将模糊-PID控制的概念用到了飞机消防模拟训练控制系统中，基于这个控制理论可以营造出一个真实互动的灭火场景，为首都机场飞机消防模拟训练系统的建设提供了理论依据，解决了项目实施中的关键难题。参考文献1Tanaka K,Sugeno M.Stability Analysis and Design of Fuzzy Control SystemsJ.Fuzzy Sets and Systems,1992,10（8）:135-136.2李建平，王晓冲，谢敬华.基于PLC的模糊参数自整定温度控制系统研究J.微计算机信息，2007，6-1:21-23.3杨红，陈颖，何莉，林土胜.基于模糊-PID控制算法的温控设计J.广西师范大学学报，2005，23（1）:106-109.作者简介：高建树（1966-），男（汉族），天津人，中国民航大学航空地面特种设备研究基地副主任，教授，博士，主要从事航空自动化、航空机械电子研究。Biography：Gao Janshu（1966-）,male（Han nationality）,TianJin,The deputy director of Aviation Ground Special Equipments Research Base of China，professor，research area：aerial automation，aeria