基于模糊PID控制的水轮机调节系统的研究.doc

洛阳理工学院毕业设计(论文)基于模糊PID控制的水轮机调节系统的研究摘 要 针对水轮机调节系统的非线性、时变性及大惯性等特点，建立了其较为精确的数学模型，研究了模糊控制的基本原理，论述了PID控制的理论基础，在此基础上构建了水轮机调节系统的模糊PID控制模型，并设计了适用于水轮机调节系统的模糊PID控制器，最后利用MATLABSimulink进行仿真并对控制效果进行了详细分析比较。仿真结果表明，水轮机组调节系统的控制模糊PID控制相对于常规PID控制表现出更强的鲁棒性。由于该模糊PID控制器容易实现并且应用广泛，工业控制系统中将会有非常广阔的应用前景。关键词：模糊PID控制，水轮机调节系统，MATLAB仿真 Research of Hydraulic Turbine Governing System Based on Fuzzy PID ControlABSTRACTAiming at the nonlinear, time variable and great inertia characteristics of hydraulic turbine regulation system, precise mathematical model is built to study the basic principles of fuzzy control and fuzzy control algorithm in the paper, and discusses the theoretical basis of the PID control. Based on all the discussions, fuzzy PID control model of hydraulic turbine regulation system is constructed and fuzzy controller suitable for hydro generating set is designed, finally use MATLABSimulink simulation and control effect carried out a detailed analysis and comparison.Simulation results show that hydraulic turbine regulating system control fuzzy PID control with respect to the conventional PID control showed a stronger robustness. The fuzzy PID controller will be very broad application prospects in the industrial control systems, because it have been easily applied and widely used.KEY WORDS: Fuzzy PID Control，Turbine Regulation System，MATLAB SimulatFuzzy PID Control，Turbine Regulation System，MATLAB Simulation12目录前言1第1章 绪论21.1 课题研究的背景及意义21.2 课题研究的发展状况21.2.1 水轮机调节器的发展状况21.2.2 模糊PID控制器的发展状况31.3 模糊PID在水轮机调节系统中的应用51.4 课题研究的主要内容6第2章 水轮机调节系统理论与建模72.1 水轮机调节系统理论72.1.1 水轮机调节系统的用途72.1.2 水轮机调节系统的组成82.1.3 水轮机调节系统的特点92.1.4 水轮机调节系统过渡过程性能指标112.2 水轮机调节系统模型的建立11第3章 模糊PID控制算法的理论基础143.1 PID控制算法的理论基础143.1.1 PID调节器的基本原理143.1.2 PID各个环节控制特点153.1.3 PID参数整定153.2 模糊控制的理论基础163.2.1 模糊控制器的工作原理163.2.2 模糊控制系统各个环节功能173.2.3 模糊控制器的优缺点213.3 模糊PID控制算法223.3.1 模糊控制器的基本理论223.3.2 模糊PID控制器的结构22第4章 模糊PID控制器的设计244.1 确定模糊控制器的输入、输出变量244.2 建立模糊控制规则274.3 模糊清晰化31第5章 水轮机调节系统的仿真335.1 MATLAB仿真软件简介335.2 仿真模型的建立335.3 仿真任务的确定355.4 控制系统仿真结果35结论38谢 辞39参考文献40附录42外文资料翻译43前言世界上存在很多模糊的、无法用数量特征表示的事物。模糊性是客观世界的普遍现象。以逻辑真值0,1的模糊逻辑为基础的模糊集合是模糊数学的基本组成元素。将模糊数学应用到工程控制方法中，形成了模糊控制理论，使其对一些无法构造数学模型的被控对象进行确定性的控制。模糊化处理，模糊推理和非模糊化处理三个环节组成了基本的模糊控制系统。随着控制理论的发展，遗传算法控制、变结构控制、神经网络控制等先进控制方法已普遍应用到水轮机调速系统中。目前，国内外对水轮机调节规律采用的是常规PID控制，运用PID调节规律或者是以PID调节为基础的调节规律去控制。但由于水轮机调节系统的复杂性，使它们在调节过程中都存在一些弊端，使其控制效果不是十分理想。本课题建立了一个水轮机调节系统的较为精确的数学模型，研究了模糊控制的控制策略，并在此基础上构建了水轮机调节系统的模糊PID控制模型，以模糊语言形式、模糊数学的知识表示和以模糊逻辑的规则推理为理论基础，并采用计算机控制技术所构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统。其组成核心模糊控制器是在对现场操作数据的模仿和专家、操作人员的经验总结基础之上建立的，由于这种控制器的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，应用非常广泛使用。水轮机调节系统是一个具有严重非线性特性、时变、存在水锤效应的非最小相位闭环系统，其动力学特性的内部不确定性和外部环境扰动的多变性等增加了控制的难度，适合用模糊控制器进行控制。其方法是通过确定转速偏差和偏差变化率为输入量， PID的参数Kp、Ki、Kd为输出量，以及各自隶属度函数的设定，再根据专家及操作人员的经验知识在模糊规则编辑器中设定规则，同时采用加权平均法进行解模糊化，设计了模糊控制规则表，利用Simulink中的模糊工具箱Fuzzy Controller元件将已经建立的2输入3输出的Mamdani模糊控制系统导入Simulink被控系统，选取我国目前现在运行水轮机组HL123型，使用它的参数建立数学模，画出模糊PID控制与常规PID的模型，进行仿真比较分析。 第1章 绪论1.1 课题研究的背景及意义随着工业时代的到来，人们的生活水平不断提高，各种样式的电器进入了千家万户，为了保证用电安全，用户对电能质量要求十分严格。体现电能质量的指标之一是电网的频率，必须保证电网频率的稳定，大电网允许频率的偏差为0.5HZ，于是对水轮发电机组的调节问题十分重要。水轮机调速系统是一个存在具有非常严重的非线性、时变性、存在着“水锤”效应的非最小相位闭环系统，并且其动力学特性的外部环境扰动的多变性和内部不确定性等增加了控制的难度。由于用户对电网电能质量的要求越来越严格并且对控制系统要求也是愈来越高，所以水电站在向电网供电时必须保证电压和频率的稳定，因此，提高控制水平具有重要的意义。水轮机调节的任务是由水轮机调速器来完成的。目前投入运行的水轮机调速器主要还是采用PID调节规律或者是以PID调节为基础的调节规律。调速器随着符合的改变，相应改变导水机构的开度，从而改变水流对水轮机产生的动力矩，调节水轮发电机组的有功功率输出，维持机组频率在指定的范围内。水轮机调速器是保证水电厂机组稳定运行的重要控制设备，直接关系到机组的安全与稳定运行。因此，建立一种有力的控制理论和方法来解决这些问题就显得十分重要。 1.2 课题研究的发展状况 1.2.1 水轮机调节器的发展状况水轮机调速器是由完成水轮机调节及控制的机构和指示仪等组成的一个或几个装置的总称。它是水轮机控制设备（系统）的主体，可分为机械液压调速器、电气液压调速器和数字式电气液压调速器等几种。数字式电气液压调速器又常称为微机调速器。最早期的水轮机调速器都是机械液压它是随着水电站机电设备的发展而在20世纪处发展起来的。它能满足带独立负荷和中小型电网中运行的水轮发电机组调解的需要，有较好的静态特性和动态品质，可靠性较高。但是面临大机组、大电网提出的高灵敏度、高性能和便于实现水电站自动化等要求，机械液压调速器固有的采取机械液压方法进行测量、信号综合和稳定调节的功能就显露出明显的缺陷。现在，新建的大型水轮发电机已不采用机械液压调速器，只有中小型机组特别是小型机组中的一部分采用机械液压调速器。测速元件直接操作水轮机执行机构的直接作用式小型调速器。测速、稳定及反馈信号用电气方法产生，经电气综合、放大后通过电气液压放大部分驱动水轮机接力器的调速器，称为电气液压调速器。20世纪50年代以后，电气液压调速器获得了较广泛的应用。从采用的元件来看，它经历了电子管、晶体管和集成电路等发展阶段。20世纪80年代末期，出现了水轮机微机调速器并被广泛采用。为了提高调速器运行的的稳定性、可靠性和调节品质开始了微机型数字式调速器的研究。自从1982年ASEA公司引入微计算机技术后，研制出了出第一台微机调速器，之后美国的WOODWARD、法国的NEYRPIC等大公司相继研制生产出各种类型的微机调速器。在我国，天津水电控制设备厂与华中科技大学共同研制开发了我国第一台微机调速器，并于1984年在湖南欧阳海电站投入运行。 现今水轮机调节系统分析所用方法很多。一般有传统方法，新型FNNS控制策略，基于Simulink的水轮机调节系统的仿真，智能权函数模糊控制等。其中，基于Simulink的水轮机调节系统的仿真很实用。MATLABT提供了Simulink这可视化建模和综合分析计算的仿真软件，它可以处理复杂系统，比如：连续、离散、线性、非线性、混合系统等，其处理的方法是用户利用模型库对仿真对象进行模型拼合，再利用图形功能生成系统的仿真模型。1.2.2 模糊PID控制器的发展状况PID控制技术是迄今为止最通用的控制方法。实际运行经验和理论分析均表明，将这种控制规律用于大多数工业对象能够得到较满意的结果。所以虽然PID控制器产生于19实际初，其后许多先进的控制方法不断推出，但PID控制器以其结构简单、对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于化工、冶金、电力、机械等工业过程控制中。模糊控制是模糊数学结合控制理论，并利用了人模糊思维的特点，通过使用模糊数学中的模糊关系、模糊推理、隶属度函数等工具得到控制表格来进行控制。模糊控制具有许多特点，如系统鲁棒性强；不需要建立被控对象的数学模型；模糊控制方法易于掌握。因此，它特别适用于那些难以获得过程的精确数学模型及具有时变、时滞、非线性、大滞后的复杂工业控制系统，具有较强的鲁棒性和抗干扰能力。随着人们对模糊控制器的深入研究和广泛应用模糊控制器从原来的单一结构形式已发展成为多种多样的结构形式。模糊控制系统通常有模糊控制器、输入输出接口、执行机构、测量装置和被控对象等五部分组成。模糊控制系统与计算机数字控制系统的主要区别是采用了模糊控制器。模糊控制器是模糊系统的核心，一个模糊系统的性能优劣，主要取决于模糊控制器的结构、模糊规则、推理算法以及模糊决策的方法等因素。常规PID控制器存在着参数整定、修改不方便等缺点，虽然目前有一些整定PID控制器参数(微分系数，比例系数，积分系数)的方法，比如：对被控对象在线辩识，然后根据一定的目标函数或控制要求，对这三个参数进行在线整定；另外，为了寻求最佳PID参数还有利用计算机最优化方法等。但是，在工业过程中，对于那些无法获得精确数学模型的、非线性的、时变的，滞后的或参数耦合强的系统，这些方法很难凑效。但模糊PID控制器能够解决上述问题。它是根据模糊推理的思想，对不同输入，利用模糊集合理论将它们量化，使控制器模拟人的操作方法。 研究表明，目前模糊控制器是模糊PID型的最多。模糊控制中的模糊PID控制技术很受欢迎，并且仍将成为未来研究与应用的重要技术之一。PID控制器是把比例、积分和微分作用结合起来，以利用其各自的优点，通过线性组合作为控制器的输出量，作用于被控对象。模糊PID控制器应用最广泛的反馈的形式，其优点是它能够解决重要的实际问题，对于被控对象具有较为复杂的过程如非线性、时延、参数变化、明显振荡特征和多输入多输出系统的控制有着显著的效果。模糊PID控制器是模糊控制理论的一个重要分支，也是一个模糊控制系统的核心。自从1974年第一台模糊控制器诞生以来，人们对模糊控制器的研究投入了极大的热情，吸引了工程技术人员和众多学者对其进行研究，尤其是近20年以来，重新掀起了对于PID控制技术研究的热潮。许多学者提出了各种不同的改进PID控制器，比如自适应和自调节PID控制器。特别地，研究学者提出了许多采用模糊逻辑的PID控制器,在以后的发展中得到了广泛的应用。1.3 模糊PID在水轮机调节系统中的应用由于水轮机调速器对水轮发电机组安全、可靠地运行具有重要的作用，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之一。如果仅从控制的角度看，水轮机调速系统是一个具有非最小相位、非线性时变特性的复杂系统，又加上“水锤”效应，以及电力系统负荷的不断变化，导致了系统频率的波动，增加了系统控制的难度，而常规PID控制难以取得理想的控制效果。另外对于控制对象具有内部不确定性和外部的环境干扰的多变性的特点，常规PID的控制参数也需要快速及时调整，这是不可能实现的，而模糊控制理论可以使控制系统的指标达到要求，且算法简单，易于实现。针对常规PID控制存在的不足，许多专家学者对各种改进PID以及智能控制进行了研究，将各种先进的控制理论与传统PID相结合，即可保持控制策略本身的优点，又可发挥各种先进控制和智能控制的优势。有上述的分析可知，模糊PID控制策略成为目前和今后研究的热点。模糊自整定PID控制应用在具有明显的非线性系统中，如水轮机调节系统，可以获得很好的控制性能。经过大量的实践和理论研究表明利用模糊自整定PID控制可以解决过程控制系统的非线性、时变性等。它不仅能发挥模糊控制的动态响应好、鲁棒性好、超调量小和上升时间快的特点，同时又具有PID控制器的稳态精度和动态跟踪品质。因此，在水轮机调节系统的控制器设计中采用PID参数模糊自整定控制，实现PID参数的在线自调整功能，可以进一步完善PID控制的自适应性能。1.4 课题研究的主要内容本设计是基于模糊控制的水轮机调节系统的设计，设计的核心是模糊控制器，由于水轮机是一个多变量、非线性和时滞系统，所以对其不易建立精确的数学模型，而运用模糊控制不需要建立系统的精确数学模型就可以直接控制系统，因此采用模糊控制。采用 MTALAB/Simulink7.0软件的强大的仿真功能，以HL123水轮发电机组为被控对象，对设计的模糊PID控制系统进行仿真，从而验证该控制器在水轮机调节系统中应用的可行性。本课题的主要内容是：(1) 分析了水轮机调节系统的组成、结构等基本情况，介绍了水轮机调节系统的任务、工作原理、工作过程及特点，然后对调速系统进行了简要的介绍，建立了水轮机调节系统数学模型。(2) 论述了模糊PID控制的理论基础，介绍了模糊控制的原理及模糊PID控制器的结构和设计步骤。(3) 根据模糊PID控制器的设计步骤，利用专家对PID参数调整的经验设计了适用于HL123水轮机调节系统的模糊PID控制器，然后利用MATLAB软件进行仿真，通过仿真继续优化量化因子、比例因子等参数。(4) 对常规PID和模糊PID控制两种控制规律通过仿真进行了详细分析比较，从而证明了模糊PID控制的优越性。第2章 水轮机调节系统理论与建模2.1 水轮机调节系统理论2.1.1 水轮机调节系统的用途水轮发电机组将水能转换为电能，输送给电力系统，供用户使用。电力系统向用户提供的电能应满足一定的质量要求，频率和电压的变化不能太大，应保持在额定值附近的某一范围内，否则将影响各用电部门的工作质量。例如：电能频率的变化将引起用电设备电动机的转速变化，从而影响电钟计时的准确性、车床加工零件的精度、布匹纤维的均匀性等等。我国规定的电力系统频率为50HZ，其偏差，大系统不得超过0.2HZ，小系统不得超过0.5HZ。因此，保持电力系统频率稳定相当重要。电压过高会烧毁各种电气设备，电压过低会影响电动机的正常启动，所以，维持一定的电压水平是保证电网正常运行的前提。电力系统频率稳定主要取决于系统内有功功率的平衡，然而，电力系统的负荷是不断变化的，负荷的变化必然导致系统频率的变化。水轮机调节系统的基本任务是不断调整水轮发电机组有功功率输出，以维持机组转速在规定范围内，满足发电机正常发电及电力系统安全运行的需要。由于电力系统的负荷是不断变化的，必然导致系统频率发生变化。水轮发电机一般是三相交流同步电机，由电机学知交流电频率和发电机转速间有以下关系：(2-1)在式(2-1)中：为交流电频率；为发电机磁极对数；为发电机转速。发电机磁极对数与结构有关，一般是不能改变的，可见，交流电频率与发电机转速成正比，与改变频率，只需改变发电机转速。水轮机和发电机通过主轴连成一个整体，其转动部分可视为绕定轴转动的刚性系统，其运动方程为：(2-2)在式(2-2)中：为机组转动部分惯性力矩；为机组转动角速度，；为水轮机动力矩；为发电机阻力矩。发电机阻力矩随用电负荷变化而变化，当时，发电机转速就会发生变化，从而，交流电频率发生改变。具体来说，当时，机组转速上升，交流电频率升高，此时需降低；当时，机组转速下降，交流电频率降低，此时需增加。由水轮机的原理知，水轮机的功率为：(2-3)(2-4)结合以上两式，得到(2-5)在式(2-5)中： 为水轮机的净水头；为水轮机的效率；为流量；水的密度。一般来说，工作水头和效率是不能改变的，为改变水轮机力矩，只有改变过水轮机的流量。所以，水轮机调节系统根据负荷变化引起的机组转速偏差，利用调速器调整导叶或喷针开度，使水轮机动力矩和发电机阻力矩尽快达到平衡，从而使频率保持在规定范围内。2.1.2 水轮机调节系统的组成水轮机调节系统由水力系统、水轮发电机组、电力系统和调速器组成，如图2-1所示。其中，调速器包括测量元件、比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件等。图2-1 水轮机调节系统框图 由自动控制理论知，调节系统有调节对象和调节器两部分组成，是一种闭环控制系统，根据给定值与被控量信号偏差工作的。如水轮机调节系统的工作过程为：电能的频率f（亦即机组的转速n）信号输入调节器的测量元件，测量元件把机组转速(频率)、功率、水头、流量等反映机组运行工况的参数测量出来，把这些参数作为水轮机调速器的反馈信号，并与给定信号比较后，经放大校正元件控制执行机构，执行机构操纵水轮机桨叶机构和导水机构。在图中，测量、放大、执行和反馈元件总称为自动调节器。导水机构包括机组在内，统称为调节对象。调速器和调节对象构成水轮机自动调节系统。2.1.3 水轮机调节系统的特点 1. 采用液压放大的机械液压执行机构水轮机的工作流量较大，水轮机及其导水机构的尺寸也较大，需要较大的力才能推动导水机构，且受河流条件限制，一般水电站水头在几十米到一百米之间，工作压力在零点几兆帕到一点几兆帕之间，与汽轮机在相同处理情况下，水轮机引用流量比汽轮机进汽量大几十倍到百倍。水轮机控制设备(调速器)通过很大的动力来调节水轮机导水机构和桨叶机构来调节水轮机流量及其流态的。因此，调速器需要有放大元件和强大的执行元件（通常需要二级或三级液压放大）。2. 过水管道存在着水流惯性水轮机发电机组以水为发电介质，水有较大的密度，同时，水电站的输水道一般较长，其中的水体有较大的质量，水轮机调节过程中的流量变化变化将引起很大的压力变化，也就是“水锤”效应。其用时间常数表述为： (2-6)在式(2-6)中：为每段过水管道的截面积；为相应每段过水管道的长度；为相应每段过水管道内的流速；为水流惯性时间常数；为重力加速度。水流惯性时间常数的物理定义是在额定水头作用下，导叶瞬间全开，过水管道内的流量由零加大至额定流量所需要的时间。用表示了引水系统中水流惯性的大小。越大，水流惯性就越大，进而水击作用对调节系统的影响也就越大，从而将使调节时间加长、转速偏差加大、波动次数增多，是因为引水系统的水击作用延迟了水轮机动力矩变化，当它很大时有可能使调节系统无法稳定下来。3. 水轮发电机组存在着机械惯性它是指在额定力矩作用下，机组转速由0上升至额定转速，所需要的时间。可利用机组惯性时间常数来表述： (2-7)在式(2-7)中：为机组的惯性时间常数；为额定转速时机组的惯性矩；为机组的额定转速；为机组额飞轮力矩；为机组的额定功率；为机组的额定转矩；在电力系统中，具有转动部分的负荷与机组转动部分一样，同样存在着一定的惯性，其惯性用负荷惯性时间常数来表示，其大小对调节过程的影响与机组惯性时间常数对调节过程的影响具有同样的意义。通常。机组在系统中运行时，机组惯性时间常数和负荷惯性时间常数合二为一用，此数值增加将使机组惯性增大，这将增加系统的运行和延缓转速的变化，但过大也可能使调节过程时间变长。4. 机组的自平衡能力水轮机组在电力系统中承担调频、调峰和事故备用等任务，随着电力系统容量及结构复杂程度的增加，要求水轮机调速器必须具备较高的控制性能和自动化水平，以适应电力系统更高的调频控制要求，保证机组具有快速的开机过程和符合调整。由于负载的自调节作用和负载惯性作用，其调节品质必然优于单机运行时的情况。2.1.4 水轮机调节系统过渡过程性能指标对一个控制系统，其性能可用稳定性、准确性和快速性衡量14。下面讨论水轮机调节系统过渡过程品质指标：(1) 调节时间，是指从阶跃扰动发生时刻开始到调节系统进入新的平衡状态位置经历的时间，新的平衡状态指以理论稳态值为中心的一个很小区域。(2) 最大偏差，是第一个波峰与理论稳态值之差。(3) 超调量，以第一个波谷值占最大偏差的百分数表示，即。(4) 振荡次数 ，以调节时间范围内出现的波峰及波谷次数之和的一半表示。(5) 衰减度，以第二个波峰与第一个波峰幅值之差的相对值表示，即。国家标准GB9652.1-1997中关于动态特性的有关规定：机组在空载工况下的稳定性。调速器应保证机组在各种工况和运行方式下稳定运行。在空载工况自动运行时，机组转速摆动相对值，对大型电调不超过0.15%，对大型机调、中小型调速器不超过0.25%，特小型调速器不超过0.30%；机组甩100%额定负荷后，在转速变化过程中，超过额定转速3%以上的波峰不得超过两次。2.2 水轮机调节系统模型的建立要研究水轮机调节系统，首先必须在了解调节对象的特性与参量的基础上建立调节对象的数学模型；其次要充分认识到水轮机控制系统是一个复杂的闭环调节系统。水轮发电机组调节系统的结构如图2-2。图2-2水轮发电机组控制系统原理结构图调节系统的难点主要集中在水轮机及引水系统上，由于它在调速过程中具有非线性、时变等特点，给常规的反馈控制带来了困难。下面分别阐述系统中各组成部分的数学模型15。(1) 水轮机动态特性常采用水轮机稳态工况下的力矩特性、流量特性和水头来表示，其公式为： (2-8)引水系统存在水流惯性其数学模型具有非线性的特点，可近似化处理为： (2-9)在式(2-9)中：为水头；为流量；为管道反射的时间常数：为引水系统水流惯性的时间常数。对水轮机的某一工况点以局部近似化线性化的方法表示为： (2-10)式(2-10)中：为水轮机主力矩；为转速；为水头；为接力器的行程；、为水轮机的传递系数。(2) 水轮机的发电机及负荷也以一阶惯性环节表示。对发电机运动方程的简化模型为： (2-11)式(2-11)中：为发电机机械惯性时间常数；为负荷自调节系数。这样，就可以根据前面给出的各环节数学模型得到水轮发电机组近似的线性化模型如下： (2-12)式(2-12)中：；(3) 接力器及随动系统可以用一阶惯性环节表示： (2-13)式(2-13)中：拉氏算子；为接力器缓冲时间常数；为控制量。由水轮发电机组的线性化处理后的模型可知，水轮发电机调速系统具有时变、非线性特性并且是一个高阶系统。对于线性化模型而言，这些特性主要体现在模型的参数随着工况的变化而改变。第3章 模糊PID控制算法的理论基础3.1 PID控制算法的理论基础3.1.1 PID调节器的基本原理传统PID控制系统是控制理论中发展比较早的一种方法，广泛的应用于各种控制领域。对线性控制系统和可以建立精确数学模型的系统来说最为适用。这节主要是对常规PID控制算法的基本理论进行研究。PID控制器的基本控制规律有比例、积分和微分等几种，工业上所用的控制规律是这些基本规律之间的不同组合。PID控制原理如图3-1所示。图3-1 PID调节器控制系统框图模拟PID控制器以给定的值r(t)和实际输出的值y(t)形成的偏差量e(t)为输入：e(t)=r(t)y(t) (3-1)其控制的规律是： (3-2)式(3-1)中：；Td为微分时间常数；Kp为比例系数；Ti为积分时间常数。3.1.2 PID各个环节控制特点比例、微分、积分三个环节对PID控制品质的影响主要从系统的稳定性、控制精度、超调量和响应速度等各方面特性来分析：1. 比例环节Kp只要偏差一出现，控制器便立即产生控制作用，使被控参数朝着减少偏差的方向变化，趋于给定值。其特点是结构简单，响应快。但是如果仅用有比例作用的控制器构成系统时，系统会存在静差。增大比例系数Kp,一般将加快系统的响应速度，若果是有差系统，则有利于减少静差，但比例系数过大，会加大系统超调，甚至产生震动，使系统不稳定。2. 微分环节Kd微分作用与偏差的变化速度成正比。加上微分作用后，即使偏差很小，只要出现变化的趋势，便马上产生控制作用。偏差变化越快，微分作用项越大，控制量就越大，故微分作用的加入有助于减小超调、克服振荡，有助于系统稳定。加大Td，有利于加速系统的响应，减小超调，但系统的抗干扰能力变差，对扰动过于敏感。3. 积分环节Ki只要偏差不为零，积分部分就不断累积，影响控制量，以减小误差，直到偏差为零，积分作用部分才不再变化，系统进入稳态。因此，积分作用的加入可以有效地消除系统静差3.1.3 PID参数整定PID控制器参数整定的方法有传统方法和智能方法两种，可以根据不同的被控对象选择具体的方法。水轮机调节系统是一个复杂的自动控制系统，由于PID参数调整方便、算法简单，并且有一定的控制精度，根据不同的被控对象，适当地调整PID参数，可以获得比较满意的控制效果。因此，PID参数整定是水轮机调节系统当前普遍采用的控制算法。但该算法也有它的局限性，只有在系统模型的参数为线性、非时变情况下，才能获得比较理想的效果。但是水轮机调节系统是一个高度非线性、时变的复杂系统，又有很大的不确定性，系统中含有时滞、死区，且呈现出非最小相特性，当一个调好参数的PID控制器应用于水轮机调节系统时，系统的性能会变差，甚至不稳定。另外，在对PID参数整定16的过程中，其整定值不是全局性的最优值，无法从根本上解决稳态精度和动态品质的矛盾。智能PID控制就是将智能控制与传统的PID控制相结合，是自适应的，它的设计思想是利用专家系统、模糊控制和神经网络技术，将人工智能以非线性控制方式引入到控制器中，使系统在任何运行状态下均能得到比传统PID控制更好的控制性能。与常规PID控制器相比，模糊控制器具有无须建立被控对象的数学模型，对被控对象的时滞、非线性和时变性具有一定的适应能力等优点，根据控制行为的反应来动态改变Kp、Ki、Kd，实现了PID控制器的智能性。3.2 模糊控制的理论基础3.2.1 模糊控制器的工作原理模糊控制器所采用的模糊控制规则是由模糊集合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，故也被称为模糊语言控制器。在模糊控制系统中，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、所采用的规则、合成推理算法以及模糊决策的方法等因素。模糊控制器的基本结构为图3-2，主要由模糊化、数据库、规则库、模糊推理和解模糊等五部分构成。 图3-2 模糊控制系统结构图3-2中r为设定值，y为输出值，e和ec分别为偏差和偏差变化率，E和EC分别是e和ec经过输入量化后的语言变量，U为基本模糊控制器语言变化量，u为经过输出量化以后的实际输出值。3.2.2 模糊控制系统各个环节功能 1. 模糊化环节通常经过采样得到输入量都是清晰量，经过量化因子处理相当于进行一次比例变换，映射成模糊论域N上的某个实数值。此实数值也许可以同时和N上面的多个模糊子集相关，求出此实数的值隶属于相关模糊子集的程度，称之为把清晰的数值进行模糊化处理。为了能够使得每一个实时输入的变量，其清晰值都可以进行模糊化处理，首先必须确定模糊论域N上覆盖的模糊子集数目，然后要确定各一个模糊子集的隶属函数，这个过程称为进行模糊分布。为了按照一定的语言规则进行模糊推理，需预先确定输出量的隶属函数。为便于工程实施，实际应用中通常采用梯形或三角形隶属度函数。图3-3给出了三角形隶属度函数的情况。对于任意的输入变量，可以通过上面定义的隶属度函数计算出其属于这七个模糊集合的隶属度。图3-3 三角形的隶属度函数2. 模糊规则环节知识库是通过专家的知识或者熟练的手工操作人员长时间积累的经验建立起来的，一般由两部分组成，分别是数据库与控制规则库：数据库中存放着所有的输入与输出变量的论域，以及这些论域上所定义的规则库中所使用的全部模糊子集的定义，都必须存放于数据库之中。在模糊控制器的推理过程之中,数据库可以提供必要的数据给推理机。在模糊化的接口进行模糊化，在解模糊的接口进行解模糊时，数据库也必须提供相应数据给论域。规则库是是控制被控对象的知识模型。模糊控制器性能好坏与否，取决于建立的模型准确性。在实际的应用过程中，输入和输出相应论域的模糊子集经常采用有标识性的符号标一记，如NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、NO(负零)、ZO(零)、PO(正零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)等来表示。我们设计一个模糊控制器，它的核心是模糊控制的规则。经验归纳法是经常用到的方法，用来建立一个模糊控制的规则。模糊规则设计基本原则是：当误差比较大时，控制量的变化应尽量使误差迅速减少；当误差比较小时，除了要消除误差外，还要考虑系统的稳定性，防止系统产生不必要的超调，甚至振荡。例如表3-1就是一个典型的模糊控制规则表，用来表示49条模糊条件语句。表3-1 模糊控制规则表UENBNMNSZOPSPMPBECNBPBPBPMPMPSPSZONMPBPBPMPMPSZOZONSPMPMPMPSZONSNMZOPMPSPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMZOZONSNMNMNMNBPBZONSNSNMNMNBNB此外，模糊分割的个数也决定了模糊规则的个数。模糊分割数越多，控制规则数也就越多，如果模糊分割太细，就需要确定太多的控制性能进行精心的调整。在选择某一模糊变量的各个模糊子集时，要较好地覆盖整个论域，是为了希望系统在要求的范围内都能实现很好的控制。一般来说，当论域中的元素总数是模糊子集总数的23倍时，模糊子集对论域的覆盖程度较好。但是，目前还没有一个具体的方法和步骤来指导确定模糊分割的个数，主要是依靠试凑法和经验法。在利用专家的知识建立模糊控制规则时，以一组语言来描述，其通常的的形式为：If(前提语言变量)Then(结论语言变量)由于在模糊控制规则中的前提以及结论的语言都为模糊的，我们称之为模糊条件句。其一般的形式为：If E is PB and EC is NB, Then U is ZO If E is PB and EC is NS, Then U is NM If E is PB and EC is PS, Then U is PM类似的，可得到表3-1的模糊控制规则表。此表中的模糊规则可以表述为：第i条规则：If E is Ei and EC is ECi, Then U is Ui, i=1，2，m。其中，Ei，ECi，Ui负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。此方法是建立在一定的原则基础上，若模糊控制器的输入变量为误差，输出量为控制量的增量时，其原则为：误差量较大时，应该使控制量的变化减小误差，误差较小时，既要考虑误差，还要考虑系统的稳定性，以避免出现超调，振荡。这一环节是设计的关键部分。3. 模糊推理环节在模糊控制器之中，推理是根据模糊控制的输入量，通过模糊控制的规则实现模糊推理进而求解出模糊关系的方程，其推理方法有最大最小推理方法。下面举例说明，假设模糊控制器的输入变量为E和EC，输出变量为U，通常取模糊子集总数S=(2n+l)=57为宜。控制规则形式：If E is A11 and EC is A12，Then U is U1 If E is A12 and EC is A22，Then U is U2 其中，A11与A12和A21与A22分别是输入语言变量E和EC的两个相邻模糊子集；而U1与U2是输出语言变量U的两个相邻模糊子集。如果己知E=e0，EC=ec0，可以根据它们的隶属函数和(=1，2是相邻两个模糊子集的序号)，可以求出合成度为： (3-2)式(3-2)中，算符*取min(极小)或者取代数积，则对于序号为的规则其推理结果表示： (3-3)那么其两条规则的合成推理结果表示： (3-4)当*取min时， (3-5)而当*取时，则 (3-6)这一环节结束后，我们得到的结果依旧是一个模糊的矢量，不能把它直接作为控制量来运用，还要进行一次必要的转换，求出控制量的清晰值输出，即解模糊化。4. 解模糊化环节模糊推理结果一般都是模糊值，不能直接用来作为被控对象的控制量，需要将其转化为一个精确量，用来它控制执行机构。把这样的过程称为解模糊化，这里我们介绍几种常用的解模糊化方法：（1）最大隶属度法最大隶属函数法最简单，只要在推理结论的模糊集合中去隶属函数最大的那个元素作为输出量即可。不过要求这种情况下其隶属函数的曲线一定是正规凸模糊集合，即：(3-7)如果输出量的隶属度函数有多个极值，则取这些极值的平均值为清晰值。在这种方法中可以使主要信息突出，简单易行，但的缺点是对信息量的概括比较少。是因为它排除了其他隶属程度比较小的论域中元素的作用，从而比较粗糙，只适用于对控制系统的性能的要求不是很高的系统之中。(2) 中位数法在论域U上经常把隶属函数的曲线和横坐标一起围成的面积平分为相等两部分的元素称之为模糊集合的中位数。中位数法是把模糊集中位数称作为系统的控制量，即：(3-8)与最大隶属度法相比，中位数法一般包含的控制信息更多，但是它的计算过程比较的复杂，尤其是对于连续的隶属函数来说，它需要去求解关于积分的方程。(3) 加权平均法加权平均法，也成为重心法，是现实中应用比较多的一种判决模糊控制系统的一种方法。这种方法主要取隶属函数的加权值为z的清晰值，即：(3-9)当其论域为离散时，则有：(3-10) 在加权平均法中，即突出了主要信息，同时又兼顾了其他的信息，所以显得较为贴近实际情况，因而应用也更为广泛。5. 输入输出量化环节输入量化的作用是将实际输入变量的基本论域变换成为其相应语言化变量的论域。基本模糊控制器是两个输入E和EC，一个输出U，对应就有两个量化因子和一个比例因子，它们与系统控制效果有很大的关系。根据一般经验总结：偏差量化因子越大，过渡时间越长，系统超调量越大，但是稳态控制精度高，若减少量化因子，超调量减少了，但系统的稳态误差将会增大；偏差变化率的量化因子越大，超调量将会减少，但响应速度将会减慢。此外，该因子对系统的超调作用强烈；输出比例因子越小，系统的动态响应时间变长，选择越大，系统振荡越明显。 3.2.3 模糊控制器的优缺点 模糊控制器的优点：(1) 设计时不需要建立被控对象的数学模型，只要求掌握人类的控制经验，应用广泛。(2) 模系统的鲁棒性强，尤其适用于非线性时变、滞后系统的控制。模糊控制的缺点：(1) 确立模糊化和逆模糊化的方法时，缺乏系统的方法，主要靠经验和试凑。(2) 总结模糊控制规则有时比较困难。(3) 控制规则一旦确定，不能在线调整，不能很好地适应情况的变化。(4) 模糊控制器由于不具有积分环节，因而稳态精度不高。模糊控制器在现实生活中得到广泛发展并成功应用，源自于应用了模糊逻辑的控制理论，它的特点主要是很容易确定语言变量的控制规则，应用多样且灵活。 3.3 模糊PID控制算法3.3.1 模糊控制器的基本理论 模糊控制器通常是以系统偏差E和偏差变化率EC为输入变量，这与常规PID控制器的作用类似，若以PID积分系数、比例系数、微分系数三个参数为输出变量，去控制被控对象可以实现对系统的调节功能，就有可能获得较好的控制效果，这种把PID控制策略应用到模糊控制器中，结合成模糊PID控制器。这种模糊参数自整定PID控制的工作原理：首先利用模糊控制方法将专家及操作人员的调整经验知识存入模糊控制器中，对不同的输入偏差E和偏差变化率EC，利用制定的模糊控制规则进行模糊推理，自动修改PID的参数。目前，模糊PID控制器有许多类型，但工作原理基本一样。其实，关键核心部分就是制定准确的模糊控制规则表，这需要专家的知识和设计人员的实际操作经验，模糊规则表建立的越准确，控制效果越好。3.3.2 模糊PID控制器的结构在模糊控制系统中，设计和调整模糊控制器的工作是非常重要的。模糊控制器有单变量和多变量之分，两者的区别在于变量的物理个数，这里只介绍单变量模糊控制器（Single Variable Fuzzy Control，SVFC）。根据其维数可以分为一维、二维和多维模糊控制器。(1) 一维模糊控制器。这种控制器的输入一般取为设定值与实际测量值之间的偏差，如图3-4(a)所示。(2) 二维模糊控制器。这种控制器的输入一般取设定值与实际测量值之间的偏差以及偏差变化率，如图3-4(b)所示。(3) 多维模糊控制器。这种控制器的输入个数大于两个，只用在要求特别高的场合，一般的模糊控制器中很少使用多维控制器，原因在于这种控制器的结构十分复杂，图3-4(c)所示为三维模糊控制器，它的三个输入分别是设定值与实际测量值之间的偏差、偏差变化率以及偏差变化率的变化率。 (c)(b)(a)一维模糊控制器二维模糊控制器三维模糊控制器图3-4 单变量模糊控制结构在图3-4中，由理论上分析可知，模糊控制器的维数越高，所控制的系统的精度也会越高，但在实际设计模糊控制器系统时一般不采用过高的维数，原因在于维数越高，就会使系统结构越复杂，规则数也越多，这样会增加计算机的任务量，使得计算时间延长，影响工作效率，因此人们在设计控制器时多使用二