船舶柴油機缸套冷卻水溫度模糊PID自適應(yīng)控制及仿真.pdf

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1、·32·造船技術(shù)2010年第2期(總第294期)船舶柴油機缸套冷卻水溫度模糊PID自適應(yīng)控制及仿真徐紅明，姚建飛(浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州311112)提要介紹了船舶柴油機缸套冷卻水溫度模糊PID自適應(yīng)控制器設(shè)計方法，并在Matlab的Simulink環(huán)境下對控制系統(tǒng)進行仿真，模糊自適應(yīng)PID控制器將傳統(tǒng)PID控制經(jīng)驗的優(yōu)點和模糊控制的靈活性、自適應(yīng)性相結(jié)合，系統(tǒng)輸出響應(yīng)的過渡過程平穩(wěn)、系統(tǒng)的超調(diào)量小、過渡時間短，具有良好的動、靜態(tài)性能。關(guān)鍵詞船艦工程缸套冷卻水模糊控制仿真中圖分類號U662文獻標(biāo)識碼A1引言船舶柴油機缸套冷卻水溫度是機艙一個重要的

2、熱工參數(shù)，精確控制冷卻水溫度，可以有效地控制柴油機缸套的低溫腐蝕、高溫腐蝕并減少熱應(yīng)力，提高柴油機的動力性能。主機缸套冷卻水溫度控制系統(tǒng)是一個具有大慣性、純滯后和時變性特點的復(fù)雜非線性系統(tǒng)，傳統(tǒng)的PID控制算法在某一特定條件下整定完成，其算法簡單、魯棒性好及可靠性高，適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性系統(tǒng)。但在船舶運行工況發(fā)生變化時，常規(guī)PID控制器參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，容易導(dǎo)致較大的超調(diào)量和較長的調(diào)節(jié)時間，影響系統(tǒng)的控制品質(zhì)，且不具備在線調(diào)整參數(shù)的功能，致使其控制效果受到限制。文中提出的主機缸套冷卻水溫度模糊自調(diào)節(jié)PID參數(shù)控制系統(tǒng)，可滿足冷卻

3、水溫度在不同偏差及其變化率時在線調(diào)整參數(shù)k。，kt，ka的功能，基于MATLAB的仿真結(jié)果表明，與常規(guī)PID控制系統(tǒng)相比，模糊PID自適應(yīng)控制能使系統(tǒng)的動態(tài)特性和靜態(tài)特性得以改善，可獲得更好的控制精度和控制性能。2船舶柴油機缸套冷卻水溫度模糊PID自適應(yīng)控制系統(tǒng)2．1模糊PID自適應(yīng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Ⅲ基金項目：浙江省教育廳科研項目(項目編號：Y200804126)作者簡介：徐紅明(1978一)，男，講師。針對PID控制器參數(shù)整定不易的局限，運用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示；把模糊控制規(guī)則及有關(guān)信息作為知識存人知識庫中；根據(jù)控制

4、系統(tǒng)的實際響應(yīng)情況，運用模糊推理，自動實現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳整定。船舶柴油機缸套冷卻水溫度模糊PID自適應(yīng)控制使用的是一個兩輸入(P，ec)三輸出(△K。、AKi、△Ka)的模糊控制器，以誤差e和誤差變化率ec作為模糊控制器的輸入，根據(jù)不同時刻的e和ec對PID參數(shù)進行自整定，參數(shù)自整定模糊PID控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1參數(shù)自整定模糊PID控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)自整定模糊PID控制系統(tǒng)主要由兩部分組成，一是參數(shù)可變的PID調(diào)節(jié)器，二是模糊推理系統(tǒng)，在線修正PID參數(shù)，計算公式如下K，一K。7+△K，Ki—Ki’+,SKiKd—Kd7+△Kd式中：

5、K。7、K。7、K。7為原先整定好的PID參數(shù)，而模糊控制器的3個輸出zXK。、z2tKi、△Kd，可根據(jù)被控對象的狀態(tài)自動調(diào)整PID控制器3個控制參數(shù)的取值。其設(shè)計思想是，先找出PID的3個參數(shù)與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系，在運行中通過不斷檢測e和ec，再根據(jù)模糊控制原理對3個參數(shù)進行在線整定，通過常規(guī)PID控制器獲得新的K。、K；、K。后，對控制對象輸出相應(yīng)的控制，使被控對象具有良好的動態(tài)、靜態(tài)特性。2．2參數(shù)模糊整定原理模糊PID控制器的工作原理是運用模糊數(shù)學(xué)的基本原理和方法，將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗和技術(shù)知徐紅明，等：船舶柴油機缸套冷卻

6、水溫度模糊PID自適應(yīng)控制及仿真·33·識總結(jié)成為IF(條件)THEN(結(jié)果)形式的模糊規(guī)則，并把這些模糊規(guī)則及相關(guān)信息(如PID參數(shù)的初始值)作為知識存入計算機的知識庫中。根據(jù)缸套冷卻水系統(tǒng)的實際響應(yīng)情況，計算出采樣時刻的偏差P和偏差變化率Pf，輸入控制器，運用模糊推理，進行模糊運算，實時調(diào)整PID參數(shù)。使PID控制器適應(yīng)被控對象的變化，即得到該時刻PID控制器的三個參數(shù)K。、Ki、K。的值。實現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整，根據(jù)實際經(jīng)驗，比例系數(shù)K。、積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)K。在不同的e和ec下的自調(diào)整需要滿足如下原則∽]。(1)當(dāng)偏差較大時，為加快系

7、統(tǒng)的響應(yīng)速度，K。應(yīng)取較大，同時為避免由于開始時偏差的瞬時變大可能出現(xiàn)的微分過飽和而使控制作用超出許可的范圍，應(yīng)取較小的K。，為防止系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，產(chǎn)生積分飽和，應(yīng)對積分作用加以限制，通常取Ki=0，去掉積分作用。(2)當(dāng)偏差和偏差變化率處于中等大小時，為使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào)，K。應(yīng)取小一些，Ki的取值要適當(dāng)，這種情況K。的取值對系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大，取值要大小適中，以保證系統(tǒng)響應(yīng)速度。(3)當(dāng)偏差較小即接近于設(shè)定值時，為使系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)增加K。和Ki的取值，同時為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，Ka取值是相

8、當(dāng)重要的。一般是當(dāng)偏差變化率較小時，K?？扇〈笠恍划?dāng)偏差變化率較大時，K。應(yīng)取小一些。(4)偏差變化率的大