柴油机电子调速器PID参数模糊自校正研究.pdf

第 1 9 卷( 2 0 0 1 ) 第 3期 内燃机学报 Tr an s a c t i on s o f CS I C E V0 1 1 9 ( 2 0 0 1 ) No 3 文章编号 ： 1 0 0 0 0 9 0 9 ( 2 0 0 1 ) 0 3 0 2 6 7 0 3 柴油机 电子调速器 P I D参数模糊 自校正研究 李彦 强，朱从乔 ，黄次浩 ( 海军工程大学 动力工程学院 ， 湖北 武汉 4 3 0 0 3 3 ) 引言 摘要 ： 提出了对柴油机数字式 电子调速器 P I D参数按调速系统过渡过程进行模糊 自校 正的原理 ， 并对此 进行 了仿真研究。结果表明， 该方法对提高电子谓速器 的调速性能有 明显效果 ， 对 电子调 速器适 应柴油 机过程参数的变化也有一定 的改善。 关键词 柴油机 数 字式电子调速器 ；比倒 积分微分 ； 模糊 自校正 中国分类号 ： T K4 2 4 3 1 文献标 识码 ： A 模糊理论是在 L o t f i Z a d e h创 立的模糊集合理论 的基础上发展起来的， 它提 出了亦此亦彼的模糊逻辑。 随着模 糊逻辑的提出， 在控制领域出现了模糊控制 。 模 糊控制较好地模拟 了人的思维方式 ， 其显著特点是对 系统模型不敏感 ， 鲁棒性强 ， 适应动态过程。简单的模 糊控制 由于不具有积分环节， 难 以消除系统的稳态误 差 ， 并且在变量分级不足够多的情况下 ， 常常在平衡点 附近会有小的振荡现象。而 比例积分微分 ( P I D， p r o p o r t i o n i n t e g r a l d i f f e r e n t i a t i o n ) 控制 却相反 。于是 ， 研 究人员将模糊控制和 P I D控制结合 ， 提出了模糊 P I D 控制 。 二者的结合方法主要有 2种： 一种是利用模 糊控 制 对 P I D控制参数进 行在线 自整 定或 自校正， 组 成 P I D参数模糊 自整定 自校正控制器 ； 另一种是采用模 糊 和 P I D交替控制， 即在大偏差用模糊控制， 小偏 差 用 P I D控 制 ， 或 者采 用 两 者 都参 与 控制 的复 合 控 制 ： 。 柴油机电子调速器调速动态过程的各阶段对控制 增量 的要求不尽相 同， 应对 P I D参数进行实时校正 ， 以进一步提高其调速性能。本文采用模糊控制方法对 P I D参数进行模糊 自校正 ， 并对此进行了仿真研究。 1 P I D参数模 糊 自校正 的原理 为 了提高系统的调速性能， 在调速系统过渡过程 的 不 同阶段 ， 控制 器 应 取 不 同 的增 益 ， 即应 实 时 校 正 P I D的参数 。 在实时系统中， 校正的方法一般是通过分 析被控 量的测量值然后查询校正表进行 ， 问题的关键 是获取一个合适的校正表 。如果用一般的方法通过大 量试验不断修正来得到该表， 工作量是很大的 ， 调整也 很不 方便 ， 因此应采 取一 种新 的方法 。 通过模糊控制的方法进行参数校正是一个发展方 向。用模糊控制来校 正、 优化 P I D控制器的参数在液 压 电梯控 制 口 、 温 度控 制口 方 面 的研 究表 明 ， 该 方 法是 有效可行的。 目前， 控制参数模 糊自校正一般在线分别 校正 P I D三个参数 ， 而校正的 目的是优化参数取得更 好 的控制性 能 。 良好 的控制性 能 取决 于控制 量的 变化 。 如果提 取 P I D计算公式 的比例系数作 为控制器 的增 益， 只要对该参数进行校正 ， 使得控制量的变化符合过 渡过程 的要求， 就能提高控制性能， 使参数校正变得简 单 、 直 观 。 G ( ) 为转速 P I D控制环节脉冲传递 函数 ， 如下 式所示 ： G( ) =k ( 1 +丁】 丁 +丁 d 丁】 ) # 一 ( 1 2 丁 d 丁 ) +丁d 丁 J ( 一1 ) ( 1 ) 令 k 一k +f ， ) ( 2 ) 式 中： 为按常规方法整定的比例增益； ，( ， ) 为采用 模糊控制方法得到的比例增益标准校正值， 该值通过 实时查询校正表得到； k为比例因子 ； k 。 为校正后 的比 例增益 ； T 为采样周期 T 为积分 时间常数， 丁a 为微 分时间常数 ； T 、 T 、 T 取按常规方法整定的值。 P I D参数模糊 自校正的原理如图 1所示 ， 图中 k 、 k 为 比例 因子 。 收藕 日期 2 0 0 0 0 6 1 6 I I 订 日期 ： 2 0 0 0 1 O - 2 1 。 作者筒 介 李彦强( 1 9 7 3 一) ， 男 ， 博士生 ， 主要研究 方向为舰艇动力装置自动化厦智能控制 维普资讯 2 6 8 内 燃 机 学 报 第 1 9卷第 3 期 圈 1 P I D参数模糊 自校正原理圈 Fi g 1 The c o nc e pt i o n of f u z z y s e l f t u ni n g PI D par ame t e r s 表 1 模糊控制规则 Ta b1 The r e g u l at i on o f f uz z y c o nt r o l J l N B N M N S J Z E I P S P M f P B N B l P B P B P M I P S l N S N M N B N M 1 P B P B 1 P M 1 P S l N S N M j N B N S P M P M l P S f P S P S N s l N M Z E l P M P S l z E。 Z E J Z E P S l P M P S l N M N S 。P S J P S l P S P M P M P M 1 N B N M N S 1 P S 1 P M P B I P B P B N B N M l N S l P M P B P B l P B 2 F规则的建立 3 F控制表 的建立 F规则是模糊推理的依据 ， 它 的形式为 I f ( ， a n d d e ) Th e n( f 一2 ) ， 其 中e为转速差， 为转速 差变化率， c 为校正量， -r 、 Y、 z为相应的模糊子集。这 些规则直接关系到校正效果的好坏 应根据过渡过程 对控制量变化的要求制定和调整之。 突减负荷的情况如图 2 所示 。 据 图 1 ， 转速偏差相 对值 ( 设定转速 一实际转速) 设定转速。其 中 在 O A段由于供油量大于所需供油量 转速很快上升 ， 超 过设定转速 ， 偏差值为负 。为保持恒定转速 ， 在控制器 的作用下供油量减少 ， 为保证小的超调应使供油量迅 速减少 ， 这就要求控制器取较大的增益 即校正值应取 大 。在 AB段， 供油量 已经小于所需的供油量 ， 转速开 始回落 ； 回落的最初阶段由于偏差的变化率较小 ， 供油 量仍有所减小。 为使回落加快 校正值不应太小。随着 偏差变化率的增加， 供油量开始上升， 同样为使 回落加 快 ， 低于所需供油量的时间应稍微长一些 ， 使校正值减 小 。在距离 B点较近时， 为使 B C段的峰值减小 ， 应使 回落减慢， 需加快供油量的增加， 因此校正值应增 加。 C D段及以后小 的波动阶段 ， 为使转速尽快稳定 ， 校正 值应 稍微 增加 一点 。 对突加负荷过渡过程的情况 ， 也有类似的分析 ， 此 不赘述。由此 ， 得到表 1所示的模糊规则 。表中 NB、 NM、 N S、 Z E、 P S 、 P M、 P B分别表示负大、 负中、 负小、 零、 正小、 正中、 正大， 代表 、 d e 、 c的各模糊子集 。 田 2突藏 负荷 过渡 过程 FI 窖 2 Th e t r a n s i e n t p r o c e s s o f c u t t i n g d o wn l a d 将转速差 、 转速差变化率映射到相应论域 ， 通过对 输入量进行模糊化处理 ， 经模糊推理 和去模糊处理后 得到校正量。 F控制表 中的数据是输入量经放大 、 量化 和饱和处理后所对应的校正值 。 本文中转速差、 转速差 变化率、 校正量的论域 ED u；E -6 6 j 。三者的 隶属函数皆为同样的三角形隶属函数 按 Ma md a n i E H法推理 ， 用面积重心法 ( C OA) 去模糊 ， 得到如表 2所示的模糊控制参数校正表。 表 2 MD 参数 F自校正 Ta b 2 Fu z z y s e l f t u ni ng PI D par a me t o r s d e 一 6 4 3 1 2 4【 5 6 6 3 2 2 3 5 2 2 3 4 6 5 4 3 2 2 4 5 2 1 1 4 5 2 3 2 2 2 2 2 4 2 3 2 4 2 3 4 2 4 3 2 2 2 2 2 2 3 4 _ _ _ 4 2 3 5 5 6 3 2 2 3 6 5 3 2 2 6 6 6 6 l 一5 -4 一3l 一2 02 6 6 4仿真研 究 本文针对 6 1 3 j柴油发电机组进行仿真， 采用文 献 5 的柴油机模型， 该模型如下 ： T s ( s ) + 】 ( 5 ) 一 2 e 一 f0) ( s ) ( 3 ) 通过阶跃响应试验求得 电磁执行器 的传递 函数 G ( ) 如下 ： G ( ) 一 0 3 ( 0 I s + 1 ) ( 4 ) 转 速反馈环节、 齿条位移反馈环节 的模型等效为 量化 函数 ， 量化因子 q 一1 2 ， 为所采用的 A D转 换 器 的位 数 。 根据上述控制对象 的模型 ， 运用 MAT L AB中的 维普资讯 李彦强等 ： 柴油机 电子调速器 P I D参数模糊 自校正研究 2 6 9 S I MUL I NK对 P I D控制和 P I D参数模 糊 自校正进行 仿真n 一 ， 按 国标有关调速性能的计算公式计算瞬态调 速率 乱 和稳定时间 ， 其中， 突减负荷时， =( n 一 一 ) n 1 O 0 稳定时间 为从转速 突然上升开始 到转速稳定在一定波速率 u内止的时间口 一 。 据此 ， 突减 1 0 0 负荷的结果如图 3所示 ， 其为 一0 1 S 时突减负 荷的动态过程， 纵坐标为转速差的相对值 ， =( 实 际转速 一设定 转速 ) 设定转 速 ； 横 坐标 为时 间 。图 3 a 所示为供油装置增益为 1时的结果。无参数模糊控制 自校正时 乱 为 3 2 ， 稳定时间为 1 7 s ， 进行参数模 蒿 嚣 蜘 ( a )供油装置增益为 1 糊控制 自校正时 为 2 5 ， 稳定时间为 1 1 S 。结果 表明， 对电子调速器按调速过渡过程进行 P I D参数模 糊控制 自校正能够 明显提高其调速性能。电站柴油机 模型中变化较大且对词速性能影响较大的参数是供油 装 置增益 ， 当该增益为 0 6 5时 ， 仿真结果如图 3 b所 示 。 无参数模糊控制 自校正时 岛为 4 4 ， 稳定时间为 2 0 S ， 进行参数模糊控制 自校正时 以 为 3 2 ， 稳定 时间为 1 5 S 。 可见参数模糊 自校正对柴油机模型参数 的变化也有较好 的适应性。 ：垩 蕾 互 剥 时白 j f s ( b )供油装置增益为 0 6 5 圈 3寞减 负荷过渡 过程 Fi g 3 Th e t r a ns i e nt pr oc e s s o f cu t On g d own l oa d 控制 ， 1 9 9 2 ， 2 1 ( 3 ) 1 5 1 1 5 5 J 3 戎月莉 计 算机 模糊控制原理及应用 M 北京 ： 北京 对数字式电子调速器 P I D参数按调速系统过渡 航空航天大学出版杜， I g g 5 2 7 3 4 过 程进行 模 糊 自校正 ， 有 利 于提 高 电 子调 速器 的 调速 F 4 王磊， 王为民 模糊控制理论及应用 M - 北京 ： 国 性 能 ，增 强 电 子 调 速 器 适 应 柴 油 机 过 程 参 数 变 化 的 能 踟昙 电9 9子7, 能 模 拟 试 验 方 法 的 研究 ： 学位 论文 D 武汉 海 军工程大学 ， 1 g g 8 2 4 一 参考文献 ： ： 6 薛 定宇 控制系 统计 算机辅 助设计 MAT L AB语 1 李卓 ， 萧德 云 t 何世 忠 -基 于 F u z z y推理 的 自调整 言 及应 用 M 北京 ： 清华大学出版社 1 9 9 6 1 8 1 2 0 7 P I D控 制 器 J 控 制理 论 与 应用 ， i g g ? t 1 4 ( 2 ) ： 2 3 8 一 E 7 陈兆 良 舰船机 舱 自动 化 M 武汉 ； 海军 工程大学出 2 4 3 版 社 ， I g g 6 7 6 7 9 2 2 罗安 ， 路 甬样 专家 P I D控制器 及应用 J 信息与 S t u d y o n Fu z z y Se l f Tun i n g PI D Pa r a me t e r s o f Di g i t a l Gov e r no r f o r Di e s e l Eng i ne LI Ya n qi a ng，ZHU Co ng q i a o，HUANG Ci - h a o ( Co l l e g e o f P o we r E n g i n e e r i n g，Na v a l Un i v e r s i t y o f En g i n e e r i n g， W u h a n 4 3 0 0 3 3 C h i n a ) A b s t r a c t ： T h e c o n c e p t i o n o f f u z z y s e l f t u n i n g P I D p a r a me t e r s f o r d i g i t a l g o v e r n o r o f d i e s e l e n g i n e b a s e d O n t h e s p e e d r e g u l a t i n g d y n a mi c p r o c e s s wa s g i v e n Th e s i mu l a t i o n o f t h i s me t h o d u s i n g M ATLAB wa s a l s o s t u d i e d Th e r e s u l t s h o ws t h a t i t i s u s e f u l t o i mp r o v e t h e s p e e d r e g u l a t i n g p e r f o r ma n c e a n d i n c r e a s e t h e a d a p t a b i l i t y t O p r o c e s s p a r a me t e r s v a r i a t i o n o f d i e s e l e n g i n e Ke y wor d s：Di e s e l e ngi ne I Di g i t a l g ove r no r；PI D；Fu z z y s e l f t un i ng 维普资讯