基于Fuzzy-PID組合智能控制理論的船用鍋爐水位仿真研究
郭慶祝     孟維明   任光
（ 大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院   中國(guó) 大連 116026）

摘   要
鍋爐是決定船舶航運(yùn)安全穩(wěn)定的重要因素。其蒸汽、壓力、溫度這些非常重要的控制量與汽包水位有著密切的聯(lián)系。利用模糊控制理論設(shè)計(jì)鍋爐水位模糊控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)PID控制器優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，并應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)對(duì)鍋爐水位可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)最佳控制。
關(guān) 鍵 詞： 模糊控制器；MATLAB仿真；汽包水位；船用鍋爐
1   引  言
回顧古典和現(xiàn)代控制理論，我們會(huì)發(fā)覺(jué)它們都存在一個(gè)共同的局限性：就是要求預(yù)先知道被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型。但在實(shí)際的工業(yè)過(guò)程控制中，許多對(duì)象具有復(fù)雜的非線性、不確定性和時(shí)變性，很難精確建模。盡管控制理論中有系統(tǒng)辯識(shí)的手段，但是對(duì)于時(shí)變性系統(tǒng)仍沒(méi)有成熟和系統(tǒng)的辯識(shí)理論和方法，要實(shí)現(xiàn)有效的實(shí)時(shí)控制往往很難。
船用鍋爐是一種多變量系統(tǒng)。其燃燒過(guò)程有許多被控量（如水位，蒸汽壓力）和控制變量（給水流量），這些變量具有非線性、時(shí)變大以及存在很強(qiáng)的耦合等特點(diǎn)，它們互相關(guān)聯(lián)，要對(duì)其建立一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型相當(dāng)困難。汽包水位是鍋爐運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)，由于經(jīng)常受到負(fù)荷變化、進(jìn)出水速度、水質(zhì)、時(shí)滯性、非線性成分較大等諸多因素的影響，使得采用常規(guī)的自動(dòng)控制方式往往不能得到理想的控制效果，因此必須采取特殊的控制策略針對(duì)汽包水位在不同狀態(tài)和不同外界條件下以提高系統(tǒng)的抗干擾能力，使控制效果明顯改善，保證汽包水位的穩(wěn)定。
2  仿真工具M(jìn)atlab環(huán)境
Matlab環(huán)境又稱(chēng)為Matlab語(yǔ)言，是由美國(guó)New Mexico大學(xué)的Cleve Moler于1980年開(kāi)始開(kāi)發(fā)的，1984年由Cleve Moler等人創(chuàng)立的Mathworks公司推出了第一個(gè)商業(yè)版本使其成為功能強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件包，它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)和眾多學(xué)科領(lǐng)域提供了一種簡(jiǎn)潔、高效的編程工具。在Matlab軟件中，提供了新的控制系統(tǒng)模型輸入和仿真工具SIMULINK， 它具有構(gòu)造模型簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)修改參數(shù)以實(shí)現(xiàn)更為容易的系統(tǒng)控制，使復(fù)雜系統(tǒng)的輸入變得容易可觀.
Matlab 是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)，針對(duì)不同的學(xué)科，推出了不同的工具箱如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱、遺傳算法工具箱、系統(tǒng)辯識(shí)工具箱和模糊邏輯控制工具箱等等。本文正是基于MATLAB/SIMULINK、模糊邏輯工具箱進(jìn)行建模仿真研究的。
3  模糊控制器設(shè)計(jì)
3.1 模糊控制原理
模糊控制系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，它以模糊數(shù)學(xué)、模糊語(yǔ)言形式的知識(shí)表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有反饋通道的閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)。因此，模糊控制系統(tǒng)的組成具有常規(guī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式:通常由模糊控制器、輸入/輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對(duì)象和測(cè)量裝置等五個(gè)部分組成。由于船舶鍋爐系統(tǒng)本身是一個(gè)非常復(fù)雜與不確定的非線性系統(tǒng)，引入模糊智能控制技術(shù)是一個(gè)必然的發(fā)展趨勢(shì)。
3.2鍋爐模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.2.1 鍋爐水位模糊控制系統(tǒng)（如圖1）。鍋爐水位的模糊變量:水位誤差e、水位誤差變化率ec作為模糊控制器兩個(gè)輸入變量。模糊控制器的輸出變量u作為控制伺服電機(jī)兩端電樞電壓的大小和極性。根據(jù)水位的變化和變量u的大小及極性的改變控制伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速的快慢，從而達(dá)到伺服電機(jī)控制給水調(diào)節(jié)閥的進(jìn)水和出水及開(kāi)度的大小以及調(diào)節(jié)閥動(dòng)作快慢和響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短

3.2.2模糊控制器的設(shè)計(jì)
在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，假定水位要求保持在額定值的[-80mm，+80mm]之間，水位誤差e的基本變化范圍為[-0.08，+0.08]；水位誤差變化率ec為[-0.02，+0.02]；直流伺服電動(dòng)機(jī)兩端電樞電壓u的基本變化范圍為[-110，+110]，語(yǔ)言值的隸屬度函數(shù)選用高斯型和三角型隸屬函數(shù)，對(duì)以上變量模糊子集分別為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；論域皆為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}；量化因子為kc＝6/0.08＝75 kcc＝6/0.02＝300; ku＝6/110＝0.054。總結(jié)操作者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，盡可能包括現(xiàn)場(chǎng)可能出現(xiàn)的各種情況,控制規(guī)則為Mamdni規(guī)則。；如表1（表略1）:Fuzzy規(guī)則集模型
（1）If E=NB and EC=NB then U=PB   （2）If E=NB and EC=NM then U=PB
???????????????????????????????? （49）If E=PB and EC=PB then U=NB
3.2.3水位模糊變量的賦值表設(shè)計(jì)
當(dāng)水位誤差e和水位誤差變化率ec及控制伺服電機(jī)u的模糊子集確定后，對(duì)它們模糊語(yǔ)言變量確定其隸屬函數(shù)，即對(duì)其模糊變量賦值，確定論域內(nèi)的元素對(duì)模糊語(yǔ)言變量的隸屬度，下圖表2為e的隸屬度賦值表，ec和 u的隸屬度賦值表從略。
 e -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6
NB 1.0 0.8 0.4 0.1         
NM 0.2 0.7 1.0 0.7 0.2        
NS   0.1 0.5 1.0 0.8 0.3      
N0     0.1 0.8 1.0      
P0         1.0 0.8 0.1    
PS       0.3 0.8 1.0 0.5 0.1  
PM         0.2 0.7 1.0 0.7 0.2
PB          0.1 0.4 0.8 1.0
由規(guī)則集合第一條語(yǔ)句確定的控制規(guī)則可以算出u1:模糊關(guān)系為：R＝NBe×NBec×PBU         (1) ;控制量：u1＝min[uNBC(i);uNBEC(j);uPBU(x)]  (2) ; 式2中：uNBC(i)是模糊集合NBe第i個(gè)元素（即令測(cè)得到的誤差為第i等級(jí)）的隸屬度，uNBec(j)是模糊集合NBec第j個(gè)元素（即令測(cè)得到的誤差為第j等級(jí)）的隸屬度，控制量為模糊集合u:  U＝u1+u2+???u49  (4) 由式4計(jì)算出的模糊控制量，可以選用最大隸屬度方法，將控制量由模糊量變?yōu)榫_量。根據(jù)不同的i和j計(jì)算好控制量，制成查詢表3，存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，當(dāng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制時(shí)，
得到水位誤差和變化的精確值，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的等級(jí)值，根據(jù)輸出的信息，從計(jì)算機(jī)中查詢出所需要采取的控制策略
c  e              
-6 6 6 6 6 6 6 5 4 3 2 2 0 0
-5 6   6  6  6  6 6 5 4 3 2 2 0 0
-4 6 6 6 6 6 6 5 4 3 2 1 0 0
-3 5 5  5  5 5 5 3 3 2 1 1 -1 -1
-2 4  4  4  4  4  4 2 2 0 0 0 -1 -2
-1 4  4  3  3  3 2 1 1 -1 -2 -2 -2 -3
0 3  3  3  2  2 1 0 -1 -2 -3 -4 -4 -4
1 3  2  2  2  1 -1 -1 -2 -3 -3 -3 -4 -4
2 2 1 0 0 0 -2 -2 -4 -4 -4 -4 -4 -4
3 1 1 -1 -1 -2 -3 -3 -5 -5 -5 -5 -5 -5
4 0 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -6 -6 -6 -6 -6
5 0 0 -2 -2 -3 -4 -5 -6 -6 -6 -6 -6 -6
6 0 0 -2 -2 -3 -4 -5 -6 -6 -6 -6 -6 -6
4 MATLAB /Fuzzy Toolbox 在模糊控制中的應(yīng)用和仿真
傳統(tǒng)的模糊控制器設(shè)計(jì)必須通過(guò)多次修改控制規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行在線、離線的反復(fù)調(diào)試才能最后確定。作者利用Matlab中的模糊控制工具箱可以很方便地進(jìn)行輸入及輸出變量的定義、語(yǔ)言變量隸屬函數(shù)的定義、模糊控制規(guī)則的定義及輸入輸出預(yù)覽。特別方便將設(shè)計(jì)好的模糊控制系統(tǒng)移植到Matlab中的控制系統(tǒng)模型圖形仿真平臺(tái)上進(jìn)行仿真運(yùn)行。 它集成了FIS(Fuzzy Inference System)編輯器、隸屬函數(shù)編輯器、模糊規(guī)則編輯器、規(guī)則瀏覽器和輸出預(yù)覽器等可視化工具，使模糊控制的開(kāi)發(fā)變得簡(jiǎn)單易行。
         
        圖隸屬函數(shù)編輯器                             圖輸出預(yù)覽器
5 調(diào)整系統(tǒng)控制量的模糊PID控制器仿真結(jié)果及分析
5.1 該控制器的特點(diǎn)是在大偏差范圍內(nèi)利用模糊推理的方法調(diào)整系統(tǒng)的控制量U，在小偏差范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換成PID控制，兩者的轉(zhuǎn)換根據(jù)事先給定的偏差范圍自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，控制結(jié)構(gòu)如下圖2：

                                         
5.2仿真模型的建立
   根據(jù)以上的方法利用MATLAB的FUZZY工具箱及SIMULINK仿真環(huán)境下對(duì)鍋爐氣泡水位系統(tǒng)進(jìn)行仿真，其中PID控制器的三個(gè)參數(shù)分別取值為：KP=5；KI=0.001；KD=3；模糊控制和PID控制轉(zhuǎn)換的設(shè)定值為