1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計</p><p>　　船舶柴油機自動調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與仿真</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工程與自動化 </p><p>　　學生姓名 學號 &

2、lt;/p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著自動控制技術(shù)的發(fā)展，柴油機的調(diào)速器開始由傳統(tǒng)的機械式調(diào)速器向電子調(diào)速器方向發(fā)展，國內(nèi)外

3、相繼開發(fā)了多種電子調(diào)速系統(tǒng)。這些調(diào)速系統(tǒng)大都采用PID控制技術(shù)，它雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠穩(wěn)定等特點，但它常不能有效克服負載、模型參數(shù)的大范圍變化及其非線性因素的影響，因此它不能保證柴油機在任何工況下都以較優(yōu)的性能運行。</p><p>　　本文設(shè)計了比較先進的柴油機自動調(diào)速系統(tǒng)并進行了軟件仿真。首先搭建了合適的被控對象數(shù)學模型，為控制方法的設(shè)計與仿真提供了一個基礎(chǔ)。然后進行了傳統(tǒng)的PID控制和模糊控制的研究，在分

4、析了傳統(tǒng)PID控制算法和模糊控制算法的基礎(chǔ)上，針對兩種方法中存在的不足，將兩種方法綜合起來，取長補短，提出一種比較完善的模糊-PID控制器參數(shù)自整定算法，建立了智能的模糊自整定PID控制器，實現(xiàn)了PID控制參數(shù)的在線自整定。最后利用MATLAB/SIMULINK軟件進行了仿真實驗。仿真結(jié)果表明，柴油機的控制效果得到了顯著的提高，特別是在克服擾動(負荷變化)方面效果明顯。</p><p>　　關(guān)鍵詞:船舶柴油機；調(diào)

5、速器；數(shù)學模型；PID控制；模糊控制</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　With the development of automatic control technique, the governor of diesel engine is developing from mechanical governor to elec

6、tronical governor, many kinds of electronical governors have been developed. Many of these governors adopt traditional PID as control rule. The traditional PID controller has many good characters, such as simple structur

7、e, high reliability and stability, but it cannot satisfy the control requirement at every work condition.</p><p>　　This article designs more advanced diesel engine automatic speed control system and a softwa

8、re simulation. First builds a mathematical model of controlled object suitable for control design and simulation provides a foundation. Followed by a traditional PID control and fuzzy control study, the analysis of the t

9、raditional PID control algorithm and fuzzy control algorithm based on two methods for the shortcomings, the two methods together, learn from each other, put forward a more improve the fuzz</p><p><b>　　

10、朗讀</b></p><p>　　顯示對應(yīng)的拉丁字符的拼音</p><p><b>　　字典</b></p><p>　　Key Words: marine diesel engine; governor; mathematical model; PID control; fuzzy control</p><p

11、><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1課題的背景及意義1</p><p>　　1.2柴油機數(shù)字式調(diào)速技術(shù)的發(fā)展1</p><p>　　1.3主要研究內(nèi)容2</p><p>　　第2章 調(diào)速系統(tǒng)數(shù)

12、學模型的建立4</p><p>　　2.1 柴油機數(shù)學模型4</p><p>　　2.2 執(zhí)行機構(gòu)的模型5</p><p>　　2.3轉(zhuǎn)速檢測單元模型5</p><p>　　2.4船舶主機簡化模型6</p><p>　　第3章 PID控制技術(shù)7</p><p>　　3.1 傳統(tǒng)的模擬

13、PID控制器7</p><p>　　3.1.1比例作用7</p><p>　　3.1.2積分作用7</p><p>　　3.1.3微分作用8</p><p>　　3.2數(shù)字PID控制器8</p><p>　　3.2.1位置式PID控制算法8</p><p>　　3.2.2增量式PID

14、控制算法9</p><p>　　第4章 模糊控制技術(shù)10</p><p>　　4.1模糊控制器10</p><p>　　4.1.1.精確量的模糊化10</p><p>　　4.1.2.輸入輸出空間的模糊分割11</p><p>　　4.1.3.模糊控制器的控制規(guī)則11</p><p>

15、;　　4.1.4.輸出量的去模糊化12</p><p>　　4.2 Matlab中的模糊控制器仿真設(shè)計方法12</p><p>　　4.2.1 Fuzzy Toolbox的主要功能12</p><p>　　4.2.2定義輸入輸出變量13</p><p>　　4.2.3定義語言變量隸屬函數(shù)13</p><p>

16、　　4.2.4定義模糊控制規(guī)則13</p><p>　　4.2.5輸出預(yù)覽13</p><p>　　第5章自動調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計及其仿真14</p><p>　　5.1 基于PID控制的船舶柴油機自動調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計14</p><p>　　5.1.1 PID控制參數(shù)的整定14</p><p>　　5.1.2 PID調(diào)

17、速系統(tǒng)仿真模型的建立14</p><p>　　5.2 基于模糊-PID控制的船舶柴油機自動調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計14</p><p>　　5.2.1 PID控制器參數(shù)的模糊調(diào)整原理14</p><p>　　5.2.2 PID控制器參數(shù)的模糊調(diào)整經(jīng)驗知識15</p><p>　　5.2.3 PID參數(shù)模糊調(diào)整規(guī)則的確立16</p>

18、<p>　　5.2.4模糊-PID控制的調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的建立18</p><p>　　5.3仿真軟件簡介20</p><p>　　5.4控制系統(tǒng)的仿真對比研究21</p><p><b>　　小結(jié)23</b></p><p><b>　　致謝24</b></p>

19、<p><b>　　參考文獻25</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1課題的背景及意義</p><p>　　柴油機的歷史已經(jīng)有百年之久了，它的效率高，功率范圍廣，適應(yīng)性好。目前在工業(yè)上的應(yīng)用相當廣泛，而且在今后的較長一段時間也降繼續(xù)保持這樣的地位。隨著科學技術(shù)的

20、不斷進步，柴油機的技術(shù)水平出現(xiàn)過三次飛躍：第一次飛躍是20世紀20年代，采用了機械噴射式供油系統(tǒng)，淘汰了原來的蓄壓式供油系統(tǒng)；第二次飛躍是20世紀50年代采用了增壓技術(shù)；第三次飛躍是20世紀80年代應(yīng)用了電子控制技術(shù)。隨著石油資源的日益短缺，在提高柴油機的動力性能的同時降低排放是將來主要的發(fā)展方向，然而在其它條件基本相同的情況下，充分發(fā)揮柴油機的動力性能必須借助于先進的調(diào)節(jié)控制技術(shù)。而調(diào)速系統(tǒng)作為柴油機調(diào)節(jié)控制的核心，其不斷發(fā)展和進步在

21、柴油機發(fā)展過程中扮演著重要的角色。</p><p>　　隨著我國的經(jīng)濟不斷增長和不斷全球化，船舶航運事業(yè)不斷發(fā)展，在國民經(jīng)濟中的地位不斷提高。而大部分船舶的主動力都采用柴油機。目前在用的大部分20年前的船舶上大都采用機械液壓式調(diào)速器，采用這種調(diào)速器，調(diào)控水平較低，很難兼顧柴油機的穩(wěn)定性和動態(tài)指標、怠速和負載性。然而采用先進的數(shù)字是調(diào)速器可以實現(xiàn)柴油機全自動的控制調(diào)速，在不同的運行條件下自動調(diào)節(jié)最佳的參數(shù)，以適應(yīng)不

22、同的工況。在國外，一些企業(yè)早在20世紀80年代末，已將裝有微處理器的數(shù)字式電子調(diào)速器投入了實際應(yīng)用，例如日本的NABCO、挪威NORCON公司的DGS8800e型。如今，高壓電控燃油噴射技術(shù)也已進入實用階段。可見國內(nèi)的調(diào)速技術(shù)發(fā)展相對滯后，應(yīng)當加快步伐，發(fā)展先進的柴油機調(diào)控技術(shù)，利用微電子技術(shù)，即采用數(shù)字式電子調(diào)速器取代機械液壓式調(diào)速器，整體升級我國船舶柴油機的技術(shù)，提升我國船舶事業(yè)的整體水平。</p><p>

23、　　本課題正是在這樣的背景下提出的，為提高船舶柴油機的調(diào)速性能，將數(shù)字式電子調(diào)速器應(yīng)用到柴油機的自動調(diào)速系統(tǒng)中去，并使用MATLAB實現(xiàn)仿真，對調(diào)速系統(tǒng)研究發(fā)展打下基礎(chǔ)。</p><p>　　1.2柴油機數(shù)字式調(diào)速技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　目前，國外主要有兩種柴油機調(diào)速控制算法的研究，一種是對傳統(tǒng)PID控制算法的改進，如將模糊控制、自適應(yīng)控制理論引進對PID參數(shù)的整定，動穩(wěn)態(tài)模式分離

24、、分段PID控制等等；另一種是對先進算法的研究應(yīng)用，如自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、預(yù)測控制等。但實際應(yīng)用的還只有經(jīng)典PID控制，模糊PID和自適應(yīng)控制，其他的智能算法還未實際應(yīng)用到工程中。</p><p>　　六十年代，美國WOODWARD公司利用電子技術(shù)推出了一種全新的調(diào)速器，即2301/EG3P型電液調(diào)速器。它由三個基本部分組成：轉(zhuǎn)速傳感器、電子控制器和電液執(zhí)行器。該調(diào)速器的轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)采用了非接觸式磁電傳感器

25、，通過頻率電壓轉(zhuǎn)換器得到轉(zhuǎn)速值?？刂撇糠植捎昧四M電子線路組成的PID調(diào)節(jié)器，由其輸出電信號驅(qū)動電液執(zhí)行器，以輸出機械角位移，進而驅(qū)動噴油泵齒條運動，使發(fā)動機供油量與外界負載變化相適應(yīng)，達到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的目的。隨著數(shù)字集成電路以及計算機控制技術(shù)的發(fā)展，自八十年代以來，又出現(xiàn)了以微處理器為控制器核心的第四代調(diào)速器—數(shù)字式電子調(diào)速器。在數(shù)字式電子調(diào)速器中，控制器由專門的控制用微處理器和一系列輸入、輸出接口電路所構(gòu)成。</p>&l

26、t;p>　　目前世界上中低成本的數(shù)字式電子調(diào)速器的開發(fā)研究與應(yīng)用，仍是電控噴油系統(tǒng)研究的一個重要方向。這類調(diào)速器的代表性產(chǎn)品主要有：挪威NORCON公司用于低速船用柴油機上的DGS8800e調(diào)速系統(tǒng)、德國MTU公司用于高中速柴油機上的8082電子調(diào)速器、德國HEINZMANN公司的E100/E200數(shù)字式電子調(diào)速器、日本石川芝浦機械公司的DELCOS帶微處理器電子調(diào)速器以及美國CATERPILLAR牽引機公司的PEEC(柴油機電子

27、控制裝置)、WOODWARD公司的723數(shù)字式電子調(diào)速器等等。</p><p>　　國外對于柴油機仿真系統(tǒng)的開發(fā)研究也給予了很大重視。由于系統(tǒng)仿真的設(shè)備簡單，操作方便，而且可以考核電子調(diào)速器與多種發(fā)動機的匹配性能，因此很快被國外眾多電子調(diào)速器生產(chǎn)公司采用，并研制出各自的仿真試驗裝置。頗具代表性的有美國WOODWARD公司AK6型電子調(diào)速器試驗裝置，日本NABCO公司的數(shù)字式電子調(diào)速器試驗裝置，德國的Iserman

28、n等人開發(fā)出的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的增壓柴油機模型的HIL仿真系統(tǒng)用于柴油機的控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試等。</p><p>　　從世界的先進水平來看，用于大功率柴油機的數(shù)字式電子調(diào)速系統(tǒng)，其控制器的核心己開始采用32位的CPU，這將為復(fù)雜控制算法及功能擴展的實現(xiàn)打下了良好的硬件基礎(chǔ)。另外，就其控制功能來看，除了原有的調(diào)速功能之外，某些數(shù)字式電子調(diào)速器已具備負荷控制、水溫限制、油量限制、增壓器控制、供油提前角控制以及控制系統(tǒng)的故

29、障檢測和故障保護等功能。使柴油機的電子控制由單任務(wù)控制到多任務(wù)控制，進而發(fā)展到柴油機數(shù)字化的全電子控制。</p><p>　　我國由于電控系統(tǒng)開發(fā)的時間相對比較晚。八十年代初，成都儀表廠引進德國HEINZMANN公司生產(chǎn)許可證開始了柴油機電子調(diào)速器的研究。因此技術(shù)水平相對于世界水平還存在一定的差距。但是在部分研究內(nèi)容上(如控制算法等)達到或接近了國外的水平。上世紀80年代末，交通部上海船舶運輸科學研究所研制成功了

30、中國第一臺PD-1型電子調(diào)速器，其功能和性能指標基本上達到了德國同類型的產(chǎn)品水平。在數(shù)字式電子調(diào)速器方面，從九十年代開始，國內(nèi)許多科研院所相繼開展了這方面研究工作。哈爾濱工程大學研制出一種基于8088CPU用于中高速柴油電站的數(shù)字式電子調(diào)速器。該調(diào)速器除了能保證高精度的轉(zhuǎn)速有差或無差調(diào)節(jié)外，還可以實現(xiàn)系統(tǒng)壓力、溫度等參數(shù)對柴油機工況的限制，轉(zhuǎn)速和負荷限制，系統(tǒng)各運行和狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測與指示，調(diào)速系統(tǒng)與其它設(shè)備的信息交換以及故障診斷，安全保

31、護等多種附加功能。目前，清華大學己經(jīng)將嵌入式實時操作系統(tǒng)應(yīng)用于汽車電子控制中，并自主研制出基于OSEK/VDX標準的PowerOSEK嵌入式操作系統(tǒng)。清華大學、上海交通大學、天津大學等國內(nèi)高校都在柴油機高壓共軌式控制系統(tǒng)方面進行了研究并取得了一定的成果。哈爾濱工程大學研</p><p><b>　　1.3主要研究內(nèi)容</b></p><p>　　柴油機數(shù)字式電子調(diào)速技

32、術(shù)涉及的內(nèi)容相當廣泛，不僅包括控制原理、信號處理等理論研究內(nèi)容，還包括硬件合理配置、軟件編制、配機試驗等大量的工程實際問題。本人通過查閱大量有關(guān)調(diào)速器和自動控制方面的文獻資料，對目前數(shù)字式電子調(diào)速器的技術(shù)現(xiàn)狀也有了一定的了解：</p><p>　　1. 柴油機數(shù)字式電子調(diào)速技術(shù)不是簡單地用數(shù)字控制代替以往的模擬控制，而是要充分發(fā)揮數(shù)字控制可實現(xiàn)智能控制的潛力；要考慮柴油機特殊的動態(tài)特性，靈活運用數(shù)字控制的設(shè)計理論

33、和方法。</p><p>　　2. 船舶柴油機運行工況變化范圍較大，由于常規(guī)PID控制器控制參數(shù)的固定不能很好適應(yīng)各種工況。因此，有關(guān)于智能PID控制算法的研究成為這一工作的關(guān)鍵。</p><p>　　因此，本文將利用仿真軟件，對目前常用的幾種控制算法的作一番研究學習。全文共分五章，內(nèi)容安排如下：</p><p>　　第1章，先概述國內(nèi)外柴油機調(diào)速控制的發(fā)展歷史及當

34、前PID控制算法的研究現(xiàn)狀，給出本文的研究內(nèi)容。</p><p>　　第2章，在深入了解柴油機結(jié)構(gòu)和原理的基礎(chǔ)上，經(jīng)過仔細研究最終，建立合適的船舶柴油機調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型。</p><p>　　第3章，詳細介紹傳統(tǒng)PID控制算法及其控制器設(shè)計理論，為后面的自動調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計工作做鋪墊。</p><p>　　第4章，系統(tǒng)論述了模糊控制算法及其控制器設(shè)計方法，為下一步研究

35、做好準備。</p><p>　　第5章，結(jié)合前面的論述知識，利用前人對PID參數(shù)的調(diào)整經(jīng)驗，先后設(shè)計了單純PID自動調(diào)速系統(tǒng)和基于模糊-PID控制器的柴油機自動調(diào)速系統(tǒng)，最后進行仿真對比研究，得出結(jié)論。</p><p>　　第2章 調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學模型的建立</p><p>　　要建立合適的自動調(diào)速系統(tǒng)，首先要建立合適的數(shù)學模型。柴油機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主要由柴油機、調(diào)速器、

36、執(zhí)行機構(gòu)與轉(zhuǎn)速檢測單元組成。對于柴油主機這樣一個比較復(fù)雜的控制對象進行建模是比較困難的，因為它關(guān)系到柴油機汽缸內(nèi)部的狀態(tài)與燃燒過程、船舶本體狀態(tài)與航行條件等多方面因素，尤其是目前還有許多內(nèi)在機理不清楚。一般來說，建立模型可以通過系統(tǒng)辨識或參數(shù)估算方法來進行，但在測試條件與測試技術(shù)尚不具備的條件下，為了對自動控制系統(tǒng)進行初步的分析和研究，筆者在工程允許的范圍內(nèi)，通過分析法建立了一個簡化的機理數(shù)學模型。本人經(jīng)過分析思考將柴油機、軸系、螺旋槳

37、三者一體化柴油機模型作為船舶主機系統(tǒng)的被控對象。該被控對象的輸入量是燃油泵齒條的位移信號，輸出量為裝置的轉(zhuǎn)速。明確了對象輸入量和輸出量之后，就要找出兩者之間關(guān)系的數(shù)學表達式。</p><p>　　2.1 柴油機數(shù)學模型</p><p>　　經(jīng)過參考，確定了柴油機的一體化數(shù)學模型以柴油機、螺旋槳、軸系及必要的中間變量的數(shù)學表達式為基礎(chǔ)來進行推導(dǎo)。</p><p>　　

38、近似認為柴油機發(fā)出的扭轉(zhuǎn)力矩是其供油量Q和輸出轉(zhuǎn)速n的函數(shù)。則有：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　柴油機的供油量Q是柴油機和柴油機轉(zhuǎn)速n和燃油泵齒條行程s有關(guān)系，其供油變化量以△Q表示，則：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　螺

39、旋槳的阻力矩從是柴油機轉(zhuǎn)速n與外界負荷擾動￡及螺矩角a的函數(shù)。由于固定螺矩螺旋槳的螺矩角a為常數(shù)，則有：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　柴油主機軸系運動方程可以直接根據(jù)達蘭培爾定律寫出，即：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　其

40、中，J為軸系的總慣性矩，n為柴油機轉(zhuǎn)速，△ML為阻力變化量，△Mg為扭轉(zhuǎn)力矩的變化量。</p><p>　　將式((2-1)、(2-2)、(2-3)代入式(2-4)，消除中間變量，經(jīng)整理后得：</p><p>　　取相對變化量，并且令，則有：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　其中，為燃

41、油齒條相對位移量，是轉(zhuǎn)速的相對變化量，, 和分別為主機的額定轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速和最大齒條位移量；左邊第一項系數(shù)是主機時間常數(shù)，右邊第一項系數(shù)是調(diào)節(jié)通道放大系數(shù)，第二項系數(shù)是干擾通道放大系數(shù)。</p><p>　　參見式(2-5)，令柴油主機時間常數(shù)為，調(diào)節(jié)通道放大系數(shù)為，干擾通道放大系數(shù)，則主機運動方程為：</p><p><b>　　（2-6）</b></p>

42、;<p>　　令Ko=K2/K1，采用拉式變換且設(shè)N(s)為轉(zhuǎn)速n (t)的拉式變換，S (s)為供油量齒條位移s (t)的拉式變換，e (s)為干擾量。(t)的拉式變換，則主機傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　另外，還必須考慮柴油主機轉(zhuǎn)速信號在傳遞過程中的遲滯問題，比如控制供油量的齒條位移純滯后時間、柴油

43、機發(fā)火延遲時間等。純遲滯對系統(tǒng)穩(wěn)定性是不利的，且滯后越大，調(diào)節(jié)性質(zhì)就越惡化。通常工程上的處理方法是在通道上串連一個遲滯環(huán)節(jié), 參數(shù)可以根據(jù)實測或經(jīng)驗來選取。根據(jù)船舶資料顯示：時間常數(shù)，通道放大系數(shù)，模型純遲滯時間。則一體化柴油機的數(shù)學模型為：</p><p>　　2.2 執(zhí)行機構(gòu)的模型</p><p>　　柴油機工作時執(zhí)行機構(gòu)是通過對高壓油缸高壓側(cè)開關(guān)閥的控制來改變腔內(nèi)高壓燃油量，進而改變

44、正時活塞位置，實現(xiàn)對噴油正時的調(diào)節(jié)。通過研究，在本系統(tǒng)中選用直流電動機作為執(zhí)行機構(gòu)的數(shù)學模型，其傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　其中，Ka為放大倍數(shù)，Ta為時間常數(shù)。</p><p>　　通過查閱資料Ta=0.3秒，Ka=1.05。于是執(zhí)行機構(gòu)的數(shù)學模型為：</p><p&g

45、t;　　2.3轉(zhuǎn)速檢測單元模型</p><p>　　轉(zhuǎn)速檢測單元由安裝在凸輪軸上加工精度較高的齒輪輪齒從磁棒尖端的頻率獲取轉(zhuǎn)速信號，簡單、可靠。其數(shù)學模型可看作比例環(huán)節(jié)，為簡便起見將比例系數(shù)設(shè)為1，則的數(shù)學模型為：</p><p>　　2.4船舶主機簡化模型</p><p>　　由于柴油機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工程上推導(dǎo)其高階模型比較難，可采用將柴油機模型加上執(zhí)行機構(gòu)的模型作

46、為簡化的船舶主機模型。其傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　化簡得：</b></p><p>　　第3章 PID控制技術(shù)</p><p>　　3.1 傳統(tǒng)的模擬PID控制器</p><p>　　傳統(tǒng)的模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖3-1所示，系統(tǒng)主要由PID控制器和被控對象組成。它是一種線性控制器，根據(jù)給定值r(t

47、)和實際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差e(t)，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量u(t)對被控對象進行控制?？刂破鞯妮斎胼敵鲫P(guān)系可描述為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中：。Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)。</p><p>　　或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式：</p>

48、<p><b>　　（3-2）</b></p><p>　　圖3.1 PID控制系統(tǒng)原理框圖</p><p><b>　　3.1.1比例作用</b></p><p>　　比例作用的引入是為了及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，以最快速度產(chǎn)生控制作用，一旦發(fā)生偏差，就使偏差不斷減小。比例系數(shù)Kp增大，穩(wěn)態(tài)

49、誤差減??；同時動態(tài)性能變差，振蕩比較嚴重，超調(diào)量增大。</p><p><b>　　3.1.2積分作用</b></p><p>　　積分作用主要用于消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用越弱，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差；Ti越小，積分作用越強，系統(tǒng)穩(wěn)定性比較強。但是過小的Ti會加劇系統(tǒng)振蕩，甚至失去系統(tǒng)穩(wěn)定性。</p>

50、<p><b>　　3.1.3微分作用</b></p><p>　　微分作用能反應(yīng)偏差信號的變化趨勢（也可以說變化速率），能在偏差信號太大之前，在系統(tǒng)中引入一個早期修正信號，加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。它對改善閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)性動態(tài)響應(yīng)速度具有很好的作用?？刂菩盘柵cTd時刻以后的偏差成比例。Td增加，有利于減小超調(diào)量。</p><p>　　3.2數(shù)字P

51、ID控制器</p><p>　　由于計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字PID控制器將逐漸取代傳統(tǒng)的模擬PID控制器。數(shù)字PID控制算法通常分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。</p><p>　　3.2.1位置式PID控制算法</p><p>　　由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，因此式(3 -1)中的積分和微分不能直接使用，需要進

52、行離散化處理?，F(xiàn)以一系列的采樣時刻點KT代替連續(xù)時間t，以和式代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　其中，T是采樣周期。</p><p>　　顯然，上述離散化過程中，采樣周期T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。為了書寫方便，將e(kT)簡化表示為e(k)等，即省去T。

53、將式(3-3)代入式(3-1)可得離散的PID表達式：</p><p><b>　　（3-4）</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　其中，k—采樣序號，k=1, 2,…；</p><p>　　u(k)—第k次采樣時刻的控制器輸出值；</p>&l

54、t;p>　　e(k)—第k次采樣時刻的輸入偏差值；</p><p>　　e(k-1)—第k-1次采樣時刻的輸入偏差值；</p><p>　　Ki一積分系數(shù)，Ki= KpT/Ti；</p><p>　　Kd—微分系數(shù)，Kd=KpTd/T。</p><p>　　由于控制器的輸出u(k)直接去控制執(zhí)行機構(gòu)(如閥門)，u(k)的值和執(zhí)行機構(gòu)的位

55、置(如閥門開度)是一一對應(yīng)的，所以通常 (3-4)或(3-5)稱為位置式PID控制算法。這種算法的缺點是由于全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時要對e(k)進行累加，計算機運算的工作量大。而且，因為計算機的輸出對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如計算機出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化，會引起執(zhí)行機構(gòu)的位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實踐中不允許的，在某些場合，還可能造成重大的生產(chǎn)事故，因而產(chǎn)生了增量式PID算法。</p&g

56、t;<p>　　3.2.2增量式PID控制算法</p><p>　　當執(zhí)行機構(gòu)需要的是控制量的增量(如驅(qū)動步進電機)時，可由式(3-5)導(dǎo)出提供增量的PID控制算法：</p><p><b>　　（3-6）</b></p><p>　　用式((3-7)減去(3-8)，可得</p><p><b>

57、　　（3-7）</b></p><p>　　其中，△e(k)=e(k)-e(k-1)</p><p>　　式(3-7)稱為增量式PID控制算法。</p><p>　　可以看出，由于一般計算機控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，一旦確定了Kp,Ki和Kd，只要使用前后三次測量值的偏差，即可由(3-7)求出控制增量。</p><p>　　采

58、用增量式算法時，計算機輸出的控制增量△u(k)對應(yīng)的是本次執(zhí)行機構(gòu)位置(如閥門開度)的增量。對應(yīng)閥門實際位置的控制量，目前采用較多的是利用算式u(k)=u(k-1)+△u(k)通過執(zhí)行軟件來完成。</p><p>　　增量式控制雖然只是在算法上作了一點改進，但卻帶來了不少優(yōu)點：</p><p>　　1. 由于計算機輸出增量，所以誤動作時影響小，必要時可用邏輯判斷的方法去除。</p&g

59、t;<p>　　2. 手動/自動切換時沖擊小，便于實現(xiàn)無擾動切換。此外，當計算機發(fā)生故障時，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用，故依然能保持原值。</p><p>　　3. 算式中不需要累加，控制增量△u(k)的確定僅與最近三次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過加權(quán)處理而獲得較好的控制效果。</p><p>　　但增量式控制也有其不足之處：積分截斷效應(yīng)大，有靜態(tài)誤差；溢出的影

60、響大。</p><p>　　因此，在選擇時不可一概而論，一般認為在以晶閘管作為執(zhí)行器或在控制精度要求高的系統(tǒng)中，可以采用位置式控制算法，而在以步進電機或電動閥門作為執(zhí)行器的系統(tǒng)中，則可采用增量式控制算法。</p><p>　　第4章 模糊控制技術(shù)</p><p><b>　　4.1模糊控制器</b></p><p>　　

61、模糊控制理論是上世紀60年代由控制理論專家L.A.Zadeh與E. H. Mamdani等人開創(chuàng)的。簡要地說，模糊控制是以人工控制經(jīng)驗來實施控制行為的一種知識模型，是一種以模糊集合、模糊語言變量及模糊邏輯推理為控制算法的數(shù)學工具；是用計算機來實現(xiàn)的一種智能控制。相對于常規(guī)控制，模糊控制采用模糊邏輯來處理和分析實際問題，其結(jié)果更符合實際要求，同時還具備許多獨特優(yōu)點：</p><p>　　1. 模糊控制器以控制經(jīng)驗為

62、依據(jù)而設(shè)計，一般不必知道被控對象的精確數(shù)學模型；</p><p>　　2. 模糊控制規(guī)則是以控制經(jīng)驗為依據(jù)而總結(jié)的條件語句，即使對于不熟悉模糊控制理論的人，也容易理解和掌握模糊控制方法；</p><p>　　3. 模糊控制以語言形式表示控制知識，有利于人機對話和系統(tǒng)的知識處理，提高了系統(tǒng)處理地靈活性與機動性；</p><p>　　4. 模糊控制系統(tǒng)構(gòu)造容易，可用單片

63、機來實現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)與一般的數(shù)字控制系統(tǒng)近似，模糊算法由軟件來實現(xiàn)；</p><p>　　5. 模糊控制系統(tǒng)魯棒性能好，對線性或非線性被控對象都有較好控制效果。</p><p>　　隨著模糊控制理論研究的進一步深入和模糊邏輯處理芯片的出現(xiàn)及其相應(yīng)硬件系統(tǒng)的實用化，模糊控制系統(tǒng)目前己與現(xiàn)代控制、知識工程和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一起被視為開創(chuàng)高級控制過程新體系的強大驅(qū)動力。</p><p&g

64、t;　　模糊控制器完成的是一種仿人工智能工作，所以模糊控制系統(tǒng)是一種智能控制系統(tǒng)，這又是模糊控制與其它智能控制的不同之處。從硬件上講，模糊控制器和其它的數(shù)字控制器在本質(zhì)上沒有什么區(qū)別，都是由計算機充當控制器角色，所不同的僅是實現(xiàn)控制算法的軟件，因此從廣義上講，模糊控制系統(tǒng)也是一種計算機控制系統(tǒng)，模糊控制器的各個組成部分其實只是一種算法結(jié)構(gòu)。</p><p>　　模糊控制器作為模糊控制系統(tǒng)的核心，一般以系統(tǒng)的誤差和

65、誤差變化率為輸入量，以對被控對象的控制量為輸出量。下文將論述其設(shè)計步驟。</p><p>　　4.1.1.精確量的模糊化</p><p>　　設(shè)偏差、偏差變化量的比例因子分別為Ge、Gc。這些比例因子影響系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)和系統(tǒng)穩(wěn)定性。如在曲線上升段，如Ge大則響應(yīng)快，系統(tǒng)超調(diào)增加，在曲線穩(wěn)定段，Ge大則穩(wěn)態(tài)誤差大，消除誤差時間長；如果Gc大，則系統(tǒng)反應(yīng)慢、易振蕩，Gc變小，則控制器靈敏度增加，

66、但收斂會變得困難。如果設(shè)e,ec基本論域分別為，e, ec模糊論域分別為[-n,n]，[-m,m]，有，則精確量e (k)與ec(k)的模糊量分別為：。</p><p>　　例如，令e、ec基本論域分別為(-120,120)，(-6,6)，則</p><p>　　再設(shè)輸入量為r(k)=30，kT時刻采樣值y(k)=4，（K-1）T時刻采樣值y(k-1)=2，則</p><

67、;p>　　故在kT時刻，偏差e的模糊量為（量化），偏差變化量的模糊量為。</p><p>　　4.1.2.輸入輸出空間的模糊分割</p><p>　　模糊控制規(guī)則中前提的語言變量構(gòu)成模糊輸入空間，結(jié)論的語言變量構(gòu)成模糊輸出空間。每個語言變量的取值為一組模糊語言名稱，它們構(gòu)成了語言名稱的集合。每個語言名稱對應(yīng)一個模糊集合。對于每個語言名稱，其取值的模糊集合具有相同的論域。這些語言名稱通

68、常具有一定的含義。如：NB(負大)；ZE(零)；PB(正大)。設(shè)論域為[-1, +1]，隸屬度函數(shù)的形狀為三角形。</p><p>　　4.1.3.模糊控制器的控制規(guī)則</p><p>　　在模糊控制中常用的有兩種模型：Mamdani模糊模型、Takagi-Sugeno模糊模型。下文將對這兩種模型作個概述。</p><p>　　Mamdani模糊模型</p&g

69、t;<p>　　Mamdani模糊模型是一種語言模型，利用Mamdani模型構(gòu)成的模糊邏輯系統(tǒng)實質(zhì)卜是一組IF-THEN規(guī)則，在這組規(guī)則中前件變量和后件變量均為模糊語言集合，其一般形式如下：</p><p>　?。喝绻鹸是A1, and y是B1，則z是C1</p><p>　?。喝绻鹸是A2, and y是B2，則z是C2</p><p>　?。喝绻?/p>

70、x是An, and y是Bn，則z是Cn</p><p>　　在現(xiàn)有的模糊控制系統(tǒng)中，大多數(shù)均采用這種形式。</p><p>　　Takagi-Sugeno模糊模型</p><p>　　這種模型也是基于IF-THEN規(guī)則，規(guī)則的前件含有模糊語言值，后件是前件變量的函數(shù)，即：</p><p>　?。喝绻鹸是Ai and y是Bi則z=fi(x，

71、…，y)</p><p>　　模糊控制器的控制規(guī)則是由一組彼此通過“或”的關(guān)系連結(jié)起來的模糊條件語句來描述的。集中每一條模糊條件語句，當輸入、輸出語言變量在各自論域上反映各語言值的模糊子集為已知時，都可以表達為論域的積集上的模糊關(guān)系即：</p><p>　　計算出每一條模糊條件語句決定的模糊關(guān)系，(i=1, 2,…，n)之后，考慮到每條模糊條件語句間的“或”關(guān)系，可得描述整個系統(tǒng)的控制規(guī)則

72、的總模糊關(guān)系R為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　模糊控制規(guī)則可通過總結(jié)模糊關(guān)系R的設(shè)計來實現(xiàn)。</p><p>　　4.1.4.輸出量的去模糊化</p><p>　　有了模糊關(guān)系, (i=1, 2,…，n)則輸出語言變量論域上的模糊子集U可記為：</p><p&

73、gt;<b>　　（4-2）</b></p><p>　　但此時，模糊控制器的輸出是一個模糊集合，它必須轉(zhuǎn)換為非模糊值輸出，才能用于調(diào)節(jié)過程。常見的去模糊法有以下三種方法：</p><p>　　1. 最大隸屬度法：這個方法是選取隸屬度最大的論域元素為去模糊的結(jié)果。如對應(yīng)的模糊判決的模糊子集U，則取該模糊子集中隸屬度最大的那個元素作為執(zhí)行量，即</p>&

74、lt;p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　這種方法的優(yōu)點是簡單易行，缺點是它概括的信息量很少，因為這種方法排除了其他隸屬度較小的元素的影響和作用。</p><p>　　2. 加權(quán)平均法：這種判決方法有以下兩種形式</p><p>　　普通加權(quán)平均法，其執(zhí)行量由下式?jīng)Q定</p><p><b

75、>　?。?-4）</b></p><p>　　權(quán)系數(shù)加權(quán)平均法，其執(zhí)行量由下式?jīng)Q定</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　其中權(quán)系數(shù)ki的選擇應(yīng)根據(jù)實際情況來決定。加權(quán)系數(shù)的決定直接影響著系統(tǒng)的響應(yīng)特性。對模糊自動控制系統(tǒng)來說，要改變系統(tǒng)的響應(yīng)特性，選取和調(diào)整有關(guān)系數(shù)是關(guān)鍵。</p>

76、<p>　　3. 取中位數(shù)法：為了充分利用模糊子集所有的信息量，可以求出把隸屬度曲線與橫坐標圍成的面積平分為兩部分的數(shù)作為去模糊的結(jié)果。最后，加到被控過程的控制量U應(yīng)是去模糊的結(jié)果u與比例因子ku的乘積</p><p><b>　　(4-6)</b></p><p>　　4.2 Matlab中的模糊控制器仿真設(shè)計方法</p><p>

77、;　　利用Matlab中的模糊控制工具箱可以很方便地進行輸入及輸出變量的定義、語言變量隸屬函數(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)計好的模糊控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到Matlab中的控制系統(tǒng)模型圖形仿真平臺上進行仿真運行。</p><p>　　4.2.1 Fuzzy Toolbox的主要功能</p><p>　　Fuzzy Toolbox是進行模糊推理和模糊控制器仿真設(shè)計的工具包，它

78、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，使模糊控制的開發(fā)變得簡單易行。</p><p>　　4.2.2定義輸入輸出變量</p><p>　　在Matlab中進入FIS編輯器，F(xiàn)IS編輯器是模糊推理系統(tǒng)的主界面，它集成了隸屬函數(shù)編輯器、模糊規(guī)則編輯器、規(guī)則瀏覽器和輸出預(yù)覽器等功能，通過主菜單可自由

79、方便地進行選擇。設(shè)計者在FIS編輯器中設(shè)置模糊控制器的模糊算子、輸入輸出變量的個數(shù)、模糊變量的名稱及解模糊的方法(如重心法(COA)、最大隸屬度法(MAX)等)。在這里我們的輸入變量為速度設(shè)定偏差e及其變化率ec、輸出變量為齒條位移變化量u，其對應(yīng)的模糊語言變量分別為E、 EC、U。</p><p>　　4.2.3定義語言變量隸屬函數(shù)</p><p>　　雙擊FIS編輯器中的輸入變量或輸出

80、變量方框，進入隸屬函數(shù)編輯器的主界面，對模糊變量的隸屬函數(shù)進行編輯。通過隸屬函數(shù)編輯器可方便地定義隸屬函數(shù)的類型，除本文選用的三角形外，還有梯形、高斯形等十一種類型，在本例中E的論域為[-6, 6]，EC的論域為[-6, 6]， U的論域為[-6, 6]，語言變量的模糊集都統(tǒng)一表示為：[NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB]，隸屬函數(shù)采用三角類型，解模糊化的方法采用重心法(COA)。</p><p>　　4.

81、2.4定義模糊控制規(guī)則</p><p>　　選擇FIS編輯器或隸屬函數(shù)編輯器中Edit菜單下的Edit Rule子菜單，或雙擊FIS編輯器中流程圖里的規(guī)則方框即可進入模糊規(guī)則編輯器的主界面，其中模糊規(guī)則編輯框?qū)嶋H是一文本編輯框，只要設(shè)計者按照規(guī)定的模糊規(guī)則書寫格式編寫模糊規(guī)則，計算機就可以根據(jù)模糊推理合成規(guī)則進行模糊矩陣的計算。其verbose格式(還有symbolic、 indexed格式)形式如下：</

82、p><p>　　1. IF(E is NB)and(EC is NB)then(U is PB)</p><p>　　2. IF(E is NM)and(EC is NB)then(U is PB)</p><p><b>　　4.2.5輸出預(yù)覽</b></p><p>　　當規(guī)則正確輸入后，選擇FIS編輯器等窗體主菜單中的

83、view surface，可以看到經(jīng)模糊決策矩陣運算并解模糊化后得到的三維坐標圖，圖中的每一坐標軸代表一個模糊變量，坐標軸的范圍為該模糊變量的論域。從圖中可以看出該三維坐標圖相當于一個模糊控制查詢表，可以通過觀察圖中控制曲面的平滑性，直觀地判斷模糊規(guī)則編寫是否合理、隸屬函數(shù)是否正確、是否有不適當?shù)哪：\算。</p><p>　　第5章自動調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計及其仿真</p><p>　　5.1 基

84、于PID控制的船舶柴油機自動調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　5.1.1 PID控制參數(shù)的整定</p><p>　　采用傳統(tǒng)的Ziegler-Nichols規(guī)則(ZN規(guī)則)，對控制器參數(shù)初始系數(shù)進行整定得：Kp=0.2； Ki=0.04；Kd=0.03。</p><p>　　5.1.2 PID調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的建立</p><p>　　打開m

85、atlab軟件，在SIMULINK中建立PID控制器的仿真模型如圖5.1所示：</p><p>　　圖5.1 PID控制器模塊</p><p>　　在控制器上加上數(shù)學模型及信號源和示波器就構(gòu)成了整個調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，如圖5.2所示：</p><p>　　圖5.2 PID控制調(diào)速系統(tǒng)仿真模型</p><p>　　5.2 基于模糊-PID控制的

86、船舶柴油機自動調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　5.2.1 PID控制器參數(shù)的模糊調(diào)整原理</p><p>　　由于控制過程中各種信號量以及評價指標不易定量表示，人們運用模糊數(shù)學的理論及方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示。并把這些模糊控制規(guī)則以及有關(guān)信息(如評價指標、初始PID參數(shù)等)存入計算機庫中。然后計算機根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應(yīng)情況運用模糊推理，即可自動實現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整。這

87、就是模糊-PID控制。其控制框圖如5.3所示。它是在PID算法基礎(chǔ)上增加了E與EC的計算，并將在工藝分析和操作經(jīng)驗基礎(chǔ)上總結(jié)的專家知識，以產(chǎn)生式語句if(條件)then(結(jié)果)的形式組成知識庫，經(jīng)模糊合成推理形成模糊查詢矩陣。如果在某一采樣時刻觀察到響應(yīng)曲線模式與所期望的模式不同，則可根據(jù)模式狀態(tài)變量E和EC，通過實時調(diào)整機構(gòu)在知識庫中搜索相應(yīng)的模糊推理矩陣，并進行參數(shù)調(diào)整，直到其輸出達到期望的響應(yīng)模式為止。</p>&l

88、t;p>　　PID參數(shù)的模糊自動調(diào)整思想是依據(jù)被控對象的響應(yīng)在采樣時刻的誤差E和誤差的變化率EC兩個因素來確定參數(shù)調(diào)整量的極性和大小的。本質(zhì)上同時兼顧了被控對象響應(yīng)的“靜態(tài)性能”(是高于還是低于給定值)和響應(yīng)的“動態(tài)性能”(是靠攏還是偏離給定值)兩個因素，既看現(xiàn)狀，也看動向。其算法過程是利用對應(yīng)的規(guī)則集將控制指標(條件)模糊化，然后將它與知識庫中的模糊規(guī)則進行匹配(即判斷控制指標與規(guī)則集的條件部分是否相同)，如有規(guī)則被匹配，則執(zhí)行

89、該規(guī)則的結(jié)果部分，就可得到相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整量。因此有實際控制系統(tǒng)的響應(yīng)值(精確值)到模糊規(guī)則集的條件(模糊量)的轉(zhuǎn)化過程(即模糊化)和其規(guī)則的操作值(模糊量)到實際的調(diào)整系數(shù)(精確量)的轉(zhuǎn)化(判決)過程。</p><p>　　圖5.3 PID參數(shù)模糊自整定框圖</p><p>　　5.2.2 PID控制器參數(shù)的模糊調(diào)整經(jīng)驗知識</p><p>　　針對PID參數(shù)的模糊

90、調(diào)整問題，模糊控制器設(shè)計的核心是總結(jié)控制經(jīng)驗和知識建立合適的被控過程的模糊規(guī)則模型。通過總結(jié)一些生產(chǎn)過程的操作經(jīng)驗，并根據(jù)對PID調(diào)節(jié)器各調(diào)節(jié)規(guī)律的理論分析，可以得到PID三個參數(shù)(Kp,Ki,Kd)的模糊校正規(guī)則模型。</p><p>　　PID三個參數(shù)取值的大小，對整個控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性影響很大，Kp, Ki和Kd三者的整定要根據(jù)控制對象的數(shù)學模型G(s)的參數(shù)來確定。對于非線性負載和時變、時延負載

91、，以及難于用G(s)描述的負載，這三個參數(shù)的整定就比較困難，也就不能達到良好的控制效果和獲得良好的控制性能。</p><p>　　經(jīng)過人們大量的試驗與應(yīng)用，已總結(jié)出PID參數(shù)的各種整定方法。其中對于非線性、時變和時延以及難于用G(s)描述的負載，控制專家也經(jīng)過大量仿真研究和試驗，得出一些整定經(jīng)驗和知識，由此可看出PID控制器參數(shù)的變化如何影響過渡過程特性。這些知識歸結(jié)如下：</p><p>

92、;　　(1) Kp增加振蕩周期減??；反之亦然。</p><p>　　(2) Kp增加則超調(diào)增加；反之亦然。</p><p>　　(3) Kp增加則上升時間減少；反之亦然。</p><p>　　(4) Ki增加則超調(diào)/回調(diào)比增加；反之亦然。</p><p>　　(5) Ki增加則穩(wěn)定性下降；反之亦然。</p><p>　

93、　(6) Ki減小則超調(diào)下降；反之亦然。</p><p>　　(7) Kd增大則穩(wěn)定性增加；反之亦然。</p><p>　　(8) 當系統(tǒng)輸出超過設(shè)定值時，減小Ki。</p><p>　　(9) 當系統(tǒng)上升時間大于要求的上升時間時，增加Ki。</p><p>　　(10)在穩(wěn)態(tài)時，系統(tǒng)輸出產(chǎn)生波動現(xiàn)象，適當增加Kd。</p>&

94、lt;p>　　(11)系統(tǒng)輸出對干擾信號反應(yīng)靈敏，適當減小Kd。</p><p>　　(12)上升時間過長，增加Kp。</p><p>　　(13)系統(tǒng)輸出發(fā)生振蕩現(xiàn)象，減少Kp。</p><p>　　根據(jù)上述經(jīng)驗知識可以總結(jié)出PID參數(shù)模糊調(diào)整規(guī)則。</p><p>　　5.2.3 PID參數(shù)模糊調(diào)整規(guī)則的確立</p>

95、<p>　　根據(jù)控制經(jīng)驗知道，當不確定系統(tǒng)在常規(guī)控制作用下，誤差E和誤差變化率EC越大，系統(tǒng)中不確定量就越大。相反，誤差E和誤差變化率EC越小，系統(tǒng)中不確定量就越小。利用這種E和EC對系統(tǒng)不確定量的估計，就可實現(xiàn)對PID三參數(shù)Kp，Ki，Kd的調(diào)整估計，顯然這是由人的經(jīng)驗形成的直覺推理，用IF-THEN產(chǎn)生式語句規(guī)則所表達的調(diào)整規(guī)則。</p><p>　　在判定控制規(guī)則時，既要兼顧減小超調(diào)、提高系統(tǒng)響應(yīng)

96、速度，同時系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高更為重要?？刂破焚|(zhì)分析的重要依據(jù)是系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，我們對經(jīng)典響應(yīng)曲線作分析，從中可取得控制經(jīng)驗信息，從而確定模糊算法。</p><p>　　研究分析可得：E(k)與EC(k)同號，輸出值遠離給定值；E(k)與EC(k)異號，輸出趨向給定值。系統(tǒng)響應(yīng)的誤差E和誤差變化率EC的模糊子集為：</p><p>　　E, EC={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

97、 （5-1）</p><p>　　1．Kp的模糊控制規(guī)則</p><p>　　控制品質(zhì)的好壞很大程度上取決于Kp值的選取，增大Kp能減小穩(wěn)態(tài)誤差從而提高調(diào)節(jié)精度、提高響應(yīng)速度，但Kp過大，會使調(diào)節(jié)過程產(chǎn)生較大的超調(diào)，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；減小Kp可減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性，而Kp過小會降低調(diào)節(jié)精度，減慢響應(yīng)速度，從而延長調(diào)節(jié)時間。實際控制過程方面的操作經(jīng)驗也說明，在調(diào)節(jié)初

98、期適當?shù)匕裀ID調(diào)節(jié)器的比例度Kp放大到較大的檔次以提高響應(yīng)速度，在調(diào)節(jié)中期，把Kp適當?shù)闹么笠恍?，從而兼顧穩(wěn)定性與調(diào)節(jié)精度，在調(diào)節(jié)過程的后期，把Kp調(diào)整到較大的檔次以減小靜差，提高控制的精度。由此可構(gòu)造Kp參數(shù)模糊控制規(guī)則(表5.1)。</p><p>　　表5.1 Kp調(diào)整控制規(guī)則</p><p>　　2．Ki的模糊控制規(guī)則</p><p>　　在系統(tǒng)控制中，積

99、分調(diào)節(jié)規(guī)律主要作用于消除控制靜差(但在一定程度上影響調(diào)節(jié)過程的其他特性)；同時，由于某些原因(如飽和非線性等)，使得在調(diào)節(jié)過程初期產(chǎn)生積分飽和，從而引起調(diào)節(jié)過程的較大超調(diào)。因此，在調(diào)節(jié)過程的初期，積分作用應(yīng)弱一些，在調(diào)節(jié)過程的中期為避免影響穩(wěn)定性，積分作用應(yīng)調(diào)整得適中，而在調(diào)節(jié)過程的后期應(yīng)增強積分作用，以減小調(diào)節(jié)靜差，從而提高調(diào)節(jié)精度。根據(jù)上述思想，構(gòu)造出Ki參數(shù)模糊控制規(guī)則(表5.2)。</p><p>　　表

100、5.2 Ki調(diào)整模糊控制規(guī)則</p><p>　　3．Kd的模糊控制規(guī)則</p><p>　　微分調(diào)節(jié)律主要是針對大慣性過程引入的，它能給出控制系統(tǒng)提前開始制動的減速信號。但是，Kd值的選取對調(diào)節(jié)動態(tài)特性影響很大。Kd值過大，調(diào)節(jié)過程制動就會超前，使調(diào)節(jié)時間過長；Kd值過小，調(diào)節(jié)過程制動就會落后，從而導(dǎo)致超調(diào)值增加。因此，對時變且不確定性系統(tǒng)，Kd不應(yīng)取定值，以適應(yīng)被控對象時間常數(shù)的變化。

101、總結(jié)實際控制過程操作經(jīng)驗，在調(diào)節(jié)過程初期，加大微分作用，可以減小甚至避免超調(diào)；在調(diào)節(jié)過程中期，由于調(diào)節(jié)特性對Kd的變化比較敏感，因此，Kd應(yīng)適當小一些并保持固定不變，在調(diào)節(jié)后期，Kd應(yīng)減小，從而減小被控過程的制動作用，以補償在調(diào)節(jié)過程初期由于Kd較大所造成的調(diào)節(jié)過程時間延長。Kd參數(shù)模糊控制規(guī)則(表5.3)。</p><p>　　表5.3 Kd調(diào)整模糊控制規(guī)則</p><p>　　5.2.

102、4模糊-PID控制的調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的建立</p><p>　　根據(jù)前面兩章的理論，把PID控制器與模糊控制器進行結(jié)合，建立基于模糊-PID控制的船舶柴油機自動調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　由參數(shù)自整定模糊-PID控制器的框圖（圖5.3）可知，其中的參數(shù)校正部分實質(zhì)為一個模糊控制器，其輸入語言變量為E，EC，輸出語言變量分別為Kp，Ki和Kd。其仿真模型建立步驟如下：</p>

103、<p>　　1. 在SIMULINK中建立模糊-PID控制系統(tǒng)仿真模型如圖5.4所示：</p><p>　　圖5.4 模糊-PID控制系統(tǒng)仿真模型</p><p>　　為了方便研究把兩個調(diào)速系統(tǒng)整合到同一個mdl文件中，得到的模型圖如圖5.5所示：</p><p>　　圖5.5 PID和模糊-PID控制系統(tǒng)仿真模型</p><p&g

104、t;　　運用第4章介紹的理論，雙擊FIS編輯器中流程圖里的規(guī)則方框進入模糊規(guī)則編輯器的主界面，將模糊控制規(guī)則輸入模糊規(guī)則編輯器，建立fis文件。輸入正確的控制規(guī)則后可查看Kp,Ki,Kd的三維坐標圖(如圖5.6,5.7,5.8)所示：</p><p>　　圖5.6 Kp的三維坐標圖</p><p>　　圖5.7 Ki的三維坐標圖</p><p>　　圖5.8 Kd的

105、三維坐標圖</p><p><b>　　5.3仿真軟件簡介</b></p><p>　　MATLAB提供的SIMULINK是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)建模，仿真和分析的軟件包。它支持線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)時間系統(tǒng)、離散時間系統(tǒng)、連續(xù)和離散混合系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是多進程的。它具有相對獨立的功能和使用方法。SIMULINK的出現(xiàn)使得仿真工作以結(jié)構(gòu)圖的形式加以進行。它提供各種功能模

106、塊，包括了連續(xù)系統(tǒng)(Continous )、離散系統(tǒng)(Discrete)、非線性系統(tǒng)(Nonlinear)幾類基本系統(tǒng)構(gòu)成模塊，還包括連接、運算類模塊：函數(shù)與表(Functions & Tables),數(shù)學運算模塊(Math)、信號與系統(tǒng)(Signals & Systems)。而輸入源模塊(Sources)和接收模塊(Sinks)則為模型仿真提供了信號源和結(jié)果輸出設(shè)備，便于用戶對模型進行仿真和分析。它與傳統(tǒng)的用微分方程和

107、差分方程的仿真軟件包相比，其有更直觀、方便、靈活等優(yōu)點。同時，SIMULINK的仿真精度是比較高的，得出的結(jié)果是可信的。</p><p>　　5.4控制系統(tǒng)的仿真對比研究</p><p>　　下面分別在兩種工況下進行仿真比較研究，并與傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)對比研究。</p><p>　　1. 設(shè)開始時船舶主機在50 r/s的轉(zhuǎn)速恒速運行，如果在t=26秒時由于船舶需要

108、應(yīng)急加速，按此時設(shè)定轉(zhuǎn)速增加為80r/s，船舶主機轉(zhuǎn)速迅速加速到80 r/s后穩(wěn)定下來；如果隨后受到一定的負荷干擾，調(diào)速系統(tǒng)也會迅速變化供油量，以免主機轉(zhuǎn)速變化過快。由仿真結(jié)果可見應(yīng)急加速時系統(tǒng)超調(diào)量小于10%，過渡過程時間約為10秒；和PID控制相比，系統(tǒng)穩(wěn)定性很好，具有很好的準確性，無穩(wěn)態(tài)誤差，抗干擾能力很強。</p><p>　　2. 設(shè)開始時船舶主機在80 r/s的轉(zhuǎn)速恒速運行，如果在t=24秒時由于船舶

109、需要應(yīng)急加速，按此時設(shè)定轉(zhuǎn)速增加為100r/s，船舶主機轉(zhuǎn)速迅速加速到100 r/s后穩(wěn)定下來；如果隨后受到一定的負荷干擾，調(diào)速系統(tǒng)也會迅速變化供油量，以免主機轉(zhuǎn)速變化過快。由仿真結(jié)果可見應(yīng)急加速時系統(tǒng)有較小的超調(diào)量，過渡過程時間約為10秒；和在工況1下相比，系統(tǒng)仍具有很好的穩(wěn)定性和準確性，無穩(wěn)態(tài)誤差，抗干擾能力也很強。</p><p>　　在兩種工況下，模糊-PID控制都表現(xiàn)出了優(yōu)良的控制品質(zhì)。可見模糊-PID

110、控制在一定程度上克服了傳統(tǒng)PID控制的缺點，具有超調(diào)量小，過渡時間短，控制穩(wěn)定時控制精度高，無穩(wěn)態(tài)偏差的特點。</p><p>　　圖6.1 工況1仿真曲線</p><p>　　圖6.2 工況2仿真曲線</p><p><b>　　小結(jié)</b></p><p>　　本文通過對船舶柴油機的研究，建立了簡化的船舶主機模型，對

111、船舶柴油機自動調(diào)速系統(tǒng)主要進行了以下幾方面的工作：</p><p>　　1．首先在了解船舶柴油機結(jié)構(gòu)與工作原理的基礎(chǔ)上建立了一個適合于研究分析的簡化的船舶主機模型。</p><p>　　2. 然后根據(jù)理論知識分別設(shè)計了傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)，單純的模糊控制器，最后整合兩種控制器設(shè)計了基于模糊-PID控制的自動調(diào)速系統(tǒng)，用于仿真研究。</p><p>　　3. 最后運用