徐紅明，姚建飛，陳逸寧

(1.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州 311112;2.浙海海運有限公司，浙江 杭州 310013)

船舶主機缸套冷卻水溫度灰色預(yù)測模糊PID控制

徐紅明1，姚建飛1，陳逸寧2

(1.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州 311112;2.浙海海運有限公司，浙江 杭州 310013)

針對船舶主機缸套冷卻水溫度控制系統(tǒng)的大慣性、純滯后和時變性特點，提出了將等維新息灰色預(yù)測控制與模糊自調(diào)節(jié)PID控制相結(jié)合的新型控制策略，這種控制器可根據(jù)系統(tǒng)預(yù)測誤差和變化率自動調(diào)整控制器參數(shù)，使控制器對系統(tǒng)響應(yīng)具有適應(yīng)性。仿真結(jié)果表明:灰色預(yù)測模糊PID控制比常規(guī)的PID控制與模糊PID控制有更多的優(yōu)越性，自適應(yīng)能力強，超調(diào)適中，具有更好的動、靜態(tài)特性。

控制器;缸套冷卻水;灰色預(yù)測;模糊PID控制;仿真

缸套冷卻水溫度是船舶柴油機一個重要的熱工參數(shù)，溫度過高易使缸壁內(nèi)表面的滑油膜迅速蒸發(fā)，缸壁磨損加劇，冷卻水腔內(nèi)發(fā)生汽化及阻水橡皮圈老化漏水等現(xiàn)象，溫度過低則會增加熱損失、增大熱應(yīng)力和加重酸性腐蝕，精確的控制冷卻水溫度，對于減小熱應(yīng)力，提高柴油機的動力性能和使用壽命具有重要意義。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非線性系統(tǒng)，傳統(tǒng)的PID控制屬于“事后控制”，在船舶運行工況發(fā)生變化時，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)。文獻［1］提出了在PID控制的基礎(chǔ)上，引入以船舶主機輸出“功率”作為反映缸套冷卻水熱負荷擾動信號的前饋控制，以減小缸套冷卻水出口溫度的動態(tài)偏差，但前饋控制受模型精度限制，不能克服系統(tǒng)中不可測量的干擾影響。文獻［2］提出了基于功率信號模糊預(yù)調(diào)節(jié)與水溫Smith+PID調(diào)節(jié)的控制方法，Smith預(yù)估控制可以預(yù)測未來的系統(tǒng)偏差，對系統(tǒng)輸出進行提前校正，克服時滯的不利影響，但由于這種預(yù)估器需要系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，而且當(dāng)預(yù)估模型和實際對象不匹配時，其對系統(tǒng)的誤差非常敏感，控制效果較差。

船舶主機缸套冷卻水溫度灰色預(yù)測模糊PID控制將等維新息灰色預(yù)測控制和模糊自調(diào)節(jié)PID控制相結(jié)合，形成優(yōu)勢互補，根據(jù)系統(tǒng)輸出的預(yù)測誤差及其變化率在線修正PID參數(shù)，提高控制精度，獲得更好的控制性能。

1 灰色預(yù)測模糊自調(diào)節(jié)PID控制系統(tǒng)

1.1 控制系統(tǒng)原理

灰色預(yù)測控制［3］是通過系統(tǒng)行為數(shù)據(jù)序列的提取，尋求系統(tǒng)發(fā)展規(guī)律，從而按照規(guī)律預(yù)測系統(tǒng)未來的行為，并根據(jù)系統(tǒng)未來的行為趨勢，確定相應(yīng)的控制決策進行預(yù)控制。這樣可以做到防患于未然，具有較強的適應(yīng)能力?；疑A(yù)測模糊自調(diào)節(jié)PID控制利用系統(tǒng)的預(yù)測誤差參與對PID控制器參數(shù)的在線整定，預(yù)測系統(tǒng)未來的行為，并根據(jù)未來的行為趨勢，對PID的控制量進行預(yù)先補償，克服常規(guī)PID控制在控制系統(tǒng)中存在的滯后和超調(diào)的缺點，是一種具有廣闊前景的新型控制策略?；疑A(yù)測模糊自調(diào)節(jié)PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 灰色預(yù)測模糊自調(diào)節(jié)PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of grey predicative fuzzy PID control system

控制系統(tǒng)工作原理:通過采樣裝置對輸出向量y(k)在當(dāng)前k時刻之前的m個連續(xù)行為數(shù)據(jù)進行采集，由灰色預(yù)測算法，計算出k+d時刻的預(yù)測值，并用預(yù)測誤差e(k)=r(k)-y(k+d)取代當(dāng)前測量誤差以及相應(yīng)的誤差變化率，經(jīng)過模糊化處理后進行模糊推理，輸出變量為PID控制參數(shù)kp，ki，kd的增量，再分別加上PID控制參數(shù)的初始值，得到PID調(diào)節(jié)器控制參數(shù)，使未來的輸出向量接近目標(biāo)值。

1.2 灰色預(yù)測算法［4］

灰色預(yù)測算法是建立在動態(tài)GM(1，1)模型基礎(chǔ)上，利用GM(1，1)模型來獲取系統(tǒng)k+d時刻的輸出預(yù)測值。

設(shè)系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)列向量為:

事實上，在任何一個灰色系統(tǒng)的發(fā)展過程中，隨著時間的推移，將會不斷地有一些隨機擾動或驅(qū)動因素進入系統(tǒng)，使系統(tǒng)的發(fā)展相繼地受其影響。因此，GM(1，1)模型的預(yù)測精度越遠離時間原點，預(yù)測意義就越弱。為了不斷把相繼進入系統(tǒng)的擾動或驅(qū)動因素考慮進去，隨時將每一個新得到的數(shù)據(jù)置入Y(0)中，建立新息GM(1，1)模型進行動態(tài)預(yù)測。但這種新息模型隨著時間的推移，信息越來越多，建模運算量不斷增加，這顯然不適合過程控制對實時性、快速性的要求。因此，在不斷補充新信息的同時，及時去掉老信息，不斷地進行新陳代謝，以便在滾動建模時維持?jǐn)?shù)據(jù)個數(shù)不變，建模序列更能反映系統(tǒng)在目前的特征，保證系統(tǒng)具有較強的適應(yīng)能力。這就是等維新息滾動模型，等維新息滾動預(yù)測算法［4］如下:

式中:h為采樣時刻;m為建模維數(shù);a，b為h時刻辨識所得參數(shù);n為預(yù)測步數(shù)。

1.3 模糊控制器［5］

模糊控制器能充分利用操作人員進行實時非線性調(diào)節(jié)的成功實踐操作經(jīng)驗，充分發(fā)揮PID控制器的優(yōu)良控制作用，使整個系統(tǒng)達到最佳控制效果。船舶主機缸套冷卻水溫度灰色預(yù)測模糊PID控制使用的是一個兩輸入(e，ec)三輸出(Δkp，Δki，Δkd)的模糊控制器，它的原理是把輸入PID調(diào)節(jié)器的偏差e和偏差變化率ec同時輸入到模糊控制器中，圖1中模糊控制器實際上是由3個分模糊控制器組成，分別對3個參數(shù)kp，ki，kd進行調(diào)節(jié)，然后分別經(jīng)過模糊化、模糊規(guī)則推理和清晰化后，把得到的修正量Δkp，Δki，Δkd分別輸入 PID 調(diào)節(jié)器中，根據(jù)不同時刻的e和ec對PID參數(shù)進行實時在線修正。計算公式如下:

式中:k'p，k'i，k'd為 PID 控制參數(shù)初始值。

2 主機缸套冷卻水溫度灰色預(yù)測模糊PID控制

船舶柴油機缸套冷卻水系統(tǒng)動態(tài)特性建模與仿真［6］以浙海海運有限公司某輪主機缸套冷卻水系統(tǒng)為建模對象，利用“兩點法”與曲線擬合法相結(jié)合，得到對應(yīng)傳遞函數(shù)為:

2.1 模糊控制規(guī)則

船舶柴油機缸套冷卻水溫度模糊PID自適應(yīng)控制與仿真［7］通過對實船數(shù)據(jù)處理分析和多次操作經(jīng)驗總結(jié)，結(jié)合理論上偏差e及偏差變化率ec跟PID調(diào)節(jié)器3個控制參數(shù) kp，ki，kd的影響關(guān)系，歸納出了3個參數(shù)的模糊控制規(guī)則如表1～表3。

表1 Δkp模糊規(guī)則Tab.1 Fuzzy rule of Δkp

表2 Δki模糊規(guī)則Tab.2 Fuzzy rule of Δki

表3 Δkd模糊規(guī)則Tab.3 Fuzzy rule of Δkd

2.2 控制系統(tǒng)仿真

在SIMULINK環(huán)境下，建立如圖2的主機缸套冷卻水溫度傳統(tǒng)PID控制、模糊PID自適應(yīng)控制與灰色預(yù)測模糊PID控制仿真模型［8］，其中fuzzy control子模塊為模糊PID自適應(yīng)控制部分封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3，模糊推理系統(tǒng)由49條模糊控制規(guī)則經(jīng)編輯后保存在fuzzycontrol.fis文件中，灰色預(yù)測子模塊的灰色預(yù)測算法功能由編寫的S-Function程序huise.m(參數(shù)選擇:采樣周期T=1 s，預(yù)測步數(shù)n=3，建模維數(shù)m=5)實現(xiàn)。

2.3 仿真結(jié)果對比分析

Step設(shè)置初始溫度80℃，最終溫度82℃，實現(xiàn)階躍響應(yīng)，調(diào)用 fuzzycontrol.fis和灰色預(yù)測程序huise.m。雙擊圖2中“階躍輸入”，即可得到仿真實驗結(jié)果如圖4。

圖2 主機缸套冷卻水溫度控制系統(tǒng)仿真Fig.2 Simulation of cylinder cooling water temperature control system

通過對圖4傳統(tǒng)PID控制、模糊PID自適應(yīng)控制與灰色預(yù)測模糊PID自適應(yīng)控制仿真曲線的比較分析，3種控制方式峰值溫度分別為82.69、82.53、82.31 ℃，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間分別為 600、400、350 s左右。仿真結(jié)果表明灰色預(yù)測模糊PID自適應(yīng)控制明顯優(yōu)于其它兩種控制方式，能夠根據(jù)灰色預(yù)測器得到的預(yù)測誤差e和誤差變化率ec對PID控制器的3個控制參數(shù)kp，ki，kd進行在線修正，得到較好的系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)曲線，響應(yīng)速度明顯變快，超調(diào)量大大減少，控制更平穩(wěn)，穩(wěn)態(tài)精度高，系統(tǒng)控制品質(zhì)得到較大改善。

圖3 Fuzzy control子模塊Fig.3 Submodule of fuzzy control

圖4 3種控制方式對比Fig.4 Comparison of three control strategies

3 結(jié)語

等維新息灰色預(yù)測模型，是在增加最新信息的同時，去掉最老信息，在滾動建模時保持?jǐn)?shù)據(jù)個數(shù)不變，灰色預(yù)測控制的參數(shù)，隨著系統(tǒng)的運行，不斷地自動更新，具有很強的自適應(yīng)性。針對主機缸套冷卻水溫度自動控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的滯后現(xiàn)象，將灰色預(yù)測方法運用到這個系統(tǒng)中，并與模糊控制相結(jié)合，仿真結(jié)果表明:灰色預(yù)測模糊PID控制自適應(yīng)能力強，超調(diào)適中，參數(shù)調(diào)整方便，具有更好的動、靜態(tài)特性，較常規(guī)的PID控制與模糊PID控制有更多的優(yōu)越性，適用于本系統(tǒng)的自動控制。

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Temperature Grey Predicative Fuzzy PID Control for Cylinder Cooling Water of Marine Diesel Engine

XU Hong-ming1，YAO Jian-fei1，CHEN Yi-ning2
(1.Zhejiang Institute of Communications，Hangzhou 311112，Zhejiang，China;
2.Zhehai Shipping Co.，Ltd.，Hangzhou 310013，Zhejiang，China)

Due to the large time constant，long time-delay and time-varying characteristic of marine diesel engine cylinder cooling water temperature control system，a new fuzzy self-setting PID control strategy with grey prediction was presented;it could automatically adjust controller parameters according to the predicted output error and error rate，which made the controller adaptive to the response of systems.Simulation results indicated that the strategy compared with traditional PID control and fuzzy PID contro1，had strong self-adaptive ability with better dynamic and static performance.

controller;cylinder cooling water;grey prediction;fuzzy PID control;simulation

TH861

A

1674-0696(2011)03-0494-04

2010-12-08;

2011-02-26

浙江省教育廳科研項目(Y200804126)

徐紅明(1978-)，男，浙江東陽人，講師，碩士，主要從事船舶智能控制與仿真方面的研究。E-mail:honin@zjvtit.edu.cn。