徐瑞麗+尹飛凰
摘要: 恒壓供水系統(tǒng)中控制系統(tǒng)復(fù)雜多變,控制參數(shù)測(cè)定不精確;文章提出了把PID控制與自適應(yīng)模糊控制結(jié)合在一起的一種自適應(yīng)模糊PID控制器應(yīng)用恒壓供水系統(tǒng)中,借助于PID參數(shù)的在線模糊自整定,實(shí)時(shí)修改PID參數(shù),通過(guò)Matlab仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中始終處于優(yōu)化狀態(tài)。自適應(yīng)模糊PID控制器在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用既可以提高系統(tǒng)控制性能,又能最大限度地節(jié)約供水系統(tǒng)能源。
Abstract: The control system of constant pressure water supply system is complex and changeful, and the control parameters measurement is not accurate. The paper puts forward a PID control and adaptive fuzzy control with an adaptive fuzzy PID controller application for constant pressure water supply system, with the help of PID parameters on-line self-tuning fuzzy PID parameters, real-time modification, through Matlab simulation experiment system in in the running process is always in optimal condition. Adaptive fuzzy PID controller used in constant-pressure water supply system can not only improve the performance of the control system, and the maximum energy saving water supply system.
關(guān)鍵詞: 自適應(yīng)模糊控制;PID控制;恒壓供水;系統(tǒng)仿真
Key words: adaptive fuzzy control;PID control;constant pressure water supply;system simulation
中圖分類號(hào):TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1006-4311(2014)09-0021-03
0 引言
隨著生活品質(zhì)的提高,人們對(duì)生活飲用水的要求也在不斷地提高,恒壓供水系統(tǒng)在多層及高層住宅用水和消防供水中得到了越來(lái)越廣泛地應(yīng)用?,F(xiàn)代的恒壓供水系統(tǒng)主要由水泵、變頻器及調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)構(gòu)成,整個(gè)控制系統(tǒng)控制復(fù)雜多變,控制參數(shù)一般不能精確測(cè)定。水泵作為一種典型的非線性負(fù)載,在運(yùn)行的過(guò)程中其旋轉(zhuǎn)的速度與給定的信號(hào)之間具有滯后、慣性較大的特點(diǎn)。
如果采用常規(guī)的PID控制,在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中因?yàn)椴荒芸煽康卣{(diào)整PID參數(shù)而無(wú)法實(shí)現(xiàn)管道壓力精確恒定控制,而且響應(yīng)速度比較慢。由于模糊控制不會(huì)過(guò)分依賴數(shù)學(xué)模型,因此,不需建立精確的過(guò)程模型。由于其不僅可以將人們的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為控制措施,還會(huì)根據(jù)那些時(shí)變的、非線性的和滯后的大慣性對(duì)象而保持良好的動(dòng)態(tài)特性。
本文針對(duì)上述原因提出了模糊控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合而設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)模糊PID控制器。通過(guò)PID參數(shù)的在線模糊自整定能夠?qū)ID參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修改,從而確保了運(yùn)行過(guò)程中的系統(tǒng)始終處于優(yōu)化狀態(tài),不僅提高了系統(tǒng)的控制性能,還能夠最大限度的節(jié)約供水系統(tǒng)能源。
1 自適應(yīng)模糊PID的概念
根據(jù)PID控制器的Kp、Ki、Kd的三個(gè)參數(shù)與偏差e、偏差的變化率ec之間的模糊關(guān)系,在運(yùn)行時(shí)不斷檢測(cè)e及ec,通過(guò)事先確定的關(guān)系,利用模糊推理的方法,在線自動(dòng)修改控制器PID參數(shù)。因?yàn)閰?shù)可自動(dòng)調(diào)整,所以自適應(yīng)模糊PID控制能解決系統(tǒng)的非線性問(wèn)題。由于常規(guī)PID只能夠利用一組固定的參數(shù)進(jìn)行控制,因此,將模糊推理引入控制系統(tǒng)并在PID初值的基礎(chǔ)上通過(guò)增加修正參數(shù)進(jìn)行整定,從而對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行改善。
2 自適應(yīng)模糊PID控制器設(shè)計(jì)
2.1 恒壓供水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立
在供水系統(tǒng)的二級(jí)泵房中,可以將水泵從初始狀態(tài)開始向管網(wǎng)供水的變頻調(diào)速恒壓控制系統(tǒng)分為零壓過(guò)程和壓力上升兩個(gè)過(guò)程。在零壓過(guò)程中,由于經(jīng)處理的水由水泵從清水池送到管網(wǎng)中,因此可認(rèn)為壓力基本保持零,屬于純滯后過(guò)程;由于在壓力上升過(guò)程中,水泵逐漸用水充滿整個(gè)管理,從而壓力不斷增加并達(dá)到穩(wěn)定,因此是一個(gè)具有慣性的一階環(huán)節(jié)。因此,可將水泵管道系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型等效為帶有純滯后環(huán)節(jié)的一階慣性環(huán)節(jié),而系統(tǒng)中繼電器控制轉(zhuǎn)換、壓力檢測(cè)等其他控制和檢測(cè)環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)間與供水系統(tǒng)中水壓上升或下降的時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)間相比可以忽略不計(jì),由此得到供水系統(tǒng)的近似
模型:
G(s)=■e■
式中:K——系統(tǒng)的總增益
T——系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)
τ——系統(tǒng)的滯后時(shí)間
需要采用離線開環(huán)階躍響應(yīng)的方法確定參數(shù)K、T、τ,其具體方法為:在開環(huán)控制系統(tǒng)中由控制器輸出一個(gè)合適幅值的階躍響應(yīng)信號(hào),從而促使水泵轉(zhuǎn)速提到一定幅值,記錄水壓的整個(gè)變化過(guò)程,然后根據(jù)記錄的輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行辨認(rèn)識(shí)別。
本系統(tǒng)的辨識(shí)結(jié)果為K=0.95,T=9.8,τ=2.55s,由此可得到供水控制系統(tǒng)的近似模型:
G(s)=■e■
2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖1為包含自學(xué)環(huán)節(jié)功能的參數(shù)自整定模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。PID控制器通過(guò)自學(xué)功能的模糊控制器能夠進(jìn)行在線參數(shù)的自整定。endprint
2.3 參數(shù)自整定原則
PID參數(shù)模糊自整定就是找出PID控制的三個(gè)參數(shù)與偏差e及偏差的變化ec間的模糊關(guān)系,通過(guò)不斷檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行中的e及ec,再根據(jù)模糊控制的原則來(lái)對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線的修改,從而滿足不同e及ec時(shí)對(duì)控制參數(shù)的不同要求,最終使被控制的對(duì)象具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能,模糊PID控制系統(tǒng)原理如圖2所示。
模糊控制器以偏差和偏差變化率作為輸入,修正參數(shù)ΔKp,ΔKi,ΔKd為輸出,則PID控制器輸出的參數(shù)Kp,Ki,Kd可按公式1-3計(jì)算,式中K'p,K'i,K'd為預(yù)整定值。
Kp=K'p+ΔKp(1)
Ki=K'i+ΔKi(2)
Kd=K'd+ΔKd(3)
參數(shù)模糊自整定機(jī)構(gòu)可以視為三個(gè)雙輸入單輸出的模糊控制器(如圖2所示),其輸入量采用壓力偏差e和偏差變化率ec,參數(shù)自整定機(jī)構(gòu)采用增量型調(diào)整原理,輸出變量為Kp、Ki和Kd。參數(shù)模糊自整定機(jī)構(gòu)調(diào)整過(guò)程如圖3所示。
2.4 模糊控制規(guī)則表
模糊控制器輸入輸出變量的模糊子集分別為E,Ec,ΔKp,ΔKi,ΔKd,各變量語(yǔ)言值為:{負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,零,正小,正中,正大},記為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},隸屬函數(shù)均采用靈敏度強(qiáng)的三角函數(shù),模糊蘊(yùn)涵關(guān)系運(yùn)算采用最小運(yùn)算法(Mamdan),去模糊化采用重心法。
根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn),e和ec的變化范圍為(-0.5,+0.5),模糊論域?yàn)閧-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}。ΔKp,ΔKi和ΔKd的基本域?yàn)椋?0.3,0.3),模糊論域?yàn)閧-0.3,-0.25,-0.2,-0.15,-0.1,-0.05,0,0.05,0.2,0.25,0.3},比例因子Ke為12,量化因子Kec為1,通過(guò)模糊推理及試驗(yàn)修正,得出ΔKp,ΔKi,ΔKd的模糊規(guī)則如表1-表3所示。
對(duì)于控制規(guī)則 IF EiAND ECi THEN Kp is Ui(i=1,2,…49)其模糊蘊(yùn)含采用最小值法uU'(KP)=uE■(e)∧u■(ec)∧u■(KP);
模糊合成采用最大法,即最終結(jié)論U′是由綜合■,
■,…■得到的,推理法則為uU′(KP)=u■(KP)∨u■(KP)∨…∨u■(KP);在一次采樣時(shí)刻,KP的值可由模糊輸出U′的重心確定。
{Ei,ECi}P=■
式中u■(K■)(j=1,2,…49)是KP的隸屬度。同理可以得到輸出量KI,KD。
KP=KP0+{Ei,ECi}P
KI=KI0+{Ei,ECi}I
KD=KD0+{Ei,ECi}D
其中{Ei,ECi}P、{Ei,ECi}I、{Ei,ECi}D是模糊推理的結(jié)果,即參數(shù)的校正量。而KP0,KI0,KD0為參數(shù)設(shè)置初值。
3 實(shí)驗(yàn)仿真
本文在采用對(duì)三臺(tái)供水泵、兩臺(tái)抽真空泵及兩臺(tái)反沖泵進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如下:圖4為采用常規(guī)PID同步控制算法下系統(tǒng)響應(yīng)曲線,圖5為采用模糊PID同步控制算法下系統(tǒng)響應(yīng)曲線。通過(guò)對(duì)兩種仿真結(jié)果進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn),與常規(guī)PID性能相比,系統(tǒng)采用模糊PID方法具有更好的同步性能和抗干擾能力。
4 結(jié)論
本文結(jié)合恒壓供水系統(tǒng)中水泵控制的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)模糊PID控制器,在管道壓力較大偏差范圍內(nèi)采用模糊推理控制,根據(jù)e、ec對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行適時(shí)調(diào)整,并在壓力偏差范圍內(nèi)采用PID精確控制輸出,從而綜合了模糊控制和PID控制的優(yōu)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明,這種自適應(yīng)模糊PID控制器具有動(dòng)態(tài)性能好、穩(wěn)態(tài)精度高以及適應(yīng)參數(shù)變化能力強(qiáng)等特點(diǎn),該控制器模型規(guī)則明確,實(shí)時(shí)計(jì)算工作量小,如果采用本系統(tǒng)進(jìn)行高樓恒壓供水完全可以替代現(xiàn)有的恒壓供水裝置,大大提高了恒壓供水系統(tǒng)中管道壓力的恒定性,節(jié)能非常明顯,極具推廣和應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn):
[1]楊凌云.PID調(diào)節(jié)器在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息,1996(5).
[2]劉金錕.先進(jìn)PID控制及Matlab仿真[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.
[3]侯北平等.自適應(yīng)模糊PD控制器的設(shè)計(jì)及基于Matlab的計(jì)算機(jī)仿真[J].天津輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2001(4).
[4]劉鐵湘,陳林康.模糊控制在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用及其仿真[J].電機(jī)電器技術(shù),2003,2(9):38-40.endprint
2.3 參數(shù)自整定原則
PID參數(shù)模糊自整定就是找出PID控制的三個(gè)參數(shù)與偏差e及偏差的變化ec間的模糊關(guān)系,通過(guò)不斷檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行中的e及ec,再根據(jù)模糊控制的原則來(lái)對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線的修改,從而滿足不同e及ec時(shí)對(duì)控制參數(shù)的不同要求,最終使被控制的對(duì)象具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能,模糊PID控制系統(tǒng)原理如圖2所示。
模糊控制器以偏差和偏差變化率作為輸入,修正參數(shù)ΔKp,ΔKi,ΔKd為輸出,則PID控制器輸出的參數(shù)Kp,Ki,Kd可按公式1-3計(jì)算,式中K'p,K'i,K'd為預(yù)整定值。
Kp=K'p+ΔKp(1)
Ki=K'i+ΔKi(2)
Kd=K'd+ΔKd(3)
參數(shù)模糊自整定機(jī)構(gòu)可以視為三個(gè)雙輸入單輸出的模糊控制器(如圖2所示),其輸入量采用壓力偏差e和偏差變化率ec,參數(shù)自整定機(jī)構(gòu)采用增量型調(diào)整原理,輸出變量為Kp、Ki和Kd。參數(shù)模糊自整定機(jī)構(gòu)調(diào)整過(guò)程如圖3所示。
2.4 模糊控制規(guī)則表
模糊控制器輸入輸出變量的模糊子集分別為E,Ec,ΔKp,ΔKi,ΔKd,各變量語(yǔ)言值為:{負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,零,正小,正中,正大},記為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},隸屬函數(shù)均采用靈敏度強(qiáng)的三角函數(shù),模糊蘊(yùn)涵關(guān)系運(yùn)算采用最小運(yùn)算法(Mamdan),去模糊化采用重心法。
根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn),e和ec的變化范圍為(-0.5,+0.5),模糊論域?yàn)閧-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}。ΔKp,ΔKi和ΔKd的基本域?yàn)椋?0.3,0.3),模糊論域?yàn)閧-0.3,-0.25,-0.2,-0.15,-0.1,-0.05,0,0.05,0.2,0.25,0.3},比例因子Ke為12,量化因子Kec為1,通過(guò)模糊推理及試驗(yàn)修正,得出ΔKp,ΔKi,ΔKd的模糊規(guī)則如表1-表3所示。
對(duì)于控制規(guī)則 IF EiAND ECi THEN Kp is Ui(i=1,2,…49)其模糊蘊(yùn)含采用最小值法uU'(KP)=uE■(e)∧u■(ec)∧u■(KP);
模糊合成采用最大法,即最終結(jié)論U′是由綜合■,
■,…■得到的,推理法則為uU′(KP)=u■(KP)∨u■(KP)∨…∨u■(KP);在一次采樣時(shí)刻,KP的值可由模糊輸出U′的重心確定。
{Ei,ECi}P=■
式中u■(K■)(j=1,2,…49)是KP的隸屬度。同理可以得到輸出量KI,KD。
KP=KP0+{Ei,ECi}P
KI=KI0+{Ei,ECi}I
KD=KD0+{Ei,ECi}D
其中{Ei,ECi}P、{Ei,ECi}I、{Ei,ECi}D是模糊推理的結(jié)果,即參數(shù)的校正量。而KP0,KI0,KD0為參數(shù)設(shè)置初值。
3 實(shí)驗(yàn)仿真
本文在采用對(duì)三臺(tái)供水泵、兩臺(tái)抽真空泵及兩臺(tái)反沖泵進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如下:圖4為采用常規(guī)PID同步控制算法下系統(tǒng)響應(yīng)曲線,圖5為采用模糊PID同步控制算法下系統(tǒng)響應(yīng)曲線。通過(guò)對(duì)兩種仿真結(jié)果進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn),與常規(guī)PID性能相比,系統(tǒng)采用模糊PID方法具有更好的同步性能和抗干擾能力。
4 結(jié)論
本文結(jié)合恒壓供水系統(tǒng)中水泵控制的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)模糊PID控制器,在管道壓力較大偏差范圍內(nèi)采用模糊推理控制,根據(jù)e、ec對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行適時(shí)調(diào)整,并在壓力偏差范圍內(nèi)采用PID精確控制輸出,從而綜合了模糊控制和PID控制的優(yōu)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明,這種自適應(yīng)模糊PID控制器具有動(dòng)態(tài)性能好、穩(wěn)態(tài)精度高以及適應(yīng)參數(shù)變化能力強(qiáng)等特點(diǎn),該控制器模型規(guī)則明確,實(shí)時(shí)計(jì)算工作量小,如果采用本系統(tǒng)進(jìn)行高樓恒壓供水完全可以替代現(xiàn)有的恒壓供水裝置,大大提高了恒壓供水系統(tǒng)中管道壓力的恒定性,節(jié)能非常明顯,極具推廣和應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn):
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[4]劉鐵湘,陳林康.模糊控制在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用及其仿真[J].電機(jī)電器技術(shù),2003,2(9):38-40.endprint
2.3 參數(shù)自整定原則
PID參數(shù)模糊自整定就是找出PID控制的三個(gè)參數(shù)與偏差e及偏差的變化ec間的模糊關(guān)系,通過(guò)不斷檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行中的e及ec,再根據(jù)模糊控制的原則來(lái)對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線的修改,從而滿足不同e及ec時(shí)對(duì)控制參數(shù)的不同要求,最終使被控制的對(duì)象具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能,模糊PID控制系統(tǒng)原理如圖2所示。
模糊控制器以偏差和偏差變化率作為輸入,修正參數(shù)ΔKp,ΔKi,ΔKd為輸出,則PID控制器輸出的參數(shù)Kp,Ki,Kd可按公式1-3計(jì)算,式中K'p,K'i,K'd為預(yù)整定值。
Kp=K'p+ΔKp(1)
Ki=K'i+ΔKi(2)
Kd=K'd+ΔKd(3)
參數(shù)模糊自整定機(jī)構(gòu)可以視為三個(gè)雙輸入單輸出的模糊控制器(如圖2所示),其輸入量采用壓力偏差e和偏差變化率ec,參數(shù)自整定機(jī)構(gòu)采用增量型調(diào)整原理,輸出變量為Kp、Ki和Kd。參數(shù)模糊自整定機(jī)構(gòu)調(diào)整過(guò)程如圖3所示。
2.4 模糊控制規(guī)則表
模糊控制器輸入輸出變量的模糊子集分別為E,Ec,ΔKp,ΔKi,ΔKd,各變量語(yǔ)言值為:{負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,零,正小,正中,正大},記為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},隸屬函數(shù)均采用靈敏度強(qiáng)的三角函數(shù),模糊蘊(yùn)涵關(guān)系運(yùn)算采用最小運(yùn)算法(Mamdan),去模糊化采用重心法。
根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn),e和ec的變化范圍為(-0.5,+0.5),模糊論域?yàn)閧-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}。ΔKp,ΔKi和ΔKd的基本域?yàn)椋?0.3,0.3),模糊論域?yàn)閧-0.3,-0.25,-0.2,-0.15,-0.1,-0.05,0,0.05,0.2,0.25,0.3},比例因子Ke為12,量化因子Kec為1,通過(guò)模糊推理及試驗(yàn)修正,得出ΔKp,ΔKi,ΔKd的模糊規(guī)則如表1-表3所示。
對(duì)于控制規(guī)則 IF EiAND ECi THEN Kp is Ui(i=1,2,…49)其模糊蘊(yùn)含采用最小值法uU'(KP)=uE■(e)∧u■(ec)∧u■(KP);
模糊合成采用最大法,即最終結(jié)論U′是由綜合■,
■,…■得到的,推理法則為uU′(KP)=u■(KP)∨u■(KP)∨…∨u■(KP);在一次采樣時(shí)刻,KP的值可由模糊輸出U′的重心確定。
{Ei,ECi}P=■
式中u■(K■)(j=1,2,…49)是KP的隸屬度。同理可以得到輸出量KI,KD。
KP=KP0+{Ei,ECi}P
KI=KI0+{Ei,ECi}I
KD=KD0+{Ei,ECi}D
其中{Ei,ECi}P、{Ei,ECi}I、{Ei,ECi}D是模糊推理的結(jié)果,即參數(shù)的校正量。而KP0,KI0,KD0為參數(shù)設(shè)置初值。
3 實(shí)驗(yàn)仿真
本文在采用對(duì)三臺(tái)供水泵、兩臺(tái)抽真空泵及兩臺(tái)反沖泵進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如下:圖4為采用常規(guī)PID同步控制算法下系統(tǒng)響應(yīng)曲線,圖5為采用模糊PID同步控制算法下系統(tǒng)響應(yīng)曲線。通過(guò)對(duì)兩種仿真結(jié)果進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn),與常規(guī)PID性能相比,系統(tǒng)采用模糊PID方法具有更好的同步性能和抗干擾能力。
4 結(jié)論
本文結(jié)合恒壓供水系統(tǒng)中水泵控制的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)模糊PID控制器,在管道壓力較大偏差范圍內(nèi)采用模糊推理控制,根據(jù)e、ec對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行適時(shí)調(diào)整,并在壓力偏差范圍內(nèi)采用PID精確控制輸出,從而綜合了模糊控制和PID控制的優(yōu)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明,這種自適應(yīng)模糊PID控制器具有動(dòng)態(tài)性能好、穩(wěn)態(tài)精度高以及適應(yīng)參數(shù)變化能力強(qiáng)等特點(diǎn),該控制器模型規(guī)則明確,實(shí)時(shí)計(jì)算工作量小,如果采用本系統(tǒng)進(jìn)行高樓恒壓供水完全可以替代現(xiàn)有的恒壓供水裝置,大大提高了恒壓供水系統(tǒng)中管道壓力的恒定性,節(jié)能非常明顯,極具推廣和應(yīng)用價(jià)值。
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