張微微（紫光（北京）智控科技有限公司，廣東　珠?！?19080）

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穩(wěn)壓器液位智能模糊控制

張微微
（紫光（北京）智控科技有限公司，廣東珠海519080）

摘要：本文詳細(xì)介紹了核電站穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)及功能，穩(wěn)壓原理，數(shù)學(xué)模型及其控制系統(tǒng)。研究核電站穩(wěn)壓器的數(shù)學(xué)模型的建立以及將模型用于穩(wěn)壓器液位的模糊控制。本文在合理的假設(shè)下建立較為精確的模型，并應(yīng)用模糊控制的策略對(duì)穩(wěn)壓器的液位進(jìn)行智能控制。

關(guān)鍵詞：模糊控制；液位控制；仿真

1　對(duì)象分析

本文研究對(duì)象為核電站穩(wěn)壓器，通過(guò)在100%的工況下改變波動(dòng)水流量、噴淋水流量、加熱器加熱功率以及安全閥排放流量，來(lái)分析穩(wěn)壓器中水位的瞬態(tài)特性。

2　模糊控制方法簡(jiǎn)介

2.1概述

模糊控制是一種運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的理論和思想的控制。在傳統(tǒng)的控制策略中，控制的精確度和效果好壞取決于控制對(duì)象模型建立的精確程度。傳統(tǒng)的控制策略對(duì)于那些有精確模型的控制對(duì)象具有良好的控制效果，而對(duì)于無(wú)法建立精確模型的控制對(duì)象就顯得不盡理想了。所以，人們便引用了模糊數(shù)學(xué)的方法來(lái)對(duì)這種沒(méi)有精確模型的對(duì)象做模糊控制。

2.2變量選擇與論域分割

在控制中，控制變量的選擇要有代表性，即要能反映出系統(tǒng)的基本特性，而控制變量選擇的正確與否對(duì)一個(gè)控制模型來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。在模糊控制中，可選擇系統(tǒng)輸出誤差、輸出誤差變化量、輸出、輸出變化量、及輸出誤差量總和等作為模糊控制的變量。本文選取輸出誤差和輸出誤差率作為控制變量。

在模糊控制變量確定下來(lái)之后，就要按照控制對(duì)象和經(jīng)驗(yàn)寫(xiě)出變量的控制規(guī)則，在制作成模糊控制規(guī)則前，要對(duì)控制變量進(jìn)行變量空間的模糊劃分。變量空間劃分時(shí)各個(gè)不同區(qū)域之間的重合程度對(duì)控制有很大的影響。但不同區(qū)域的劃分并沒(méi)有一個(gè)確定的規(guī)則，一般都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬進(jìn)行區(qū)域的調(diào)整。但有些數(shù)據(jù)也指出大約1/3～1/2較為理想。區(qū)域之間的重合程度對(duì)應(yīng)著控制規(guī)則之間的模糊程度。所以，變量空間的模糊劃分是模糊控制的一個(gè)重要特征。

2.3函數(shù)形式

隸屬度函數(shù)有兩種形式，分別為離散型和連續(xù)型。連續(xù)型隸屬函數(shù)又分為很多種，有三角形函數(shù)，梯形函數(shù)，高斯函數(shù)。一個(gè)隸屬函數(shù)對(duì)應(yīng)著一個(gè)模糊集合，一個(gè)模糊集合只有一個(gè)隸屬函數(shù)與之對(duì)應(yīng)。不同的模糊控制構(gòu)架是由語(yǔ)言變量和相應(yīng)的隸屬函數(shù)決定的；有連續(xù)型隸屬度函數(shù)和離散型隸屬度函數(shù)。

2.4控制規(guī)則

模糊控制器的核心是模糊控制規(guī)則，模糊控制規(guī)則直接影響了模糊控制的性能，模糊控制規(guī)則數(shù)目也對(duì)模糊控制起著重要的影響。模糊控制規(guī)則的取得方式：第一種，根據(jù)專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。通過(guò)向?qū)＜以儐?wèn)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，在獲得相關(guān)的知識(shí)后，將所獲知識(shí)改為if….then的句式，就構(gòu)成了模糊控制規(guī)則；第二種，操作員的操作模式，在很多工業(yè)系統(tǒng)無(wú)法通過(guò)控制系統(tǒng)做出正確的控制的情況下，熟練的操作員可以在沒(méi)有數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上正確的對(duì)系統(tǒng)做出控制；因此，根據(jù)操作員的操作模式，并將其整理為if….then的句式，也可構(gòu)成模糊控制的控制規(guī)則；第三種，學(xué)習(xí)。為了使模糊控制器有良好的控制性能，就必須使其本身具有學(xué)習(xí)能力，使其可以根據(jù)控制對(duì)象對(duì)自身的模糊控制規(guī)則進(jìn)行修改。

2.5模糊自適應(yīng)PID控制

在很多工業(yè)系統(tǒng)中，大量采用的仍是PID算法。PID的整定方法有很多，但基本都是以控制對(duì)象為基礎(chǔ)的。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，我們可以將操作員的操作模式作為數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在電腦里，再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，計(jì)算機(jī)便可以自動(dòng)的控制工業(yè)系統(tǒng)，于是便出現(xiàn)了自適應(yīng)PID控制。這種PID控制將先進(jìn)的專(zhuān)家系統(tǒng)控制與傳統(tǒng)的PID控制相結(jié)合，成為了一種性能較好的控制策略。但這種控制必須要有控制對(duì)象的精確模型，根據(jù)模型將操作員的操作模式轉(zhuǎn)化為語(yǔ)言模型，然后運(yùn)用推理就可以實(shí)驗(yàn)對(duì)PID參數(shù)的調(diào)整，使其成為最優(yōu)值。

由于操作員的各種操作難以用語(yǔ)言來(lái)表示，控制過(guò)程中的各種信號(hào)量難以定量的進(jìn)行表示，所以上述控制策略也存在局限性。而將模糊控制理論應(yīng)用到這里則是一種有效的解決辦法。人們將操作員的操作模式用模糊集合，模糊規(guī)則來(lái)表示，同時(shí)把這些模糊規(guī)則和相關(guān)的信息儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)的知識(shí)庫(kù)里，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)控制對(duì)象的實(shí)際響應(yīng)應(yīng)用計(jì)算機(jī)中的模糊推理，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)PID參數(shù)的調(diào)整，這就是模糊自適應(yīng)PID控制。

3　穩(wěn)壓器模糊控制系統(tǒng)Simulink仿真

3.1模糊控制模型的搭建

以噴淋量和電加熱器功率為控制量搭建模糊控制模型。其中的模糊控制模塊采用輸出誤差和輸出誤差率作為輸入變量，以Kp，Ki，Kd作為輸出量。采用三角形隸屬函數(shù)。

其中模糊自適應(yīng)PID的三個(gè)參數(shù)Kp、Ki、Kd可由合適的模糊規(guī)則得到各自整定的模糊規(guī)則表。

3.2仿真結(jié)果

該控制模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)噴淋量擾動(dòng)和電加熱器功率擾動(dòng)的同時(shí)控制。首先我們給定初始水位為1的階躍，但不給任何擾動(dòng)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行300s，響應(yīng)曲線如圖 1所示。

行有擾動(dòng)的響應(yīng)曲線時(shí)，在100s時(shí)給噴淋量一個(gè)階躍擾動(dòng)，在200s時(shí)給加熱量一個(gè)階躍擾動(dòng)，其響應(yīng)曲線如圖2所示。

從圖中可見(jiàn)100s時(shí)有一個(gè)明顯擾動(dòng)，后曲線平穩(wěn)。200s時(shí)曲線有一個(gè)很微小的擾動(dòng)，后曲線平穩(wěn)。該微小擾動(dòng)為電加熱器功率的擾動(dòng)，擾動(dòng)較小的原因?yàn)殡娂訜崞鞴β实母淖儗?duì)水位的影響較小，模型中其傳遞函數(shù)特別小。

4　結(jié)論

本章主要介紹了模糊控制的方法，模糊控制自適應(yīng)PID的控制。并應(yīng)用模糊控制的方法在simulink平臺(tái)上搭建仿真模型進(jìn)行仿真。從仿真的結(jié)果可以看出：

（1）采用模糊控制能達(dá)到控制穩(wěn)壓器水位的效果。

（2）模糊水位控制具有以下優(yōu)點(diǎn)，其振蕩小，調(diào)節(jié)時(shí)間短，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)更穩(wěn)更準(zhǔn)更快。實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓器穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）本文所建的穩(wěn)壓器模型適合于控制。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.11.131