模糊PID控制在船舶電站中的應(yīng)用

陳 瑜

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所，中國(guó) 上海 200135）

0 引言

隨著技術(shù)進(jìn)步和船舶電氣化程度的不斷提高，船舶電站容量日益增大，交流電制已在船舶上占有主導(dǎo)地位?，F(xiàn)代船舶基本都使用交流電站，交流電站由多臺(tái)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行供電。為了能夠不間斷的供電，需要進(jìn)行并車、解列的負(fù)荷轉(zhuǎn)移和分配的操作。為了保證船舶電力系統(tǒng)電力質(zhì)量，要提升功率自動(dòng)分配的響應(yīng)速度、提高機(jī)組間功率分配的精度。

本文采用模糊-PID 復(fù)合控制原理，在多機(jī)組并車初時(shí)采用模糊控制，加快負(fù)荷轉(zhuǎn)移速度；當(dāng)多機(jī)組功率分配偏差較小時(shí)，采用PID 控制，通過模糊控制器整定PID 參數(shù)，提高多機(jī)組功率分配精度。

1 傳統(tǒng)船舶電站PID 控制器結(jié)構(gòu)與原理

傳統(tǒng)PID 控制器具有算法簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠性高的特點(diǎn)，是自動(dòng)化船舶電力系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一類控制器。

傳統(tǒng)PID 控制器的輸出量為u(t)，輸入量為e(t)，它們之間的關(guān)系式為

式中u(t)為控制油門大小的模擬量脈沖信號(hào)，e(t)為本機(jī)功率與在網(wǎng)機(jī)組平均功率的功率差，Kp為比例增益，KI為積分增益，KD為微分增益。

傳統(tǒng)PID 控制器通過采集并處理發(fā)電機(jī)組頻率、電壓、電流、功率差信號(hào)，通過PID 計(jì)算后輸出合理的脈沖調(diào)整信號(hào)，以達(dá)到各臺(tái)機(jī)組間功率平衡的目的，保證電力質(zhì)量。

2 模糊-PID 控制器的結(jié)構(gòu)與原理

2.1 模糊控制理論簡(jiǎn)述

模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制。模糊控制是基于豐富操作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出的、用自然語(yǔ)言表述控制策略，或通過大量實(shí)際操作數(shù)據(jù)歸納總結(jié)出的控制規(guī)則，用計(jì)算機(jī)予以實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)控制。它與傳統(tǒng)控制的最大不同，在于不需要知道控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，而需要積累對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制的操作經(jīng)驗(yàn)或數(shù)據(jù)，它是一種非線性控制，屬于智能控制。

2.2 船舶電站模糊-PID 控制器原理

無論經(jīng)典控制理論還是現(xiàn)代控制理論設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，都需要事先知道被控制對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)數(shù)學(xué)模型以及給定的性能指標(biāo)，選擇適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律，進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。然而，在許多情況下被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型很難建立。船舶電站多機(jī)組并車負(fù)荷轉(zhuǎn)移時(shí)，各類參數(shù)多變，要獲得滿意的控制效果，就需要對(duì)PID 的參數(shù)不斷的進(jìn)行在線調(diào)整。由于電壓、電流、頻率、功率變化無常，往往沒有確定不變的數(shù)學(xué)模型和規(guī)律可循，利用模糊控制器調(diào)節(jié)成為一個(gè)可行的選擇。模糊控制器充分利用船舶電力系統(tǒng)操作人員的實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)，充分發(fā)揮PID 控制器的優(yōu)良控制作用，使船舶電力系統(tǒng)達(dá)到最佳的功率分配效果。

以船舶電力系統(tǒng)最常見的雙機(jī)并車，總功率100kW 為例。其單機(jī)功率與在網(wǎng)機(jī)組平均功率差論域X=[-50，50]（kW），功率差變化率論域Y=[-5，5]（kW/t）。使用模糊控制器對(duì)它進(jìn)行調(diào)節(jié)，要求單機(jī)功率與在網(wǎng)機(jī)組平均功率差為0±50kW。采用7 個(gè)等分的三角形模糊子集涵蓋功率變化的范圍：NB（負(fù)大）、NM（負(fù)中）、NS（負(fù)?。?、Z（零）、PS（正?。M（正中）、PB（正大）；采用5 個(gè)等分的三角形模糊子集覆蓋功率變化率的范圍：NB（負(fù)大）、NS（負(fù)?。（零）、PS（正小）、PB（正大）。通過模糊論域取值方法可以得出任意時(shí)刻的功率差及功率差變化率所對(duì)應(yīng)的模糊論域及模糊子集。

2.3 調(diào)節(jié)傳統(tǒng)PID 控制器三個(gè)參數(shù)的模糊規(guī)則

通過多次操作的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)或多次操作的數(shù)據(jù)處理，結(jié)合理論分析可以歸納出功率差e、功率差變化率ec 跟PID 調(diào)節(jié)器的三個(gè)參數(shù)KP、KI、KD間的關(guān)系

（2）當(dāng)5%Pe≤≤20%Pe時(shí)，應(yīng)取較小的KP，這樣可以使負(fù)荷轉(zhuǎn)移響應(yīng)的超調(diào)略小一點(diǎn)；此時(shí)可以適當(dāng)增加KI的取值。

2.4 模糊-PID 控制器結(jié)構(gòu)

圖1 模糊PID 控制器結(jié)構(gòu)圖

把輸入傳統(tǒng)PID 控制器的功率差e 和功率差變化率ec 同時(shí)輸入模糊控制器。分別對(duì)傳統(tǒng)PID 控制器三個(gè)參數(shù)KP、KI、KD進(jìn)行調(diào)節(jié)，把得到的修正量ΔKP、ΔKI、ΔKD輸入到PID 控制器，對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線修正。

3 模糊-PID 控制器在調(diào)試生產(chǎn)中的作用

以船舶電力系統(tǒng)最常見的雙機(jī)并車，總功率100kW 為例。原在網(wǎng)機(jī)組功率由100kW 降至50kW，后并入機(jī)組功率升至50kW。

使用傳統(tǒng)PID 控制器調(diào)節(jié)負(fù)荷轉(zhuǎn)移，如圖2。

圖2 傳統(tǒng)PID 控制器負(fù)荷轉(zhuǎn)移調(diào)整過程

使用模糊-PID控制器調(diào)節(jié)負(fù)荷轉(zhuǎn)移，如圖3。

圖3 模糊PID 控制器負(fù)荷轉(zhuǎn)移調(diào)整過程

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：利用模糊-PID 控制器控制負(fù)荷轉(zhuǎn)移過程，當(dāng)本機(jī)組與在網(wǎng)機(jī)組平均功率差較大時(shí)，有較快的負(fù)荷轉(zhuǎn)移響應(yīng)速度；當(dāng)功率差較小時(shí)，具有較小的超調(diào)量。

4 結(jié)論

本文針對(duì)船舶電站負(fù)荷轉(zhuǎn)移時(shí)傳統(tǒng)PID 控制器初期響應(yīng)慢、后期超調(diào)量大的不足之處，利用模糊控制修正PID 控制器的三個(gè)參數(shù)，以得到較好的響應(yīng)速度及較小的超調(diào)量。

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