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:本文詳細介紹了核電站穩(wěn)壓器的結構及功能,穩(wěn)壓原理,數(shù)學模型及其控制系統(tǒng)。研究核電站穩(wěn)壓器的數(shù)學模型的建立以及將模型用于穩(wěn)壓器液位的模糊控制。本文在合理的假設下建立較為精確的模型,并應用模糊控制的策略對穩(wěn)壓器的液位進行智能控制。
關鍵詞:模糊控制;液位控制;仿真
本文研究對象為核電站穩(wěn)壓器,通過在100%的工況下改變波動水流量、噴淋水流量、加熱器加熱功率以及安全閥排放流量,來分析穩(wěn)壓器中水位的瞬態(tài)特性。
2.1概述
模糊控制是一種運用模糊數(shù)學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象模型建立的精確程度。傳統(tǒng)的控制策略對于那些有精確模型的控制對象具有良好的控制效果,而對于無法建立精確模型的控制對象就顯得不盡理想了。所以,人們便引用了模糊數(shù)學的方法來對這種沒有精確模型的對象做模糊控制。
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一個控制模型來說是至關重要的。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之后,就要按照控制對象和經(jīng)驗寫出變量的控制規(guī)則,在制作成模糊控制規(guī)則前,要對控制變量進行變量空間的模糊劃分。變量空間劃分時各個不同區(qū)域之間的重合程度對控制有很大的影響。但不同區(qū)域的劃分并沒有一個確定的規(guī)則,一般都是通過實驗和模擬進行區(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應著控制規(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)。一個隸屬函數(shù)對應著一個模糊集合,一個模糊集合只有一個隸屬函數(shù)與之對應。不同的模糊控制構架是由語言變量和相應的隸屬函數(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)專家的經(jīng)驗和知識。通過向專家詢問經(jīng)驗知識,在獲得相關的知識后,將所獲知識改為if….then的句式,就構成了模糊控制規(guī)則;第二種,操作員的操作模式,在很多工業(yè)系統(tǒng)無法通過控制系統(tǒng)做出正確的控制的情況下,熟練的操作員可以在沒有數(shù)學模型的基礎上正確的對系統(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,也可構成模糊控制的控制規(guī)則;第三種,學習。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習能力,使其可以根據(jù)控制對象對自身的模糊控制規(guī)則進行修改。
2.5模糊自適應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象為基礎的。
隨著計算機技術的發(fā)展與應用,我們可以將操作員的操作模式作為數(shù)據(jù)儲存在電腦里,再根據(jù)現(xiàn)場的實際情況,計算機便可以自動的控制工業(yè)系統(tǒng),于是便出現(xiàn)了自適應PID控制。這種PID控制將先進的專家系統(tǒng)控制與傳統(tǒng)的PID控制相結合,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象的精確模型,根據(jù)模型將操作員的操作模式轉化為語言模型,然后運用推理就可以實驗對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言來表示,控制過程中的各種信號量難以定量的進行表示,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)則來表示,同時把這些模糊規(guī)則和相關的信息儲存在計算機的知識庫里,然后計算機根據(jù)控制對象的實際響應應用計算機中的模糊推理,就實現(xiàn)了對PID參數(shù)的調(diào)整,這就是模糊自適應PID控制。
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PID的三個參數(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仿真結果
該控制模型可以實現(xiàn)對噴淋量擾動和電加熱器功率擾動的同時控制。首先我們給定初始水位為1的階躍,但不給任何擾動。實驗進行300s,響應曲線如圖 1所示。
行有擾動的響應曲線時,在100s時給噴淋量一個階躍擾動,在200s時給加熱量一個階躍擾動,其響應曲線如圖2所示。
從圖中可見100s時有一個明顯擾動,后曲線平穩(wěn)。200s時曲線有一個很微小的擾動,后曲線平穩(wěn)。該微小擾動為電加熱器功率的擾動,擾動較小的原因為電加熱器功率的改變對水位的影響較小,模型中其傳遞函數(shù)特別小。
本章主要介紹了模糊控制的方法,模糊控制自適應PID的控制。并應用模糊控制的方法在simulink平臺上搭建仿真模型進行仿真。從仿真的結果可以看出:
(1)采用模糊控制能達到控制穩(wěn)壓器水位的效果。
(2)模糊水位控制具有以下優(yōu)點,其振蕩小,調(diào)節(jié)時間短,使系統(tǒng)調(diào)節(jié)更穩(wěn)更準更快。實現(xiàn)穩(wěn)壓器穩(wěn)定運行。
(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