智能PID控制器在船舶發(fā)電機電壓控制中的應(yīng)用

付亮

摘 要：應(yīng)對船舶發(fā)電機在發(fā)生負荷突變，特別是大負荷突變之時，實現(xiàn)對發(fā)電機端電壓值的有效穩(wěn)定，是控制系統(tǒng)所亟需解決的一項基礎(chǔ)問題。對此本文就提出并應(yīng)用了一種新型的智能PID控制器系統(tǒng)，其中PID控制器主要采用三層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，借助于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學習能力，PID控制器的參數(shù)可依據(jù)系統(tǒng)動態(tài)特性通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)自行調(diào)節(jié)，其主要的特點為結(jié)構(gòu)簡易、運行穩(wěn)定。依據(jù)仿真實例驗證表明，此智能PID控制器相較于傳統(tǒng)同類控制器而言在擾動相應(yīng)速度與控制效果方面均得到極為明顯的提升，可有效穩(wěn)定船舶發(fā)電機端電壓。

關(guān)鍵詞：PID控制器；船舶；發(fā)電機電壓；勵磁系統(tǒng)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

船舶電力系統(tǒng)最為突出的一個特點即為發(fā)電機容量相對偏小，而負載的容量則較大；多臺機組所并聯(lián)工作，并聯(lián)與解列轉(zhuǎn)換起來十分頻繁，由此也就導(dǎo)致了船舶電站的運行工作成為了一個動態(tài)化演變的過程，難以實現(xiàn)真正的穩(wěn)態(tài)過程。在進行系統(tǒng)設(shè)計之時，時常會遭遇到非線性動態(tài)問題，依據(jù)智能控制理論來開展控制器的設(shè)計工作，將會使得其優(yōu)勢特點極大的體現(xiàn)出來。據(jù)此，下文將就智能PID控制器在傳播發(fā)電機電壓控制中的具體應(yīng)用展開深入的探討。

一、電力控制系統(tǒng)及智能PID控制器概述

電力系統(tǒng)控制是一項十分繁雜的控制問題。目前所現(xiàn)有的控制方法主要就包括了線性最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、H∞魯棒控制、智能控制等。近些年來又涌現(xiàn)出來了模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法以及DNA算法等智能技術(shù)所集成出的混合智能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)當中也有所應(yīng)用。混合智能系統(tǒng)通過對各類智能技術(shù)特點的應(yīng)用，例如對模糊邏輯的知識表達與推理能力應(yīng)用，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識獲取、學習及適應(yīng)與容錯能力，以及遺傳算法的優(yōu)化能力等，將這些諸多的能力進行有效的結(jié)合，從而為電力系統(tǒng)大量問題的解決提供以有效的手段方法。

當前在船舶電力系統(tǒng)勵磁回路之中所普遍應(yīng)用的是傳統(tǒng)的PID控制手段，而這一控制手段的優(yōu)勢即為：對數(shù)學模型沒有較高的要求、控制算法的整體結(jié)構(gòu)也較為簡易、實現(xiàn)方式較為簡便，同時也較易成熟，設(shè)計人員應(yīng)用起來十分簡便?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊自適應(yīng)PID控制方案，一方面通過應(yīng)用模糊邏輯概念與非線性處理方式，另一方面則通過應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學習能力與任意函數(shù)的接近能力，將此兩者進行適當?shù)慕Y(jié)合從而獲得最為有效的PID非線性組合控制規(guī)律，進而達成對未知對象予以在線控制的目的。

二、系統(tǒng)構(gòu)成

為了處理船舶發(fā)電機在符合發(fā)生改變特別是大負荷改變之時，可以更加有效的應(yīng)對發(fā)電機一端的電壓問題，便設(shè)計出了一類架構(gòu)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之上的自適應(yīng)智能PID控制設(shè)備，通過應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學習能力，PID控制設(shè)備的可依據(jù)系統(tǒng)動態(tài)化特點來經(jīng)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)予以自主調(diào)節(jié)，智能PID控制器則是通過三層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成，主要的特點即為結(jié)構(gòu)簡便、工作穩(wěn)定，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由以下四部分構(gòu)成：

1）傳統(tǒng)PID控制器：由PID控制器與發(fā)電機所共同組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，PID闡述通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來達成實時調(diào)節(jié)。

2）量化模糊：針對系統(tǒng)所出現(xiàn)的各種變量因素采取模糊處理。

3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NN1：（下圖1）采取系統(tǒng)辨識，給予NN2創(chuàng)造以具體的發(fā)電機組動態(tài)過程信息。

4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NN2：獲得系統(tǒng)最優(yōu)化控制后的PID控制器參數(shù)信息。

三、仿真實例分析

將某大型集裝箱船舶發(fā)電機系統(tǒng)作為研究對象展開仿真探究，船舶的發(fā)電機組為了獲取到系統(tǒng)訓(xùn)練數(shù)據(jù)，針對此集裝箱船的船舶發(fā)電機實際系統(tǒng)首先采取常規(guī)建模，將相關(guān)的系統(tǒng)輸入及輸出數(shù)據(jù)進行明確的記錄，同時將相關(guān)的數(shù)據(jù)內(nèi)容充當為對智能PID控制器進行訓(xùn)練的樣本。將實際船舶的具體數(shù)據(jù)與《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》將主要發(fā)電機的動態(tài)電壓改變情況以及靜態(tài)電壓的改變情況要求作為主要依據(jù)來就智能PID控制器的應(yīng)用效果予以評判，主發(fā)電機驟然增加或減少50%的負載，其發(fā)電機的動態(tài)電壓變化情況應(yīng)當處于±15%之內(nèi)，待電壓值恢復(fù)正常后，在1.5s之內(nèi)，靜態(tài)電壓的變化情況應(yīng)回歸到±2.5%之內(nèi)。

突然卸載50%的負載電壓，其仿真曲線詳見下圖2。觀察下圖2的仿真結(jié)果：在突然卸載了50%的負載以后，發(fā)電機的動態(tài)電壓最大值升高到了490V，其變化率約為+9%，并可在0.17s之內(nèi)達到穩(wěn)定范圍，主發(fā)電機的靜態(tài)電壓改變情況低于2.5%，并完全符合標準要求。

突然增加50%的負載電壓，其仿真曲線詳見下圖3，。觀察圖3的放著結(jié)果：在突然增加了50%的負載之后，發(fā)電機動態(tài)電壓的最低值將達到410V，其變化率約為-9%，在0.17s之內(nèi)可達到穩(wěn)定范圍，主發(fā)電機的靜態(tài)電壓改變情況低于2.5%，并完全符合標準要求。

依據(jù)對上圖2、圖3的觀察可知，此智能PID控制器具備較為良好的控制效果及魯棒性，完全符合標準規(guī)范的要求以及實際船舶測量所得到的具體數(shù)據(jù)信息。

結(jié)束語

在船舶發(fā)電機端的電壓是通過勵磁控制系統(tǒng)來使之趨向于穩(wěn)定的，發(fā)電機與勵磁控制系統(tǒng)均為極其復(fù)雜的非線性動態(tài)化系統(tǒng)。在本次研究中所提出的智能PID控制器設(shè)備能夠直接改善船舶發(fā)電機在負荷發(fā)生改變特別是大負荷改變之時，可對發(fā)電機一端的電壓值起到良好的穩(wěn)定作用。其主要的特點為結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定，通過對仿真實例的分析，可得出此控制器對系統(tǒng)擾動的反應(yīng)速度較快，同時其控制效果也較為良好，基于負載變化之時，可以對穩(wěn)定發(fā)電機一端的電壓值起到較好的穩(wěn)定效果。相信隨著有關(guān)智能PID控制器研究的不斷深入，其必將在智能船舶的發(fā)展過程中發(fā)揮出越來越重要的作用價值。

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