基于模糊控制船閘閘門(mén)同步的設(shè)計(jì)

張建平，劉增元，李丹鋒

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120）

0 引言

船閘系統(tǒng)中，閘門(mén)是由左右兩扇門(mén)組成的，選擇其中一扇作為主側(cè)，另一扇為從側(cè)。閘門(mén)運(yùn)動(dòng)時(shí)，主側(cè)閘門(mén)根據(jù)設(shè)計(jì)要求以設(shè)定速度運(yùn)動(dòng)，從側(cè)閘門(mén)也是相同的設(shè)定。但由于自身性能的差異，左右兩扇門(mén)運(yùn)行起來(lái)會(huì)有會(huì)有同步偏差，該偏差可以通過(guò)左右兩側(cè)門(mén)的開(kāi)度儀（位置傳感器）計(jì)算得出，當(dāng)偏差超過(guò)設(shè)定值時(shí)，從側(cè)閘門(mén)加速或者減速，以此保證左右兩扇門(mén)的位置同步。

存在的問(wèn)題是，不同項(xiàng)目中船閘閘門(mén)及液壓?jiǎn)㈤]機(jī)（推動(dòng)閘門(mén)）的設(shè)計(jì)往往也是不同的，所以采用固定參數(shù)的傳統(tǒng)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)同步是不現(xiàn)實(shí)的，實(shí)際中，經(jīng)常是由程序員憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)先預(yù)設(shè)參數(shù)，然后根據(jù)閘門(mén)同步效果不斷修正，這樣導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間長(zhǎng)，而且很大程度上是依賴于個(gè)人理論素養(yǎng)和經(jīng)驗(yàn)的。

模糊控制則不然，它的規(guī)則是依賴于人類經(jīng)驗(yàn)的，可以通過(guò)被控制量誤差的變化及變化率不斷修正輸出值的控制器。這樣如果擁有一個(gè)好的的模糊控制器，即使是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)不怎么豐富的技術(shù)員，也可以很好的在不同系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)控制。

1 閘門(mén)同步控制器的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

模糊控制是以人的控制經(jīng)驗(yàn)為控制的知識(shí)模型，以模糊集合、模糊語(yǔ)言變量以及模糊邏輯推理作為控制算法的數(shù)學(xué)工具，用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種智能控制。模糊控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，主要取決于模糊控制器與人的控制經(jīng)驗(yàn)的符合程度。

閘門(mén)同步控制結(jié)構(gòu)如圖1所示，以雙閉環(huán)控制，外環(huán)為位移環(huán)，內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，其中閘門(mén)的位移是通過(guò)開(kāi)度儀直接檢測(cè)得到的，閘門(mén)速度是通過(guò)液壓的比例泵間接控制，比例泵的流量與閘門(mén)的速度成比例關(guān)系，在圖中以K表示，比例閥自帶閉環(huán)反饋，可以準(zhǔn)確依照指令達(dá)到指定的比例閥開(kāi)度，反饋環(huán)節(jié)在圖中以v’的反饋表示。

運(yùn)行時(shí)，PLC不斷檢測(cè)左右兩扇閘門(mén)的位移，同時(shí)計(jì)算出位移的差值，當(dāng)位移的差值超過(guò)控制的精度要求時(shí)，啟動(dòng)同步糾偏：首先在采樣周期內(nèi)，算出位移差和位移差的變化率，通過(guò)三角隸屬函數(shù)，將位移差和位移差的變化率映射到模糊論域；然后根據(jù)人為制定的IF-THEN規(guī)則，通過(guò)輸入屬于的模糊論域，找到對(duì)應(yīng)的輸出的模糊論域；最后根據(jù)輸出的模糊論域采用重心法反模糊化得到速度要糾偏的量v2。

圖1 閘門(mén)同步控制結(jié)構(gòu)原理圖

1.2 模糊控制器的原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模糊控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，模糊控制器包括輸入量模糊化、模糊推理和解模糊3個(gè)部分。左側(cè)為模糊控制器的兩個(gè)輸入端，右側(cè)為模糊控制器的輸出端，e為兩門(mén)行程的差值，ec為e的一階導(dǎo)數(shù)，采樣周期設(shè)定為1s。E和EC分別是e和ec模糊化后的模糊量；U為模糊控制量，u為U解模糊化后的精確量。K1、K2和K3是量化因子，作用是將輸入的工程量轉(zhuǎn)化到相應(yīng)的模糊論域[-2,2]。根據(jù)控制精度要求，將E、EC和U劃分成五個(gè)檔{-2,-1,0,+1,+2}，每個(gè)檔中采用三角型隸屬度函數(shù)，從大到小為PB、PS、Z、NS和NB。

圖2 模糊控制器基本結(jié)構(gòu)

模糊推理是模糊控制器的核心部分，采用模糊IF- THEN規(guī)則庫(kù)便于PLC編程實(shí)現(xiàn)，同時(shí)規(guī)則庫(kù)的建立是基于成熟的控制經(jīng)驗(yàn)上建立的。建立的規(guī)則表如表1所示，其中左下邊豎列的是EC的論域，右上橫排的是E的論域。

表1 規(guī)則庫(kù)

實(shí)際工作中，為了保證E、EC和u的量程為定值，需要尺度轉(zhuǎn)換，如設(shè)：e的范圍為[m,n]，E的范圍為[x,y],則K1的值為(y-x)/ (n-m),轉(zhuǎn)換時(shí)，E=e*K1。計(jì)算原理為，設(shè)E屬于NB的隸屬度為a，屬于NS的隸屬度為b，EC屬于NB的隸屬度為c，屬于NS的隸屬度為d。則根據(jù)規(guī)則庫(kù)匹對(duì)可得，U屬于PB的隸屬度為a*c+a*d+b*d，屬于PS的隸屬度為b*c。得到U的論域和隸屬度后，采用重心法去模糊化得到控制變量u。方法為：U為隸屬度α的PB，和隸屬度β的PS，則去模糊化有α’=α/(α+β),β’=α/(α+β),u=α’*PB’+β’*PS’，其中PB’和PS’分別為PB和PS的中心值。

2 模糊控制閘門(mén)同步的PLC實(shí)現(xiàn)

模糊控制器IF-THEN的推理方式便于PLC用梯形圖實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)IF-THEN相比，特殊之處在于在模糊接口的處理，判斷之前需要將左右閘門(mén)的行程差模糊化處理，在得到所需的量后需要將被控變量反模糊化處理。

實(shí)現(xiàn)時(shí)，首先PLC在每個(gè)采樣周期點(diǎn)計(jì)算對(duì)e和ec，并對(duì)計(jì)算出的e進(jìn)行上下限判斷，如果e超過(guò)上下預(yù)警限時(shí)就啟動(dòng)模糊控制，對(duì)e和ec轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的E和EC，再用E和EC的所屬的閾值與規(guī)則庫(kù)去匹對(duì)，按照IF-THEN的規(guī)則庫(kù)找到對(duì)應(yīng)的U后，將U反模糊化就得到所需的控制量。

舉例來(lái)說(shuō)：如e的工程范圍為[-30,30]，ec工程的范圍為[-5，5],某一次計(jì)算得到e為8，ec為3，e的警戒值為±5，e已經(jīng)超過(guò)警戒值啟動(dòng)糾偏程序。則首先對(duì)e和ec進(jìn)行歸一化和模糊化：，E隸屬于Z的程度為0.47，屬于PS的程度為0.53，EC隸屬于PS的程度為0.8，隸屬于PB的程度為0.2。然后進(jìn)行模糊化推理：根據(jù)表一的規(guī)則對(duì)應(yīng)出U，0.47*0.8的NB，0.47*0.2的NB，0.53*0.8的NS和0.53*0.2的Z。然后對(duì)U反模糊化處理，即0.47*（-2）+0.53*0.8*（-1）=-1.356。如果調(diào)速范圍為[-500,500]則對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)量為。如此得到所需的控制量，應(yīng)該給右側(cè)比例泵減小0.339的開(kāi)度。程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)，可以用PLC中的ST指令來(lái)判斷，部分實(shí)現(xiàn)方法如圖3所示。其中圖3（a）啟動(dòng)糾偏程序后，根據(jù)e的大小進(jìn)入相應(yīng)的模糊域（D1和D2）及其隸屬度（A1和A2），對(duì)ec也進(jìn)行類似的處理；圖3（b）中根據(jù)E和EC屬于的模糊域進(jìn)行規(guī)則匹對(duì)得出U的模糊域隸屬度（U1）。編程過(guò)程中由于規(guī)則配對(duì)數(shù)比較多可以采用調(diào)用子程序的方式實(shí)現(xiàn)。

圖3 模糊化及規(guī)則匹對(duì)

3 結(jié)束語(yǔ)

模糊控制屬于模糊數(shù)學(xué)和自動(dòng)化領(lǐng)域的交集，整體框架是按自動(dòng)化要求來(lái)的，如控制對(duì)象的分析，系統(tǒng)設(shè)計(jì)，模糊數(shù)學(xué)在其中的地位是指導(dǎo)相關(guān)參數(shù)隨著被控變量變化而變化，而且這種變化是基于人類經(jīng)驗(yàn)的。在這里，模糊控制器是不斷對(duì)閘門(mén)同步差進(jìn)行采樣和計(jì)算，根據(jù)人類的經(jīng)驗(yàn)（規(guī)則庫(kù)）指導(dǎo)參數(shù)變化。所以模糊控制閘門(mén)同步的性能取很大程度決于規(guī)則表的設(shè)定，而規(guī)則表是依賴于人去設(shè)定的，所以在控制器實(shí)現(xiàn)初期需要有經(jīng)驗(yàn)豐富的人士，在設(shè)計(jì)初期可以先將輸入變量的模糊論域劃分粗略一下，如果效果良好可以不斷細(xì)分論域和規(guī)則這樣得到的控制變量就不斷精確。

設(shè)計(jì)好后的控制器，今后使用到其他閘門(mén)同步項(xiàng)目中，一般情況下只要將工程量和模糊量的尺度變化值更改一下，不用更改規(guī)則庫(kù)就能達(dá)到很好的效果，大大體現(xiàn)了智能控制的優(yōu)越性。

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