電氣工程與自動(dòng)化畢業(yè)論文船舶柴油機(jī)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)</p><p>　　船舶柴油機(jī)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專(zhuān)業(yè)班級(jí) 電氣工程與自動(dòng)化 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) &

2、lt;/p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱(chēng) </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，柴油機(jī)的調(diào)速器開(kāi)始由傳統(tǒng)的機(jī)械式調(diào)速器向電子調(diào)速器方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)外

3、相繼開(kāi)發(fā)了多種電子調(diào)速系統(tǒng)。這些調(diào)速系統(tǒng)大都采用PID控制技術(shù)，它雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠穩(wěn)定等特點(diǎn)，但它常不能有效克服負(fù)載、模型參數(shù)的大范圍變化及其非線(xiàn)性因素的影響，因此它不能保證柴油機(jī)在任何工況下都以較優(yōu)的性能運(yùn)行。</p><p>　　本文設(shè)計(jì)了比較先進(jìn)的柴油機(jī)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)并進(jìn)行了軟件仿真。首先搭建了合適的被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型，為控制方法的設(shè)計(jì)與仿真提供了一個(gè)基礎(chǔ)。然后進(jìn)行了傳統(tǒng)的PID控制和模糊控制的研究，在分

4、析了傳統(tǒng)PID控制算法和模糊控制算法的基礎(chǔ)上，針對(duì)兩種方法中存在的不足，將兩種方法綜合起來(lái)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，提出一種比較完善的模糊-PID控制器參數(shù)自整定算法，建立了智能的模糊自整定PID控制器，實(shí)現(xiàn)了PID控制參數(shù)的在線(xiàn)自整定。最后利用MATLAB/SIMULINK軟件進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，柴油機(jī)的控制效果得到了顯著的提高，特別是在克服擾動(dòng)(負(fù)荷變化)方面效果明顯。</p><p>　　關(guān)鍵詞:船舶柴油機(jī)；調(diào)

5、速器；數(shù)學(xué)模型；PID控制；模糊控制</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　With the development of automatic control technique, the governor of diesel engine is developing from mechanical governor to elec

6、tronical governor, many kinds of electronical governors have been developed. Many of these governors adopt traditional PID as control rule. The traditional PID controller has many good characters, such as simple structur

7、e, high reliability and stability, but it cannot satisfy the control requirement at every work condition.</p><p>　　This article designs more advanced diesel engine automatic speed control system and a softwa

8、re simulation. First builds a mathematical model of controlled object suitable for control design and simulation provides a foundation. Followed by a traditional PID control and fuzzy control study, the analysis of the t

9、raditional PID control algorithm and fuzzy control algorithm based on two methods for the shortcomings, the two methods together, learn from each other, put forward a more improve the fuzz</p><p><b>　　

10、朗讀</b></p><p>　　顯示對(duì)應(yīng)的拉丁字符的拼音</p><p><b>　　字典</b></p><p>　　Key Words: marine diesel engine; governor; mathematical model; PID control; fuzzy control</p><p

11、><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1課題的背景及意義1</p><p>　　1.2柴油機(jī)數(shù)字式調(diào)速技術(shù)的發(fā)展1</p><p>　　1.3主要研究?jī)?nèi)容2</p><p>　　第2章 調(diào)速系統(tǒng)數(shù)

12、學(xué)模型的建立4</p><p>　　2.1 柴油機(jī)數(shù)學(xué)模型4</p><p>　　2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模型5</p><p>　　2.3轉(zhuǎn)速檢測(cè)單元模型5</p><p>　　2.4船舶主機(jī)簡(jiǎn)化模型6</p><p>　　第3章 PID控制技術(shù)7</p><p>　　3.1 傳統(tǒng)的模擬

13、PID控制器7</p><p>　　3.1.1比例作用7</p><p>　　3.1.2積分作用7</p><p>　　3.1.3微分作用8</p><p>　　3.2數(shù)字PID控制器8</p><p>　　3.2.1位置式PID控制算法8</p><p>　　3.2.2增量式PID

14、控制算法9</p><p>　　第4章 模糊控制技術(shù)10</p><p>　　4.1模糊控制器10</p><p>　　4.1.1.精確量的模糊化10</p><p>　　4.1.2.輸入輸出空間的模糊分割11</p><p>　　4.1.3.模糊控制器的控制規(guī)則11</p><p>

15、;　　4.1.4.輸出量的去模糊化12</p><p>　　4.2 Matlab中的模糊控制器仿真設(shè)計(jì)方法12</p><p>　　4.2.1 Fuzzy Toolbox的主要功能12</p><p>　　4.2.2定義輸入輸出變量13</p><p>　　4.2.3定義語(yǔ)言變量隸屬函數(shù)13</p><p>

16、　　4.2.4定義模糊控制規(guī)則13</p><p>　　4.2.5輸出預(yù)覽13</p><p>　　第5章自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其仿真14</p><p>　　5.1 基于PID控制的船舶柴油機(jī)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)14</p><p>　　5.1.1 PID控制參數(shù)的整定14</p><p>　　5.1.2 PID調(diào)

17、速系統(tǒng)仿真模型的建立14</p><p>　　5.2 基于模糊-PID控制的船舶柴油機(jī)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)14</p><p>　　5.2.1 PID控制器參數(shù)的模糊調(diào)整原理14</p><p>　　5.2.2 PID控制器參數(shù)的模糊調(diào)整經(jīng)驗(yàn)知識(shí)15</p><p>　　5.2.3 PID參數(shù)模糊調(diào)整規(guī)則的確立16</p>

18、<p>　　5.2.4模糊-PID控制的調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的建立18</p><p>　　5.3仿真軟件簡(jiǎn)介20</p><p>　　5.4控制系統(tǒng)的仿真對(duì)比研究21</p><p><b>　　小結(jié)23</b></p><p><b>　　致謝24</b></p>

19、<p><b>　　參考文獻(xiàn)25</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1課題的背景及意義</p><p>　　柴油機(jī)的歷史已經(jīng)有百年之久了，它的效率高，功率范圍廣，適應(yīng)性好。目前在工業(yè)上的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，而且在今后的較長(zhǎng)一段時(shí)間也降繼續(xù)保持這樣的地位。隨著科學(xué)技術(shù)的

20、不斷進(jìn)步，柴油機(jī)的技術(shù)水平出現(xiàn)過(guò)三次飛躍：第一次飛躍是20世紀(jì)20年代，采用了機(jī)械噴射式供油系統(tǒng)，淘汰了原來(lái)的蓄壓式供油系統(tǒng)；第二次飛躍是20世紀(jì)50年代采用了增壓技術(shù)；第三次飛躍是20世紀(jì)80年代應(yīng)用了電子控制技術(shù)。隨著石油資源的日益短缺，在提高柴油機(jī)的動(dòng)力性能的同時(shí)降低排放是將來(lái)主要的發(fā)展方向，然而在其它條件基本相同的情況下，充分發(fā)揮柴油機(jī)的動(dòng)力性能必須借助于先進(jìn)的調(diào)節(jié)控制技術(shù)。而調(diào)速系統(tǒng)作為柴油機(jī)調(diào)節(jié)控制的核心，其不斷發(fā)展和進(jìn)步在

21、柴油機(jī)發(fā)展過(guò)程中扮演著重要的角色。</p><p>　　隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)不斷增長(zhǎng)和不斷全球化，船舶航運(yùn)事業(yè)不斷發(fā)展，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位不斷提高。而大部分船舶的主動(dòng)力都采用柴油機(jī)。目前在用的大部分20年前的船舶上大都采用機(jī)械液壓式調(diào)速器，采用這種調(diào)速器，調(diào)控水平較低，很難兼顧柴油機(jī)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)指標(biāo)、怠速和負(fù)載性。然而采用先進(jìn)的數(shù)字是調(diào)速器可以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)全自動(dòng)的控制調(diào)速，在不同的運(yùn)行條件下自動(dòng)調(diào)節(jié)最佳的參數(shù)，以適應(yīng)不

22、同的工況。在國(guó)外，一些企業(yè)早在20世紀(jì)80年代末，已將裝有微處理器的數(shù)字式電子調(diào)速器投入了實(shí)際應(yīng)用，例如日本的NABCO、挪威NORCON公司的DGS8800e型。如今，高壓電控燃油噴射技術(shù)也已進(jìn)入實(shí)用階段?？梢?jiàn)國(guó)內(nèi)的調(diào)速技術(shù)發(fā)展相對(duì)滯后，應(yīng)當(dāng)加快步伐，發(fā)展先進(jìn)的柴油機(jī)調(diào)控技術(shù)，利用微電子技術(shù)，即采用數(shù)字式電子調(diào)速器取代機(jī)械液壓式調(diào)速器，整體升級(jí)我國(guó)船舶柴油機(jī)的技術(shù)，提升我國(guó)船舶事業(yè)的整體水平。</p><p>

23、　　本課題正是在這樣的背景下提出的，為提高船舶柴油機(jī)的調(diào)速性能，將數(shù)字式電子調(diào)速器應(yīng)用到柴油機(jī)的自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)中去，并使用MATLAB實(shí)現(xiàn)仿真，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)研究發(fā)展打下基礎(chǔ)。</p><p>　　1.2柴油機(jī)數(shù)字式調(diào)速技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　目前，國(guó)外主要有兩種柴油機(jī)調(diào)速控制算法的研究，一種是對(duì)傳統(tǒng)PID控制算法的改進(jìn)，如將模糊控制、自適應(yīng)控制理論引進(jìn)對(duì)PID參數(shù)的整定，動(dòng)穩(wěn)態(tài)模式分離

24、、分段PID控制等等；另一種是對(duì)先進(jìn)算法的研究應(yīng)用，如自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、預(yù)測(cè)控制等。但實(shí)際應(yīng)用的還只有經(jīng)典PID控制，模糊PID和自適應(yīng)控制，其他的智能算法還未實(shí)際應(yīng)用到工程中。</p><p>　　六十年代，美國(guó)WOODWARD公司利用電子技術(shù)推出了一種全新的調(diào)速器，即2301/EG3P型電液調(diào)速器。它由三個(gè)基本部分組成：轉(zhuǎn)速傳感器、電子控制器和電液執(zhí)行器。該調(diào)速器的轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)采用了非接觸式磁電傳感器

25、，通過(guò)頻率電壓轉(zhuǎn)換器得到轉(zhuǎn)速值?？刂撇糠植捎昧四M電子線(xiàn)路組成的PID調(diào)節(jié)器，由其輸出電信號(hào)驅(qū)動(dòng)電液執(zhí)行器，以輸出機(jī)械角位移，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)噴油泵齒條運(yùn)動(dòng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)供油量與外界負(fù)載變化相適應(yīng)，達(dá)到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的目的。隨著數(shù)字集成電路以及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，自八十年代以來(lái)，又出現(xiàn)了以微處理器為控制器核心的第四代調(diào)速器—數(shù)字式電子調(diào)速器。在數(shù)字式電子調(diào)速器中，控制器由專(zhuān)門(mén)的控制用微處理器和一系列輸入、輸出接口電路所構(gòu)成。</p>&l

26、t;p>　　目前世界上中低成本的數(shù)字式電子調(diào)速器的開(kāi)發(fā)研究與應(yīng)用，仍是電控噴油系統(tǒng)研究的一個(gè)重要方向。這類(lèi)調(diào)速器的代表性產(chǎn)品主要有：挪威NORCON公司用于低速船用柴油機(jī)上的DGS8800e調(diào)速系統(tǒng)、德國(guó)MTU公司用于高中速柴油機(jī)上的8082電子調(diào)速器、德國(guó)HEINZMANN公司的E100/E200數(shù)字式電子調(diào)速器、日本石川芝浦機(jī)械公司的DELCOS帶微處理器電子調(diào)速器以及美國(guó)CATERPILLAR牽引機(jī)公司的PEEC(柴油機(jī)電子

27、控制裝置)、WOODWARD公司的723數(shù)字式電子調(diào)速器等等。</p><p>　　國(guó)外對(duì)于柴油機(jī)仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究也給予了很大重視。由于系統(tǒng)仿真的設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，而且可以考核電子調(diào)速器與多種發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配性能，因此很快被國(guó)外眾多電子調(diào)速器生產(chǎn)公司采用，并研制出各自的仿真試驗(yàn)裝置。頗具代表性的有美國(guó)WOODWARD公司AK6型電子調(diào)速器試驗(yàn)裝置，日本NABCO公司的數(shù)字式電子調(diào)速器試驗(yàn)裝置，德國(guó)的Iserman

28、n等人開(kāi)發(fā)出的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的增壓柴油機(jī)模型的HIL仿真系統(tǒng)用于柴油機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試等。</p><p>　　從世界的先進(jìn)水平來(lái)看，用于大功率柴油機(jī)的數(shù)字式電子調(diào)速系統(tǒng)，其控制器的核心己開(kāi)始采用32位的CPU，這將為復(fù)雜控制算法及功能擴(kuò)展的實(shí)現(xiàn)打下了良好的硬件基礎(chǔ)。另外，就其控制功能來(lái)看，除了原有的調(diào)速功能之外，某些數(shù)字式電子調(diào)速器已具備負(fù)荷控制、水溫限制、油量限制、增壓器控制、供油提前角控制以及控制系統(tǒng)的故

29、障檢測(cè)和故障保護(hù)等功能。使柴油機(jī)的電子控制由單任務(wù)控制到多任務(wù)控制，進(jìn)而發(fā)展到柴油機(jī)數(shù)字化的全電子控制。</p><p>　　我國(guó)由于電控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的時(shí)間相對(duì)比較晚。八十年代初，成都儀表廠(chǎng)引進(jìn)德國(guó)HEINZMANN公司生產(chǎn)許可證開(kāi)始了柴油機(jī)電子調(diào)速器的研究。因此技術(shù)水平相對(duì)于世界水平還存在一定的差距。但是在部分研究?jī)?nèi)容上(如控制算法等)達(dá)到或接近了國(guó)外的水平。上世紀(jì)80年代末，交通部上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所研制成功了

30、中國(guó)第一臺(tái)PD-1型電子調(diào)速器，其功能和性能指標(biāo)基本上達(dá)到了德國(guó)同類(lèi)型的產(chǎn)品水平。在數(shù)字式電子調(diào)速器方面，從九十年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)許多科研院所相繼開(kāi)展了這方面研究工作。哈爾濱工程大學(xué)研制出一種基于8088CPU用于中高速柴油電站的數(shù)字式電子調(diào)速器。該調(diào)速器除了能保證高精度的轉(zhuǎn)速有差或無(wú)差調(diào)節(jié)外，還可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力、溫度等參數(shù)對(duì)柴油機(jī)工況的限制，轉(zhuǎn)速和負(fù)荷限制，系統(tǒng)各運(yùn)行和狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)與指示，調(diào)速系統(tǒng)與其它設(shè)備的信息交換以及故障診斷，安全保

31、護(hù)等多種附加功能。目前，清華大學(xué)己經(jīng)將嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)用于汽車(chē)電子控制中，并自主研制出基于OSEK/VDX標(biāo)準(zhǔn)的PowerOSEK嵌入式操作系統(tǒng)。清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、天津大學(xué)等國(guó)內(nèi)高校都在柴油機(jī)高壓共軌式控制系統(tǒng)方面進(jìn)行了研究并取得了一定的成果。哈爾濱工程大學(xué)研</p><p><b>　　1.3主要研究?jī)?nèi)容</b></p><p>　　柴油機(jī)數(shù)字式電子調(diào)速技

32、術(shù)涉及的內(nèi)容相當(dāng)廣泛，不僅包括控制原理、信號(hào)處理等理論研究?jī)?nèi)容，還包括硬件合理配置、軟件編制、配機(jī)試驗(yàn)等大量的工程實(shí)際問(wèn)題。本人通過(guò)查閱大量有關(guān)調(diào)速器和自動(dòng)控制方面的文獻(xiàn)資料，對(duì)目前數(shù)字式電子調(diào)速器的技術(shù)現(xiàn)狀也有了一定的了解：</p><p>　　1. 柴油機(jī)數(shù)字式電子調(diào)速技術(shù)不是簡(jiǎn)單地用數(shù)字控制代替以往的模擬控制，而是要充分發(fā)揮數(shù)字控制可實(shí)現(xiàn)智能控制的潛力；要考慮柴油機(jī)特殊的動(dòng)態(tài)特性，靈活運(yùn)用數(shù)字控制的設(shè)計(jì)理論

33、和方法。</p><p>　　2. 船舶柴油機(jī)運(yùn)行工況變化范圍較大，由于常規(guī)PID控制器控制參數(shù)的固定不能很好適應(yīng)各種工況。因此，有關(guān)于智能PID控制算法的研究成為這一工作的關(guān)鍵。</p><p>　　因此，本文將利用仿真軟件，對(duì)目前常用的幾種控制算法的作一番研究學(xué)習(xí)。全文共分五章，內(nèi)容安排如下：</p><p>　　第1章，先概述國(guó)內(nèi)外柴油機(jī)調(diào)速控制的發(fā)展歷史及當(dāng)

34、前PID控制算法的研究現(xiàn)狀，給出本文的研究?jī)?nèi)容。</p><p>　　第2章，在深入了解柴油機(jī)結(jié)構(gòu)和原理的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)仔細(xì)研究最終，建立合適的船舶柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　第3章，詳細(xì)介紹傳統(tǒng)PID控制算法及其控制器設(shè)計(jì)理論，為后面的自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作做鋪墊。</p><p>　　第4章，系統(tǒng)論述了模糊控制算法及其控制器設(shè)計(jì)方法，為下一步研究

35、做好準(zhǔn)備。</p><p>　　第5章，結(jié)合前面的論述知識(shí)，利用前人對(duì)PID參數(shù)的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)，先后設(shè)計(jì)了單純PID自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)和基于模糊-PID控制器的柴油機(jī)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)，最后進(jìn)行仿真對(duì)比研究，得出結(jié)論。</p><p>　　第2章 調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立</p><p>　　要建立合適的自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)，首先要建立合適的數(shù)學(xué)模型。柴油機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主要由柴油機(jī)、調(diào)速器、

36、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)速檢測(cè)單元組成。對(duì)于柴油主機(jī)這樣一個(gè)比較復(fù)雜的控制對(duì)象進(jìn)行建模是比較困難的，因?yàn)樗P(guān)系到柴油機(jī)汽缸內(nèi)部的狀態(tài)與燃燒過(guò)程、船舶本體狀態(tài)與航行條件等多方面因素，尤其是目前還有許多內(nèi)在機(jī)理不清楚。一般來(lái)說(shuō)，建立模型可以通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)或參數(shù)估算方法來(lái)進(jìn)行，但在測(cè)試條件與測(cè)試技術(shù)尚不具備的條件下，為了對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行初步的分析和研究，筆者在工程允許的范圍內(nèi)，通過(guò)分析法建立了一個(gè)簡(jiǎn)化的機(jī)理數(shù)學(xué)模型。本人經(jīng)過(guò)分析思考將柴油機(jī)、軸系、螺旋槳

37、三者一體化柴油機(jī)模型作為船舶主機(jī)系統(tǒng)的被控對(duì)象。該被控對(duì)象的輸入量是燃油泵齒條的位移信號(hào)，輸出量為裝置的轉(zhuǎn)速。明確了對(duì)象輸入量和輸出量之后，就要找出兩者之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。</p><p>　　2.1 柴油機(jī)數(shù)學(xué)模型</p><p>　　經(jīng)過(guò)參考，確定了柴油機(jī)的一體化數(shù)學(xué)模型以柴油機(jī)、螺旋槳、軸系及必要的中間變量的數(shù)學(xué)表達(dá)式為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行推導(dǎo)。</p><p>　　

38、近似認(rèn)為柴油機(jī)發(fā)出的扭轉(zhuǎn)力矩是其供油量Q和輸出轉(zhuǎn)速n的函數(shù)。則有：</p><p><b>　　（2-1）</b></p><p>　　柴油機(jī)的供油量Q是柴油機(jī)和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速n和燃油泵齒條行程s有關(guān)系，其供油變化量以△Q表示，則：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　螺

39、旋槳的阻力矩從是柴油機(jī)轉(zhuǎn)速n與外界負(fù)荷擾動(dòng)￡及螺矩角a的函數(shù)。由于固定螺矩螺旋槳的螺矩角a為常數(shù)，則有：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　柴油主機(jī)軸系運(yùn)動(dòng)方程可以直接根據(jù)達(dá)蘭培爾定律寫(xiě)出，即：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　其

40、中，J為軸系的總慣性矩，n為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，△ML為阻力變化量，△Mg為扭轉(zhuǎn)力矩的變化量。</p><p>　　將式((2-1)、(2-2)、(2-3)代入式(2-4)，消除中間變量，經(jīng)整理后得：</p><p>　　取相對(duì)變化量，并且令，則有：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　其中，為燃

41、油齒條相對(duì)位移量，是轉(zhuǎn)速的相對(duì)變化量，, 和分別為主機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速和最大齒條位移量；左邊第一項(xiàng)系數(shù)是主機(jī)時(shí)間常數(shù)，右邊第一項(xiàng)系數(shù)是調(diào)節(jié)通道放大系數(shù)，第二項(xiàng)系數(shù)是干擾通道放大系數(shù)。</p><p>　　參見(jiàn)式(2-5)，令柴油主機(jī)時(shí)間常數(shù)為，調(diào)節(jié)通道放大系數(shù)為，干擾通道放大系數(shù)，則主機(jī)運(yùn)動(dòng)方程為：</p><p><b>　?。?-6）</b></p>

42、;<p>　　令Ko=K2/K1，采用拉式變換且設(shè)N(s)為轉(zhuǎn)速n (t)的拉式變換，S (s)為供油量齒條位移s (t)的拉式變換，e (s)為干擾量。(t)的拉式變換，則主機(jī)傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　（2-7）</b></p><p>　　另外，還必須考慮柴油主機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)在傳遞過(guò)程中的遲滯問(wèn)題，比如控制供油量的齒條位移純滯后時(shí)間、柴油

43、機(jī)發(fā)火延遲時(shí)間等。純遲滯對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性是不利的，且滯后越大，調(diào)節(jié)性質(zhì)就越惡化。通常工程上的處理方法是在通道上串連一個(gè)遲滯環(huán)節(jié), 參數(shù)可以根據(jù)實(shí)測(cè)或經(jīng)驗(yàn)來(lái)選取。根據(jù)船舶資料顯示：時(shí)間常數(shù)，通道放大系數(shù)，模型純遲滯時(shí)間。則一體化柴油機(jī)的數(shù)學(xué)模型為：</p><p>　　2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模型</p><p>　　柴油機(jī)工作時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是通過(guò)對(duì)高壓油缸高壓側(cè)開(kāi)關(guān)閥的控制來(lái)改變腔內(nèi)高壓燃油量，進(jìn)而改變

44、正時(shí)活塞位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油正時(shí)的調(diào)節(jié)。通過(guò)研究，在本系統(tǒng)中選用直流電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，其傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　其中，Ka為放大倍數(shù)，Ta為時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　通過(guò)查閱資料Ta=0.3秒，Ka=1.05。于是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型為：</p><p&g

45、t;　　2.3轉(zhuǎn)速檢測(cè)單元模型</p><p>　　轉(zhuǎn)速檢測(cè)單元由安裝在凸輪軸上加工精度較高的齒輪輪齒從磁棒尖端的頻率獲取轉(zhuǎn)速信號(hào)，簡(jiǎn)單、可靠。其數(shù)學(xué)模型可看作比例環(huán)節(jié)，為簡(jiǎn)便起見(jiàn)將比例系數(shù)設(shè)為1，則的數(shù)學(xué)模型為：</p><p>　　2.4船舶主機(jī)簡(jiǎn)化模型</p><p>　　由于柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工程上推導(dǎo)其高階模型比較難，可采用將柴油機(jī)模型加上執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模型作

46、為簡(jiǎn)化的船舶主機(jī)模型。其傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　化簡(jiǎn)得：</b></p><p>　　第3章 PID控制技術(shù)</p><p>　　3.1 傳統(tǒng)的模擬PID控制器</p><p>　　傳統(tǒng)的模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖3-1所示，系統(tǒng)主要由PID控制器和被控對(duì)象組成。它是一種線(xiàn)性控制器，根據(jù)給定值r(t

47、)和實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差e(t)，將偏差按比例、積分和微分通過(guò)線(xiàn)性組合構(gòu)成控制量u(t)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制?？刂破鞯妮斎胼敵鲫P(guān)系可描述為：</p><p><b>　　（3-1）</b></p><p>　　式中：。Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式：</p>

48、<p><b>　　（3-2）</b></p><p>　　圖3.1 PID控制系統(tǒng)原理框圖</p><p><b>　　3.1.1比例作用</b></p><p>　　比例作用的引入是為了及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，以最快速度產(chǎn)生控制作用，一旦發(fā)生偏差，就使偏差不斷減小。比例系數(shù)Kp增大，穩(wěn)態(tài)

49、誤差減??；同時(shí)動(dòng)態(tài)性能變差，振蕩比較嚴(yán)重，超調(diào)量增大。</p><p><b>　　3.1.2積分作用</b></p><p>　　積分作用主要用于消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用越弱，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差；Ti越小，積分作用越強(qiáng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性比較強(qiáng)。但是過(guò)小的Ti會(huì)加劇系統(tǒng)振蕩，甚至失去系統(tǒng)穩(wěn)定性。</p>

50、<p><b>　　3.1.3微分作用</b></p><p>　　微分作用能反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（也可以說(shuō)變化速率），能在偏差信號(hào)太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)早期修正信號(hào)，加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。它對(duì)改善閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)性動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度具有很好的作用?？刂菩盘?hào)與Td時(shí)刻以后的偏差成比例。Td增加，有利于減小超調(diào)量。</p><p>　　3.2數(shù)字P

51、ID控制器</p><p>　　由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字PID控制器將逐漸取代傳統(tǒng)的模擬PID控制器。數(shù)字PID控制算法通常分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。</p><p>　　3.2.1位置式PID控制算法</p><p>　　由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，因此式(3 -1)中的積分和微分不能直接使用，需要進(jìn)

52、行離散化處理?，F(xiàn)以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)KT代替連續(xù)時(shí)間t，以和式代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　其中，T是采樣周期。</p><p>　　顯然，上述離散化過(guò)程中，采樣周期T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。為了書(shū)寫(xiě)方便，將e(kT)簡(jiǎn)化表示為e(k)等，即省去T。

53、將式(3-3)代入式(3-1)可得離散的PID表達(dá)式：</p><p><b>　　（3-4）</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　其中，k—采樣序號(hào)，k=1, 2,…；</p><p>　　u(k)—第k次采樣時(shí)刻的控制器輸出值；</p>&l

54、t;p>　　e(k)—第k次采樣時(shí)刻的輸入偏差值；</p><p>　　e(k-1)—第k-1次采樣時(shí)刻的輸入偏差值；</p><p>　　Ki一積分系數(shù)，Ki= KpT/Ti；</p><p>　　Kd—微分系數(shù)，Kd=KpTd/T。</p><p>　　由于控制器的輸出u(k)直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如閥門(mén))，u(k)的值和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位

55、置(如閥門(mén)開(kāi)度)是一一對(duì)應(yīng)的，所以通常 (3-4)或(3-5)稱(chēng)為位置式PID控制算法。這種算法的缺點(diǎn)是由于全量輸出，所以每次輸出均與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)e(k)進(jìn)行累加，計(jì)算機(jī)運(yùn)算的工作量大。而且，因?yàn)橛?jì)算機(jī)的輸出對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化，會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的，在某些場(chǎng)合，還可能造成重大的生產(chǎn)事故，因而產(chǎn)生了增量式PID算法。</p&g

56、t;<p>　　3.2.2增量式PID控制算法</p><p>　　當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量(如驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī))時(shí)，可由式(3-5)導(dǎo)出提供增量的PID控制算法：</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　用式((3-7)減去(3-8)，可得</p><p><b>

57、　?。?-7）</b></p><p>　　其中，△e(k)=e(k)-e(k-1)</p><p>　　式(3-7)稱(chēng)為增量式PID控制算法。</p><p>　　可以看出，由于一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，一旦確定了Kp,Ki和Kd，只要使用前后三次測(cè)量值的偏差，即可由(3-7)求出控制增量。</p><p>　　采

58、用增量式算法時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出的控制增量△u(k)對(duì)應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置(如閥門(mén)開(kāi)度)的增量。對(duì)應(yīng)閥門(mén)實(shí)際位置的控制量，目前采用較多的是利用算式u(k)=u(k-1)+△u(k)通過(guò)執(zhí)行軟件來(lái)完成。</p><p>　　增量式控制雖然只是在算法上作了一點(diǎn)改進(jìn)，但卻帶來(lái)了不少優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　1. 由于計(jì)算機(jī)輸出增量，所以誤動(dòng)作時(shí)影響小，必要時(shí)可用邏輯判斷的方法去除。</p&g

59、t;<p>　　2. 手動(dòng)/自動(dòng)切換時(shí)沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。此外，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號(hào)的鎖存作用，故依然能保持原值。</p><p>　　3. 算式中不需要累加，控制增量△u(k)的確定僅與最近三次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過(guò)加權(quán)處理而獲得較好的控制效果。</p><p>　　但增量式控制也有其不足之處：積分截?cái)嘈?yīng)大，有靜態(tài)誤差；溢出的影

60、響大。</p><p>　　因此，在選擇時(shí)不可一概而論，一般認(rèn)為在以晶閘管作為執(zhí)行器或在控制精度要求高的系統(tǒng)中，可以采用位置式控制算法，而在以步進(jìn)電機(jī)或電動(dòng)閥門(mén)作為執(zhí)行器的系統(tǒng)中，則可采用增量式控制算法。</p><p>　　第4章 模糊控制技術(shù)</p><p><b>　　4.1模糊控制器</b></p><p>　　

61、模糊控制理論是上世紀(jì)60年代由控制理論專(zhuān)家L.A.Zadeh與E. H. Mamdani等人開(kāi)創(chuàng)的。簡(jiǎn)要地說(shuō)，模糊控制是以人工控制經(jīng)驗(yàn)來(lái)實(shí)施控制行為的一種知識(shí)模型，是一種以模糊集合、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為控制算法的數(shù)學(xué)工具；是用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種智能控制。相對(duì)于常規(guī)控制，模糊控制采用模糊邏輯來(lái)處理和分析實(shí)際問(wèn)題，其結(jié)果更符合實(shí)際要求，同時(shí)還具備許多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　1. 模糊控制器以控制經(jīng)驗(yàn)為

62、依據(jù)而設(shè)計(jì)，一般不必知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型；</p><p>　　2. 模糊控制規(guī)則是以控制經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)而總結(jié)的條件語(yǔ)句，即使對(duì)于不熟悉模糊控制理論的人，也容易理解和掌握模糊控制方法；</p><p>　　3. 模糊控制以語(yǔ)言形式表示控制知識(shí)，有利于人機(jī)對(duì)話(huà)和系統(tǒng)的知識(shí)處理，提高了系統(tǒng)處理地靈活性與機(jī)動(dòng)性；</p><p>　　4. 模糊控制系統(tǒng)構(gòu)造容易，可用單片

63、機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)與一般的數(shù)字控制系統(tǒng)近似，模糊算法由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)；</p><p>　　5. 模糊控制系統(tǒng)魯棒性能好，對(duì)線(xiàn)性或非線(xiàn)性被控對(duì)象都有較好控制效果。</p><p>　　隨著模糊控制理論研究的進(jìn)一步深入和模糊邏輯處理芯片的出現(xiàn)及其相應(yīng)硬件系統(tǒng)的實(shí)用化，模糊控制系統(tǒng)目前己與現(xiàn)代控制、知識(shí)工程和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一起被視為開(kāi)創(chuàng)高級(jí)控制過(guò)程新體系的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力。</p><p&g

64、t;　　模糊控制器完成的是一種仿人工智能工作，所以模糊控制系統(tǒng)是一種智能控制系統(tǒng)，這又是模糊控制與其它智能控制的不同之處。從硬件上講，模糊控制器和其它的數(shù)字控制器在本質(zhì)上沒(méi)有什么區(qū)別，都是由計(jì)算機(jī)充當(dāng)控制器角色，所不同的僅是實(shí)現(xiàn)控制算法的軟件，因此從廣義上講，模糊控制系統(tǒng)也是一種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，模糊控制器的各個(gè)組成部分其實(shí)只是一種算法結(jié)構(gòu)。</p><p>　　模糊控制器作為模糊控制系統(tǒng)的核心，一般以系統(tǒng)的誤差和

65、誤差變化率為輸入量，以對(duì)被控對(duì)象的控制量為輸出量。下文將論述其設(shè)計(jì)步驟。</p><p>　　4.1.1.精確量的模糊化</p><p>　　設(shè)偏差、偏差變化量的比例因子分別為Ge、Gc。這些比例因子影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)和系統(tǒng)穩(wěn)定性。如在曲線(xiàn)上升段，如Ge大則響應(yīng)快，系統(tǒng)超調(diào)增加，在曲線(xiàn)穩(wěn)定段，Ge大則穩(wěn)態(tài)誤差大，消除誤差時(shí)間長(zhǎng)；如果Gc大，則系統(tǒng)反應(yīng)慢、易振蕩，Gc變小，則控制器靈敏度增加，

66、但收斂會(huì)變得困難。如果設(shè)e,ec基本論域分別為，e, ec模糊論域分別為[-n,n]，[-m,m]，有，則精確量e (k)與ec(k)的模糊量分別為：。</p><p>　　例如，令e、ec基本論域分別為(-120,120)，(-6,6)，則</p><p>　　再設(shè)輸入量為r(k)=30，kT時(shí)刻采樣值y(k)=4，（K-1）T時(shí)刻采樣值y(k-1)=2，則</p><

67、;p>　　故在kT時(shí)刻，偏差e的模糊量為（量化），偏差變化量的模糊量為。</p><p>　　4.1.2.輸入輸出空間的模糊分割</p><p>　　模糊控制規(guī)則中前提的語(yǔ)言變量構(gòu)成模糊輸入空間，結(jié)論的語(yǔ)言變量構(gòu)成模糊輸出空間。每個(gè)語(yǔ)言變量的取值為一組模糊語(yǔ)言名稱(chēng)，它們構(gòu)成了語(yǔ)言名稱(chēng)的集合。每個(gè)語(yǔ)言名稱(chēng)對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊集合。對(duì)于每個(gè)語(yǔ)言名稱(chēng)，其取值的模糊集合具有相同的論域。這些語(yǔ)言名稱(chēng)通

68、常具有一定的含義。如：NB(負(fù)大)；ZE(零)；PB(正大)。設(shè)論域?yàn)閇-1, +1]，隸屬度函數(shù)的形狀為三角形。</p><p>　　4.1.3.模糊控制器的控制規(guī)則</p><p>　　在模糊控制中常用的有兩種模型：Mamdani模糊模型、Takagi-Sugeno模糊模型。下文將對(duì)這兩種模型作個(gè)概述。</p><p>　　Mamdani模糊模型</p&g

69、t;<p>　　Mamdani模糊模型是一種語(yǔ)言模型，利用Mamdani模型構(gòu)成的模糊邏輯系統(tǒng)實(shí)質(zhì)卜是一組IF-THEN規(guī)則，在這組規(guī)則中前件變量和后件變量均為模糊語(yǔ)言集合，其一般形式如下：</p><p>　　：如果x是A1, and y是B1，則z是C1</p><p>　?。喝绻鹸是A2, and y是B2，則z是C2</p><p>　　：如果

70、x是An, and y是Bn，則z是Cn</p><p>　　在現(xiàn)有的模糊控制系統(tǒng)中，大多數(shù)均采用這種形式。</p><p>　　Takagi-Sugeno模糊模型</p><p>　　這種模型也是基于IF-THEN規(guī)則，規(guī)則的前件含有模糊語(yǔ)言值，后件是前件變量的函數(shù)，即：</p><p>　?。喝绻鹸是Ai and y是Bi則z=fi(x，

71、…，y)</p><p>　　模糊控制器的控制規(guī)則是由一組彼此通過(guò)“或”的關(guān)系連結(jié)起來(lái)的模糊條件語(yǔ)句來(lái)描述的。集中每一條模糊條件語(yǔ)句，當(dāng)輸入、輸出語(yǔ)言變量在各自論域上反映各語(yǔ)言值的模糊子集為已知時(shí)，都可以表達(dá)為論域的積集上的模糊關(guān)系即：</p><p>　　計(jì)算出每一條模糊條件語(yǔ)句決定的模糊關(guān)系，(i=1, 2,…，n)之后，考慮到每條模糊條件語(yǔ)句間的“或”關(guān)系，可得描述整個(gè)系統(tǒng)的控制規(guī)則

72、的總模糊關(guān)系R為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　模糊控制規(guī)則可通過(guò)總結(jié)模糊關(guān)系R的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　4.1.4.輸出量的去模糊化</p><p>　　有了模糊關(guān)系, (i=1, 2,…，n)則輸出語(yǔ)言變量論域上的模糊子集U可記為：</p><p&

73、gt;<b>　?。?-2）</b></p><p>　　但此時(shí)，模糊控制器的輸出是一個(gè)模糊集合，它必須轉(zhuǎn)換為非模糊值輸出，才能用于調(diào)節(jié)過(guò)程。常見(jiàn)的去模糊法有以下三種方法：</p><p>　　1. 最大隸屬度法：這個(gè)方法是選取隸屬度最大的論域元素為去模糊的結(jié)果。如對(duì)應(yīng)的模糊判決的模糊子集U，則取該模糊子集中隸屬度最大的那個(gè)元素作為執(zhí)行量，即</p>&

74、lt;p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，缺點(diǎn)是它概括的信息量很少，因?yàn)檫@種方法排除了其他隸屬度較小的元素的影響和作用。</p><p>　　2. 加權(quán)平均法：這種判決方法有以下兩種形式</p><p>　　普通加權(quán)平均法，其執(zhí)行量由下式?jīng)Q定</p><p><b

75、>　?。?-4）</b></p><p>　　權(quán)系數(shù)加權(quán)平均法，其執(zhí)行量由下式?jīng)Q定</p><p><b>　　（4-5）</b></p><p>　　其中權(quán)系數(shù)ki的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來(lái)決定。加權(quán)系數(shù)的決定直接影響著系統(tǒng)的響應(yīng)特性。對(duì)模糊自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要改變系統(tǒng)的響應(yīng)特性，選取和調(diào)整有關(guān)系數(shù)是關(guān)鍵。</p>

76、<p>　　3. 取中位數(shù)法：為了充分利用模糊子集所有的信息量，可以求出把隸屬度曲線(xiàn)與橫坐標(biāo)圍成的面積平分為兩部分的數(shù)作為去模糊的結(jié)果。最后，加到被控過(guò)程的控制量U應(yīng)是去模糊的結(jié)果u與比例因子ku的乘積</p><p><b>　　(4-6)</b></p><p>　　4.2 Matlab中的模糊控制器仿真設(shè)計(jì)方法</p><p>

77、;　　利用Matlab中的模糊控制工具箱可以很方便地進(jìn)行輸入及輸出變量的定義、語(yǔ)言變量隸屬函數(shù)的定義、模糊控制規(guī)則的定義及輸入輸出預(yù)覽。特別方便將設(shè)計(jì)好的模糊控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到Matlab中的控制系統(tǒng)模型圖形仿真平臺(tái)上進(jìn)行仿真運(yùn)行。</p><p>　　4.2.1 Fuzzy Toolbox的主要功能</p><p>　　Fuzzy Toolbox是進(jìn)行模糊推理和模糊控制器仿真設(shè)計(jì)的工具包，它

78、集成了FIS(Fuzzy Inference System)編輯器、隸屬函數(shù)編輯器、模糊規(guī)則編輯器、規(guī)則瀏覽器和輸出預(yù)覽器等可視化工具，使模糊控制的開(kāi)發(fā)變得簡(jiǎn)單易行。</p><p>　　4.2.2定義輸入輸出變量</p><p>　　在Matlab中進(jìn)入FIS編輯器，F(xiàn)IS編輯器是模糊推理系統(tǒng)的主界面，它集成了隸屬函數(shù)編輯器、模糊規(guī)則編輯器、規(guī)則瀏覽器和輸出預(yù)覽器等功能，通過(guò)主菜單可自由

79、方便地進(jìn)行選擇。設(shè)計(jì)者在FIS編輯器中設(shè)置模糊控制器的模糊算子、輸入輸出變量的個(gè)數(shù)、模糊變量的名稱(chēng)及解模糊的方法(如重心法(COA)、最大隸屬度法(MAX)等)。在這里我們的輸入變量為速度設(shè)定偏差e及其變化率ec、輸出變量為齒條位移變化量u，其對(duì)應(yīng)的模糊語(yǔ)言變量分別為E、 EC、U。</p><p>　　4.2.3定義語(yǔ)言變量隸屬函數(shù)</p><p>　　雙擊FIS編輯器中的輸入變量或輸出

80、變量方框，進(jìn)入隸屬函數(shù)編輯器的主界面，對(duì)模糊變量的隸屬函數(shù)進(jìn)行編輯。通過(guò)隸屬函數(shù)編輯器可方便地定義隸屬函數(shù)的類(lèi)型，除本文選用的三角形外，還有梯形、高斯形等十一種類(lèi)型，在本例中E的論域?yàn)閇-6, 6]，EC的論域?yàn)閇-6, 6]， U的論域?yàn)閇-6, 6]，語(yǔ)言變量的模糊集都統(tǒng)一表示為：[NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB]，隸屬函數(shù)采用三角類(lèi)型，解模糊化的方法采用重心法(COA)。</p><p>　　4.

81、2.4定義模糊控制規(guī)則</p><p>　　選擇FIS編輯器或隸屬函數(shù)編輯器中Edit菜單下的Edit Rule子菜單，或雙擊FIS編輯器中流程圖里的規(guī)則方框即可進(jìn)入模糊規(guī)則編輯器的主界面，其中模糊規(guī)則編輯框?qū)嶋H是一文本編輯框，只要設(shè)計(jì)者按照規(guī)定的模糊規(guī)則書(shū)寫(xiě)格式編寫(xiě)模糊規(guī)則，計(jì)算機(jī)就可以根據(jù)模糊推理合成規(guī)則進(jìn)行模糊矩陣的計(jì)算。其verbose格式(還有symbolic、 indexed格式)形式如下：</

82、p><p>　　1. IF(E is NB)and(EC is NB)then(U is PB)</p><p>　　2. IF(E is NM)and(EC is NB)then(U is PB)</p><p><b>　　4.2.5輸出預(yù)覽</b></p><p>　　當(dāng)規(guī)則正確輸入后，選擇FIS編輯器等窗體主菜單中的

83、view surface，可以看到經(jīng)模糊決策矩陣運(yùn)算并解模糊化后得到的三維坐標(biāo)圖，圖中的每一坐標(biāo)軸代表一個(gè)模糊變量，坐標(biāo)軸的范圍為該模糊變量的論域。從圖中可以看出該三維坐標(biāo)圖相當(dāng)于一個(gè)模糊控制查詢(xún)表，可以通過(guò)觀(guān)察圖中控制曲面的平滑性，直觀(guān)地判斷模糊規(guī)則編寫(xiě)是否合理、隸屬函數(shù)是否正確、是否有不適當(dāng)?shù)哪：\(yùn)算。</p><p>　　第5章自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其仿真</p><p>　　5.1 基

84、于PID控制的船舶柴油機(jī)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　5.1.1 PID控制參數(shù)的整定</p><p>　　采用傳統(tǒng)的Ziegler-Nichols規(guī)則(ZN規(guī)則)，對(duì)控制器參數(shù)初始系數(shù)進(jìn)行整定得：Kp=0.2； Ki=0.04；Kd=0.03。</p><p>　　5.1.2 PID調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的建立</p><p>　　打開(kāi)m

85、atlab軟件，在SIMULINK中建立PID控制器的仿真模型如圖5.1所示：</p><p>　　圖5.1 PID控制器模塊</p><p>　　在控制器上加上數(shù)學(xué)模型及信號(hào)源和示波器就構(gòu)成了整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，如圖5.2所示：</p><p>　　圖5.2 PID控制調(diào)速系統(tǒng)仿真模型</p><p>　　5.2 基于模糊-PID控制的

86、船舶柴油機(jī)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　5.2.1 PID控制器參數(shù)的模糊調(diào)整原理</p><p>　　由于控制過(guò)程中各種信號(hào)量以及評(píng)價(jià)指標(biāo)不易定量表示，人們運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的理論及方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示。并把這些模糊控制規(guī)則以及有關(guān)信息(如評(píng)價(jià)指標(biāo)、初始PID參數(shù)等)存入計(jì)算機(jī)庫(kù)中。然后計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況運(yùn)用模糊推理，即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)整。這

87、就是模糊-PID控制。其控制框圖如5.3所示。它是在PID算法基礎(chǔ)上增加了E與EC的計(jì)算，并將在工藝分析和操作經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上總結(jié)的專(zhuān)家知識(shí)，以產(chǎn)生式語(yǔ)句if(條件)then(結(jié)果)的形式組成知識(shí)庫(kù)，經(jīng)模糊合成推理形成模糊查詢(xún)矩陣。如果在某一采樣時(shí)刻觀(guān)察到響應(yīng)曲線(xiàn)模式與所期望的模式不同，則可根據(jù)模式狀態(tài)變量E和EC，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)構(gòu)在知識(shí)庫(kù)中搜索相應(yīng)的模糊推理矩陣，并進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，直到其輸出達(dá)到期望的響應(yīng)模式為止。</p>&l

88、t;p>　　PID參數(shù)的模糊自動(dòng)調(diào)整思想是依據(jù)被控對(duì)象的響應(yīng)在采樣時(shí)刻的誤差E和誤差的變化率EC兩個(gè)因素來(lái)確定參數(shù)調(diào)整量的極性和大小的。本質(zhì)上同時(shí)兼顧了被控對(duì)象響應(yīng)的“靜態(tài)性能”(是高于還是低于給定值)和響應(yīng)的“動(dòng)態(tài)性能”(是靠攏還是偏離給定值)兩個(gè)因素，既看現(xiàn)狀，也看動(dòng)向。其算法過(guò)程是利用對(duì)應(yīng)的規(guī)則集將控制指標(biāo)(條件)模糊化，然后將它與知識(shí)庫(kù)中的模糊規(guī)則進(jìn)行匹配(即判斷控制指標(biāo)與規(guī)則集的條件部分是否相同)，如有規(guī)則被匹配，則執(zhí)行

89、該規(guī)則的結(jié)果部分，就可得到相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整量。因此有實(shí)際控制系統(tǒng)的響應(yīng)值(精確值)到模糊規(guī)則集的條件(模糊量)的轉(zhuǎn)化過(guò)程(即模糊化)和其規(guī)則的操作值(模糊量)到實(shí)際的調(diào)整系數(shù)(精確量)的轉(zhuǎn)化(判決)過(guò)程。</p><p>　　圖5.3 PID參數(shù)模糊自整定框圖</p><p>　　5.2.2 PID控制器參數(shù)的模糊調(diào)整經(jīng)驗(yàn)知識(shí)</p><p>　　針對(duì)PID參數(shù)的模糊

90、調(diào)整問(wèn)題，模糊控制器設(shè)計(jì)的核心是總結(jié)控制經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)建立合適的被控過(guò)程的模糊規(guī)則模型。通過(guò)總結(jié)一些生產(chǎn)過(guò)程的操作經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)對(duì)PID調(diào)節(jié)器各調(diào)節(jié)規(guī)律的理論分析，可以得到PID三個(gè)參數(shù)(Kp,Ki,Kd)的模糊校正規(guī)則模型。</p><p>　　PID三個(gè)參數(shù)取值的大小，對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性影響很大，Kp, Ki和Kd三者的整定要根據(jù)控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型G(s)的參數(shù)來(lái)確定。對(duì)于非線(xiàn)性負(fù)載和時(shí)變、時(shí)延負(fù)載

91、，以及難于用G(s)描述的負(fù)載，這三個(gè)參數(shù)的整定就比較困難，也就不能達(dá)到良好的控制效果和獲得良好的控制性能。</p><p>　　經(jīng)過(guò)人們大量的試驗(yàn)與應(yīng)用，已總結(jié)出PID參數(shù)的各種整定方法。其中對(duì)于非線(xiàn)性、時(shí)變和時(shí)延以及難于用G(s)描述的負(fù)載，控制專(zhuān)家也經(jīng)過(guò)大量仿真研究和試驗(yàn)，得出一些整定經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，由此可看出PID控制器參數(shù)的變化如何影響過(guò)渡過(guò)程特性。這些知識(shí)歸結(jié)如下：</p><p>

92、;　　(1) Kp增加振蕩周期減??；反之亦然。</p><p>　　(2) Kp增加則超調(diào)增加；反之亦然。</p><p>　　(3) Kp增加則上升時(shí)間減少；反之亦然。</p><p>　　(4) Ki增加則超調(diào)/回調(diào)比增加；反之亦然。</p><p>　　(5) Ki增加則穩(wěn)定性下降；反之亦然。</p><p>　

93、　(6) Ki減小則超調(diào)下降；反之亦然。</p><p>　　(7) Kd增大則穩(wěn)定性增加；反之亦然。</p><p>　　(8) 當(dāng)系統(tǒng)輸出超過(guò)設(shè)定值時(shí)，減小Ki。</p><p>　　(9) 當(dāng)系統(tǒng)上升時(shí)間大于要求的上升時(shí)間時(shí)，增加Ki。</p><p>　　(10)在穩(wěn)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)輸出產(chǎn)生波動(dòng)現(xiàn)象，適當(dāng)增加Kd。</p>&

94、lt;p>　　(11)系統(tǒng)輸出對(duì)干擾信號(hào)反應(yīng)靈敏，適當(dāng)減小Kd。</p><p>　　(12)上升時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，增加Kp。</p><p>　　(13)系統(tǒng)輸出發(fā)生振蕩現(xiàn)象，減少Kp。</p><p>　　根據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)知識(shí)可以總結(jié)出PID參數(shù)模糊調(diào)整規(guī)則。</p><p>　　5.2.3 PID參數(shù)模糊調(diào)整規(guī)則的確立</p>

95、<p>　　根據(jù)控制經(jīng)驗(yàn)知道，當(dāng)不確定系統(tǒng)在常規(guī)控制作用下，誤差E和誤差變化率EC越大，系統(tǒng)中不確定量就越大。相反，誤差E和誤差變化率EC越小，系統(tǒng)中不確定量就越小。利用這種E和EC對(duì)系統(tǒng)不確定量的估計(jì)，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)PID三參數(shù)Kp，Ki，Kd的調(diào)整估計(jì)，顯然這是由人的經(jīng)驗(yàn)形成的直覺(jué)推理，用IF-THEN產(chǎn)生式語(yǔ)句規(guī)則所表達(dá)的調(diào)整規(guī)則。</p><p>　　在判定控制規(guī)則時(shí)，既要兼顧減小超調(diào)、提高系統(tǒng)響應(yīng)

96、速度，同時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高更為重要?？刂破焚|(zhì)分析的重要依據(jù)是系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)，我們對(duì)經(jīng)典響應(yīng)曲線(xiàn)作分析，從中可取得控制經(jīng)驗(yàn)信息，從而確定模糊算法。</p><p>　　研究分析可得：E(k)與EC(k)同號(hào)，輸出值遠(yuǎn)離給定值；E(k)與EC(k)異號(hào)，輸出趨向給定值。系統(tǒng)響應(yīng)的誤差E和誤差變化率EC的模糊子集為：</p><p>　　E, EC={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

97、 （5-1）</p><p>　　1．Kp的模糊控制規(guī)則</p><p>　　控制品質(zhì)的好壞很大程度上取決于Kp值的選取，增大Kp能減小穩(wěn)態(tài)誤差從而提高調(diào)節(jié)精度、提高響應(yīng)速度，但Kp過(guò)大，會(huì)使調(diào)節(jié)過(guò)程產(chǎn)生較大的超調(diào)，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；減小Kp可減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性，而Kp過(guò)小會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，減慢響應(yīng)速度，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間。實(shí)際控制過(guò)程方面的操作經(jīng)驗(yàn)也說(shuō)明，在調(diào)節(jié)初

98、期適當(dāng)?shù)匕裀ID調(diào)節(jié)器的比例度Kp放大到較大的檔次以提高響應(yīng)速度，在調(diào)節(jié)中期，把Kp適當(dāng)?shù)闹么笠恍?，從而兼顧穩(wěn)定性與調(diào)節(jié)精度，在調(diào)節(jié)過(guò)程的后期，把Kp調(diào)整到較大的檔次以減小靜差，提高控制的精度。由此可構(gòu)造Kp參數(shù)模糊控制規(guī)則(表5.1)。</p><p>　　表5.1 Kp調(diào)整控制規(guī)則</p><p>　　2．Ki的模糊控制規(guī)則</p><p>　　在系統(tǒng)控制中，積

99、分調(diào)節(jié)規(guī)律主要作用于消除控制靜差(但在一定程度上影響調(diào)節(jié)過(guò)程的其他特性)；同時(shí)，由于某些原因(如飽和非線(xiàn)性等)，使得在調(diào)節(jié)過(guò)程初期產(chǎn)生積分飽和，從而引起調(diào)節(jié)過(guò)程的較大超調(diào)。因此，在調(diào)節(jié)過(guò)程的初期，積分作用應(yīng)弱一些，在調(diào)節(jié)過(guò)程的中期為避免影響穩(wěn)定性，積分作用應(yīng)調(diào)整得適中，而在調(diào)節(jié)過(guò)程的后期應(yīng)增強(qiáng)積分作用，以減小調(diào)節(jié)靜差，從而提高調(diào)節(jié)精度。根據(jù)上述思想，構(gòu)造出Ki參數(shù)模糊控制規(guī)則(表5.2)。</p><p>　　表

100、5.2 Ki調(diào)整模糊控制規(guī)則</p><p>　　3．Kd的模糊控制規(guī)則</p><p>　　微分調(diào)節(jié)律主要是針對(duì)大慣性過(guò)程引入的，它能給出控制系統(tǒng)提前開(kāi)始制動(dòng)的減速信號(hào)。但是，Kd值的選取對(duì)調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)特性影響很大。Kd值過(guò)大，調(diào)節(jié)過(guò)程制動(dòng)就會(huì)超前，使調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；Kd值過(guò)小，調(diào)節(jié)過(guò)程制動(dòng)就會(huì)落后，從而導(dǎo)致超調(diào)值增加。因此，對(duì)時(shí)變且不確定性系統(tǒng)，Kd不應(yīng)取定值，以適應(yīng)被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)的變化。

101、總結(jié)實(shí)際控制過(guò)程操作經(jīng)驗(yàn)，在調(diào)節(jié)過(guò)程初期，加大微分作用，可以減小甚至避免超調(diào)；在調(diào)節(jié)過(guò)程中期，由于調(diào)節(jié)特性對(duì)Kd的變化比較敏感，因此，Kd應(yīng)適當(dāng)小一些并保持固定不變，在調(diào)節(jié)后期，Kd應(yīng)減小，從而減小被控過(guò)程的制動(dòng)作用，以補(bǔ)償在調(diào)節(jié)過(guò)程初期由于Kd較大所造成的調(diào)節(jié)過(guò)程時(shí)間延長(zhǎng)。Kd參數(shù)模糊控制規(guī)則(表5.3)。</p><p>　　表5.3 Kd調(diào)整模糊控制規(guī)則</p><p>　　5.2.

102、4模糊-PID控制的調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的建立</p><p>　　根據(jù)前面兩章的理論，把PID控制器與模糊控制器進(jìn)行結(jié)合，建立基于模糊-PID控制的船舶柴油機(jī)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　由參數(shù)自整定模糊-PID控制器的框圖（圖5.3）可知，其中的參數(shù)校正部分實(shí)質(zhì)為一個(gè)模糊控制器，其輸入語(yǔ)言變量為E，EC，輸出語(yǔ)言變量分別為Kp，Ki和Kd。其仿真模型建立步驟如下：</p>

103、<p>　　1. 在SIMULINK中建立模糊-PID控制系統(tǒng)仿真模型如圖5.4所示：</p><p>　　圖5.4 模糊-PID控制系統(tǒng)仿真模型</p><p>　　為了方便研究把兩個(gè)調(diào)速系統(tǒng)整合到同一個(gè)mdl文件中，得到的模型圖如圖5.5所示：</p><p>　　圖5.5 PID和模糊-PID控制系統(tǒng)仿真模型</p><p&g

104、t;　　運(yùn)用第4章介紹的理論，雙擊FIS編輯器中流程圖里的規(guī)則方框進(jìn)入模糊規(guī)則編輯器的主界面，將模糊控制規(guī)則輸入模糊規(guī)則編輯器，建立fis文件。輸入正確的控制規(guī)則后可查看Kp,Ki,Kd的三維坐標(biāo)圖(如圖5.6,5.7,5.8)所示：</p><p>　　圖5.6 Kp的三維坐標(biāo)圖</p><p>　　圖5.7 Ki的三維坐標(biāo)圖</p><p>　　圖5.8 Kd的

105、三維坐標(biāo)圖</p><p><b>　　5.3仿真軟件簡(jiǎn)介</b></p><p>　　MATLAB提供的SIMULINK是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模，仿真和分析的軟件包。它支持線(xiàn)性和非線(xiàn)性系統(tǒng)、連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)、離散時(shí)間系統(tǒng)、連續(xù)和離散混合系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是多進(jìn)程的。它具有相對(duì)獨(dú)立的功能和使用方法。SIMULINK的出現(xiàn)使得仿真工作以結(jié)構(gòu)圖的形式加以進(jìn)行。它提供各種功能模

106、塊，包括了連續(xù)系統(tǒng)(Continous )、離散系統(tǒng)(Discrete)、非線(xiàn)性系統(tǒng)(Nonlinear)幾類(lèi)基本系統(tǒng)構(gòu)成模塊，還包括連接、運(yùn)算類(lèi)模塊：函數(shù)與表(Functions & Tables),數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊(Math)、信號(hào)與系統(tǒng)(Signals & Systems)。而輸入源模塊(Sources)和接收模塊(Sinks)則為模型仿真提供了信號(hào)源和結(jié)果輸出設(shè)備，便于用戶(hù)對(duì)模型進(jìn)行仿真和分析。它與傳統(tǒng)的用微分方程和

107、差分方程的仿真軟件包相比，其有更直觀(guān)、方便、靈活等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，SIMULINK的仿真精度是比較高的，得出的結(jié)果是可信的。</p><p>　　5.4控制系統(tǒng)的仿真對(duì)比研究</p><p>　　下面分別在兩種工況下進(jìn)行仿真比較研究，并與傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)對(duì)比研究。</p><p>　　1. 設(shè)開(kāi)始時(shí)船舶主機(jī)在50 r/s的轉(zhuǎn)速恒速運(yùn)行，如果在t=26秒時(shí)由于船舶需要

108、應(yīng)急加速，按此時(shí)設(shè)定轉(zhuǎn)速增加為80r/s，船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速迅速加速到80 r/s后穩(wěn)定下來(lái)；如果隨后受到一定的負(fù)荷干擾，調(diào)速系統(tǒng)也會(huì)迅速變化供油量，以免主機(jī)轉(zhuǎn)速變化過(guò)快。由仿真結(jié)果可見(jiàn)應(yīng)急加速時(shí)系統(tǒng)超調(diào)量小于10%，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間約為10秒；和PID控制相比，系統(tǒng)穩(wěn)定性很好，具有很好的準(zhǔn)確性，無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差，抗干擾能力很強(qiáng)。</p><p>　　2. 設(shè)開(kāi)始時(shí)船舶主機(jī)在80 r/s的轉(zhuǎn)速恒速運(yùn)行，如果在t=24秒時(shí)由于船舶

109、需要應(yīng)急加速，按此時(shí)設(shè)定轉(zhuǎn)速增加為100r/s，船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速迅速加速到100 r/s后穩(wěn)定下來(lái)；如果隨后受到一定的負(fù)荷干擾，調(diào)速系統(tǒng)也會(huì)迅速變化供油量，以免主機(jī)轉(zhuǎn)速變化過(guò)快。由仿真結(jié)果可見(jiàn)應(yīng)急加速時(shí)系統(tǒng)有較小的超調(diào)量，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間約為10秒；和在工況1下相比，系統(tǒng)仍具有很好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差，抗干擾能力也很強(qiáng)。</p><p>　　在兩種工況下，模糊-PID控制都表現(xiàn)出了優(yōu)良的控制品質(zhì)?？梢?jiàn)模糊-PID

110、控制在一定程度上克服了傳統(tǒng)PID控制的缺點(diǎn)，具有超調(diào)量小，過(guò)渡時(shí)間短，控制穩(wěn)定時(shí)控制精度高，無(wú)穩(wěn)態(tài)偏差的特點(diǎn)。</p><p>　　圖6.1 工況1仿真曲線(xiàn)</p><p>　　圖6.2 工況2仿真曲線(xiàn)</p><p><b>　　小結(jié)</b></p><p>　　本文通過(guò)對(duì)船舶柴油機(jī)的研究，建立了簡(jiǎn)化的船舶主機(jī)模型，對(duì)

111、船舶柴油機(jī)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)主要進(jìn)行了以下幾方面的工作：</p><p>　　1．首先在了解船舶柴油機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理的基礎(chǔ)上建立了一個(gè)適合于研究分析的簡(jiǎn)化的船舶主機(jī)模型。</p><p>　　2. 然后根據(jù)理論知識(shí)分別設(shè)計(jì)了傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)，單純的模糊控制器，最后整合兩種控制器設(shè)計(jì)了基于模糊-PID控制的自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)，用于仿真研究。</p><p>　　3. 最后運(yùn)用