船舶主機(jī)缸套冷卻水溫度灰色預(yù)測(cè)模糊PID控制

徐紅明，姚建飛，陳逸寧

(1.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州 311112;2.浙海海運(yùn)有限公司，浙江 杭州 310013)

船舶主機(jī)缸套冷卻水溫度灰色預(yù)測(cè)模糊PID控制

徐紅明1，姚建飛1，陳逸寧2

(1.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州 311112;2.浙海海運(yùn)有限公司，浙江 杭州 310013)

針對(duì)船舶主機(jī)缸套冷卻水溫度控制系統(tǒng)的大慣性、純滯后和時(shí)變性特點(diǎn)，提出了將等維新息灰色預(yù)測(cè)控制與模糊自調(diào)節(jié)PID控制相結(jié)合的新型控制策略，這種控制器可根據(jù)系統(tǒng)預(yù)測(cè)誤差和變化率自動(dòng)調(diào)整控制器參數(shù)，使控制器對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)具有適應(yīng)性。仿真結(jié)果表明:灰色預(yù)測(cè)模糊PID控制比常規(guī)的PID控制與模糊PID控制有更多的優(yōu)越性，自適應(yīng)能力強(qiáng)，超調(diào)適中，具有更好的動(dòng)、靜態(tài)特性。

控制器;缸套冷卻水;灰色預(yù)測(cè);模糊PID控制;仿真

缸套冷卻水溫度是船舶柴油機(jī)一個(gè)重要的熱工參數(shù)，溫度過(guò)高易使缸壁內(nèi)表面的滑油膜迅速蒸發(fā)，缸壁磨損加劇，冷卻水腔內(nèi)發(fā)生汽化及阻水橡皮圈老化漏水等現(xiàn)象，溫度過(guò)低則會(huì)增加熱損失、增大熱應(yīng)力和加重酸性腐蝕，精確的控制冷卻水溫度，對(duì)于減小熱應(yīng)力，提高柴油機(jī)的動(dòng)力性能和使用壽命具有重要意義。主機(jī)缸套冷卻水溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)具有大慣性、純滯后和時(shí)變性特點(diǎn)的非線性系統(tǒng)，傳統(tǒng)的PID控制屬于“事后控制”，在船舶運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí)，容易導(dǎo)致較大的超調(diào)量和較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，影響系統(tǒng)的控制品質(zhì)。文獻(xiàn)［1］提出了在PID控制的基礎(chǔ)上，引入以船舶主機(jī)輸出“功率”作為反映缸套冷卻水熱負(fù)荷擾動(dòng)信號(hào)的前饋控制，以減小缸套冷卻水出口溫度的動(dòng)態(tài)偏差，但前饋控制受模型精度限制，不能克服系統(tǒng)中不可測(cè)量的干擾影響。文獻(xiàn)［2］提出了基于功率信號(hào)模糊預(yù)調(diào)節(jié)與水溫Smith+PID調(diào)節(jié)的控制方法，Smith預(yù)估控制可以預(yù)測(cè)未來(lái)的系統(tǒng)偏差，對(duì)系統(tǒng)輸出進(jìn)行提前校正，克服時(shí)滯的不利影響，但由于這種預(yù)估器需要系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，而且當(dāng)預(yù)估模型和實(shí)際對(duì)象不匹配時(shí)，其對(duì)系統(tǒng)的誤差非常敏感，控制效果較差。

船舶主機(jī)缸套冷卻水溫度灰色預(yù)測(cè)模糊PID控制將等維新息灰色預(yù)測(cè)控制和模糊自調(diào)節(jié)PID控制相結(jié)合，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，根據(jù)系統(tǒng)輸出的預(yù)測(cè)誤差及其變化率在線修正PID參數(shù)，提高控制精度，獲得更好的控制性能。

1 灰色預(yù)測(cè)模糊自調(diào)節(jié)PID控制系統(tǒng)

1.1 控制系統(tǒng)原理

灰色預(yù)測(cè)控制［3］是通過(guò)系統(tǒng)行為數(shù)據(jù)序列的提取，尋求系統(tǒng)發(fā)展規(guī)律，從而按照規(guī)律預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)的行為，并根據(jù)系統(tǒng)未來(lái)的行為趨勢(shì)，確定相應(yīng)的控制決策進(jìn)行預(yù)控制。這樣可以做到防患于未然，具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力?；疑A(yù)測(cè)模糊自調(diào)節(jié)PID控制利用系統(tǒng)的預(yù)測(cè)誤差參與對(duì)PID控制器參數(shù)的在線整定，預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)的行為，并根據(jù)未來(lái)的行為趨勢(shì)，對(duì)PID的控制量進(jìn)行預(yù)先補(bǔ)償，克服常規(guī)PID控制在控制系統(tǒng)中存在的滯后和超調(diào)的缺點(diǎn)，是一種具有廣闊前景的新型控制策略?；疑A(yù)測(cè)模糊自調(diào)節(jié)PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 灰色預(yù)測(cè)模糊自調(diào)節(jié)PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of grey predicative fuzzy PID control system

控制系統(tǒng)工作原理:通過(guò)采樣裝置對(duì)輸出向量y(k)在當(dāng)前k時(shí)刻之前的m個(gè)連續(xù)行為數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，由灰色預(yù)測(cè)算法，計(jì)算出k+d時(shí)刻的預(yù)測(cè)值，并用預(yù)測(cè)誤差e(k)=r(k)-y(k+d)取代當(dāng)前測(cè)量誤差以及相應(yīng)的誤差變化率，經(jīng)過(guò)模糊化處理后進(jìn)行模糊推理，輸出變量為PID控制參數(shù)kp，ki，kd的增量，再分別加上PID控制參數(shù)的初始值，得到PID調(diào)節(jié)器控制參數(shù)，使未來(lái)的輸出向量接近目標(biāo)值。

1.2 灰色預(yù)測(cè)算法［4］

灰色預(yù)測(cè)算法是建立在動(dòng)態(tài)GM(1，1)模型基礎(chǔ)上，利用GM(1，1)模型來(lái)獲取系統(tǒng)k+d時(shí)刻的輸出預(yù)測(cè)值。

設(shè)系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)列向量為:

事實(shí)上，在任何一個(gè)灰色系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程中，隨著時(shí)間的推移，將會(huì)不斷地有一些隨機(jī)擾動(dòng)或驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)入系統(tǒng)，使系統(tǒng)的發(fā)展相繼地受其影響。因此，GM(1，1)模型的預(yù)測(cè)精度越遠(yuǎn)離時(shí)間原點(diǎn)，預(yù)測(cè)意義就越弱。為了不斷把相繼進(jìn)入系統(tǒng)的擾動(dòng)或驅(qū)動(dòng)因素考慮進(jìn)去，隨時(shí)將每一個(gè)新得到的數(shù)據(jù)置入Y(0)中，建立新息GM(1，1)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。但這種新息模型隨著時(shí)間的推移，信息越來(lái)越多，建模運(yùn)算量不斷增加，這顯然不適合過(guò)程控制對(duì)實(shí)時(shí)性、快速性的要求。因此，在不斷補(bǔ)充新信息的同時(shí)，及時(shí)去掉老信息，不斷地進(jìn)行新陳代謝，以便在滾動(dòng)建模時(shí)維持?jǐn)?shù)據(jù)個(gè)數(shù)不變，建模序列更能反映系統(tǒng)在目前的特征，保證系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。這就是等維新息滾動(dòng)模型，等維新息滾動(dòng)預(yù)測(cè)算法［4］如下:

式中:h為采樣時(shí)刻;m為建模維數(shù);a，b為h時(shí)刻辨識(shí)所得參數(shù);n為預(yù)測(cè)步數(shù)。

1.3 模糊控制器［5］

模糊控制器能充分利用操作人員進(jìn)行實(shí)時(shí)非線性調(diào)節(jié)的成功實(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，使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最佳控制效果。船舶主機(jī)缸套冷卻水溫度灰色預(yù)測(cè)模糊PID控制使用的是一個(gè)兩輸入(e，ec)三輸出(Δkp，Δki，Δkd)的模糊控制器，它的原理是把輸入PID調(diào)節(jié)器的偏差e和偏差變化率ec同時(shí)輸入到模糊控制器中，圖1中模糊控制器實(shí)際上是由3個(gè)分模糊控制器組成，分別對(duì)3個(gè)參數(shù)kp，ki，kd進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后分別經(jīng)過(guò)模糊化、模糊規(guī)則推理和清晰化后，把得到的修正量Δkp，Δki，Δkd分別輸入 PID 調(diào)節(jié)器中，根據(jù)不同時(shí)刻的e和ec對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線修正。計(jì)算公式如下:

式中:k'p，k'i，k'd為 PID 控制參數(shù)初始值。

2 主機(jī)缸套冷卻水溫度灰色預(yù)測(cè)模糊PID控制

船舶柴油機(jī)缸套冷卻水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性建模與仿真［6］以浙海海運(yùn)有限公司某輪主機(jī)缸套冷卻水系統(tǒng)為建模對(duì)象，利用“兩點(diǎn)法”與曲線擬合法相結(jié)合，得到對(duì)應(yīng)傳遞函數(shù)為:

2.1 模糊控制規(guī)則

船舶柴油機(jī)缸套冷卻水溫度模糊PID自適應(yīng)控制與仿真［7］通過(guò)對(duì)實(shí)船數(shù)據(jù)處理分析和多次操作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，結(jié)合理論上偏差e及偏差變化率ec跟PID調(diào)節(jié)器3個(gè)控制參數(shù) kp，ki，kd的影響關(guān)系，歸納出了3個(gè)參數(shù)的模糊控制規(guī)則如表1～表3。

表1 Δkp模糊規(guī)則Tab.1 Fuzzy rule of Δkp

表2 Δki模糊規(guī)則Tab.2 Fuzzy rule of Δki

表3 Δkd模糊規(guī)則Tab.3 Fuzzy rule of Δkd

2.2 控制系統(tǒng)仿真

在SIMULINK環(huán)境下，建立如圖2的主機(jī)缸套冷卻水溫度傳統(tǒng)PID控制、模糊PID自適應(yīng)控制與灰色預(yù)測(cè)模糊PID控制仿真模型［8］，其中fuzzy control子模塊為模糊PID自適應(yīng)控制部分封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3，模糊推理系統(tǒng)由49條模糊控制規(guī)則經(jīng)編輯后保存在fuzzycontrol.fis文件中，灰色預(yù)測(cè)子模塊的灰色預(yù)測(cè)算法功能由編寫的S-Function程序huise.m(參數(shù)選擇:采樣周期T=1 s，預(yù)測(cè)步數(shù)n=3，建模維數(shù)m=5)實(shí)現(xiàn)。

2.3 仿真結(jié)果對(duì)比分析

Step設(shè)置初始溫度80℃，最終溫度82℃，實(shí)現(xiàn)階躍響應(yīng)，調(diào)用 fuzzycontrol.fis和灰色預(yù)測(cè)程序huise.m。雙擊圖2中“階躍輸入”，即可得到仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4。

圖2 主機(jī)缸套冷卻水溫度控制系統(tǒng)仿真Fig.2 Simulation of cylinder cooling water temperature control system

通過(guò)對(duì)圖4傳統(tǒng)PID控制、模糊PID自適應(yīng)控制與灰色預(yù)測(cè)模糊PID自適應(yīng)控制仿真曲線的比較分析，3種控制方式峰值溫度分別為82.69、82.53、82.31 ℃，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間分別為 600、400、350 s左右。仿真結(jié)果表明灰色預(yù)測(cè)模糊PID自適應(yīng)控制明顯優(yōu)于其它兩種控制方式，能夠根據(jù)灰色預(yù)測(cè)器得到的預(yù)測(cè)誤差e和誤差變化率ec對(duì)PID控制器的3個(gè)控制參數(shù)kp，ki，kd進(jìn)行在線修正，得到較好的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，響應(yīng)速度明顯變快，超調(diào)量大大減少，控制更平穩(wěn)，穩(wěn)態(tài)精度高，系統(tǒng)控制品質(zhì)得到較大改善。

圖3 Fuzzy control子模塊Fig.3 Submodule of fuzzy control

圖4 3種控制方式對(duì)比Fig.4 Comparison of three control strategies

3 結(jié)語(yǔ)

等維新息灰色預(yù)測(cè)模型，是在增加最新信息的同時(shí)，去掉最老信息，在滾動(dòng)建模時(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù)個(gè)數(shù)不變，灰色預(yù)測(cè)控制的參數(shù)，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，不斷地自動(dòng)更新，具有很強(qiáng)的自適應(yīng)性。針對(duì)主機(jī)缸套冷卻水溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的滯后現(xiàn)象，將灰色預(yù)測(cè)方法運(yùn)用到這個(gè)系統(tǒng)中，并與模糊控制相結(jié)合，仿真結(jié)果表明:灰色預(yù)測(cè)模糊PID控制自適應(yīng)能力強(qiáng)，超調(diào)適中，參數(shù)調(diào)整方便，具有更好的動(dòng)、靜態(tài)特性，較常規(guī)的PID控制與模糊PID控制有更多的優(yōu)越性，適用于本系統(tǒng)的自動(dòng)控制。

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Temperature Grey Predicative Fuzzy PID Control for Cylinder Cooling Water of Marine Diesel Engine

XU Hong-ming1，YAO Jian-fei1，CHEN Yi-ning2
(1.Zhejiang Institute of Communications，Hangzhou 311112，Zhejiang，China;
2.Zhehai Shipping Co.，Ltd.，Hangzhou 310013，Zhejiang，China)

Due to the large time constant，long time-delay and time-varying characteristic of marine diesel engine cylinder cooling water temperature control system，a new fuzzy self-setting PID control strategy with grey prediction was presented;it could automatically adjust controller parameters according to the predicted output error and error rate，which made the controller adaptive to the response of systems.Simulation results indicated that the strategy compared with traditional PID control and fuzzy PID contro1，had strong self-adaptive ability with better dynamic and static performance.

controller;cylinder cooling water;grey prediction;fuzzy PID control;simulation

TH861

A

1674-0696(2011)03-0494-04

2010-12-08;

2011-02-26

浙江省教育廳科研項(xiàng)目(Y200804126)

徐紅明(1978-)，男，浙江東陽(yáng)人，講師，碩士，主要從事船舶智能控制與仿真方面的研究。E-mail:honin@zjvtit.edu.cn。