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1、PI D模糊控制在船舶电站中的应用陈 瑜 (上海船舶运输科学研究所 ，中国 上海 200135）【摘 要 】船舶电站多机组并车负荷转移过程中 ，各 类 参 数 多 变 ，没有确定不变的数学模型和规律可循 ，利 用 模 糊控制器调节成为一个可行 的 选 择 。 调试结果表明利用模糊控制修正传统 PID 控制器的三个参数 ，可以得到较好的响应速度及较小的超调量 。【关 键 词 】模 糊 PID 控 制 ；船 舶 电 站 ；负 荷 转 移0引 言过 模 糊 论域取值方法可以得出任意时刻的功率差及功率差变化率所 对应的模糊论域及模糊子集 。2.3 调 节 传 统 PID 控制器三个参数的模糊规则 通过
2、多次操作的经验总结或多次操 作 的 数 据 处 理 ，结 合 理 论 分 析随着技术进步和船舶电气化程度的不 断 提 高 ，船舶电站容量日益 增 大 ，交流电制已在船舶上占有主导地位 。 现代船舶基本都使用交流 电 站 ，交流电站由多台机组并联运行供电 。 为了能够不间断的供电 ，需要 进 行 并 车 、解列的负荷转移和分配的操作 。 为了保证船舶电力系统 电 力 质 量 ，要 提升功率自动分配的响应速度 、提高机组间功率分配的 精 度 。本 文 采 用 模 糊-PID 复 合 控 制 原 理 ， 在多机组并车初时采用 模 糊 控 制 ，加快负荷转移速度 ；当多机组功率分配 偏 差 较 小 时
3、 ，采 用 PID 控制 ，通过模糊控制器整定 PID 参 数 ，提高多机组功率分配精度 。1 传 统 船 舶 电 站 PID 控制器结构与原理 传 统 PID 控制器具有算法简单 、稳 定 性 好 、可靠性高的特点 ，是 自 动化船舶电力系统中应用最广泛的一类控制器 。传 统 PID 控制器的输出 量 为 u(t)，输 入 量 为 e(t)，它们之间的关系 式 为可以归纳出功率差 e、功 率 差 变 化 率 ec 跟 PID 调 节器的三个参数 K 、P K 、KD 间 的 关 系I（1）当 e(t) 20%P ，e 时 为 加 快负荷转移的响应速度 应 取 较 大 的， K ，这样可以使系
4、统的时间常数和阻尼系数减小 。K 不 能 过 大 ，否 则 会PP 导 致 负 荷 转 移 过 快 ，引起电力系统不稳定 ；未避免负荷转移过程时引 起的超范围控制作用 ， 我 们 取 较 小 的 K ， 以便加快负荷转移响应 ； 为D 避免出现较大的超调 ，我 们 取 K =0 去 掉 积 分 作 用 。I（2）当 5%Pe e(t) 20%Pe 时 ，应 取 较 小 的 KP，这样可以使负荷 转移响应的超调略小一点 ；此时可以适当增加 KI 的 取 值 。（3）当 e(t) 50%Pe 时 ，为使机组间功率平衡 ，我 们 取 较 大 的 KP 和 KI；为避免各机组功率在平衡点出现振荡 ，K
5、D 取 中 间 值 。e和 ec分别表示本机功率与在网机组平均功率差和功率差 变化率的绝对值 ；B、M、S、Z 分别表示覆盖 变量的模糊子集大 、中 、小 、零 ；KP、KI、KD 分 别 为 对 传 统 PID 控 制 器 参 数 KP、KI、KD 的 修 正 值 。 2.4 模 糊-PID 控 制 器 结 构t u(t)=Kpe(t)+KI 乙e()d+KD de(t)dt0式 中 u(t)为 控制油门大小的模拟量脉冲信号 ，e(t)为本机功率与在 网机组平均功率的功率差 ，Kp 为 比 例 增 益 ，KI 为 积 分 增 益 ，KD 为 微 分 增 益 。传 统 PID 控制器通过采集并
6、处理发电机组频率 、电 压 、电 流 、功 率 差 信 号 ，通 过 PID 计算后输出合理的脉冲调整信号 ，以达到各台机组 间功率平衡的目的 ，保 证 电 力 质 量 。2 模 糊-PID 控制器的结构与原理 2.1模糊控制理论简述 模糊控制是以模糊集合论 、模 糊 语 言 变量及模糊逻辑推理为基础 图 1 模 糊 PID 控 制 器 结 构 图的一种计算机数字控制 。 模糊控制是基于 丰富操作经验总结出的 、用自然语言表述控制策略 ，或通过大量实际 操作数据归纳总结出的控制 规 则 ，用计算机予以实现的自动控制 。 它与传统控制的最大不同 ，在 于 不需要知道控制对象的数学模型 ，而 需
7、要 积累对设备进行控制的操作 经 验 或 数 据,它是一种非线性控制 ，属 于 智 能 控 制 。 2.2 船 舶 电 站 模 糊-PID 控 制 器 原 理 无论经典控制理论还是现代控制理论 设计一个控制系统 ，都 需 要 事先知道被控制对象精确的数学模型 ，然 后根据数学模型以及给定的 性 能 指 标 ，选择适当的控制规律 ，进 行 控 制 系 统 设 计 。 然 而 ，在 许 多 情 况下被控对象的精确数学模型很难建立 。 船舶电站多机组并车负荷转 移 时 ，各 类 参 数 多 变 ，要获得满意的控制效果 ，就 需 要 对 PID 的 参 数 不 断的进行在线调整 。 由 于 电 压 、
8、电 流 、频 率 、功 率 变 化 无 常 ，往 往 没 有 确 定不变的数学模型和规律可循 ，利 用 模 糊 控制器调节成为一个可行的 选 择 。 模糊控制器充分利用船舶电力系统 操作人员的实践操作经验 ， 充 分 发 挥 PID 控制器的优良控制作用 ，使 船 舶 电力系统达到最佳的功 率 分 配 效 果 。以船舶电力系统最常见的双机并车 ，总 功 率 100kW 为 例 。 其 单 机 功率与在网机组平 均 功 率 差 论 域 X=-50，50（kW）, 功率差变化率论 域 Y=-5，5（kW/t）。 使用模糊控制器对它 进 行 调 节 ，要求单机功率与 在网机组平均功率差为 050kW
9、。 采 用 7 个等分的三角形模糊子集涵 盖 功 率 变 化 的 范 围 ：NB （ 负 大 ）、NM （ 负 中 ）、NS （ 负 小 ）、Z （零 ）、PS （ 正 小 ）、PM（正 中 ）、PB（正 大 ）；采 用 5 个 等分的三角形模糊子集覆盖功率 变 化 率 的 范 围 ：NB（负 大 ）、NS（负 小 ）、Z（零 ）、PS（正 小 ）、PB（正 大 ）。 通把 输 入 传 统 PID 控制器的功率差 e 和功率差变化率 ec 同 时 输 入 模 糊 控 制 器 。 分 别 对 传 统 PID 控制器三个参数 KP、KI、KD 进 行 调 节 ，把 得 到 的 修 正 量 KP、K
10、I、KD 输 入 到 PID 控 制 器 ， 对三个参数进行实 时 在 线 修 正 。3 模 糊-PID 控制器在调试生产中的作用 以船舶电力系统最常见的双机并车 ，总 功 率 100kW 为 例 。 原 在 网 机 组 功 率 由 100kW 降 至 50kW，后并入机组功率升至 50kW。使 用 传 统 PID 控制器调节负荷转移 ，如 图 2。图 2 传 统 PID 控制器负荷转移调整过程 使 用 模 糊-PID控制器调节负荷转移 ，如 图 3。（下 转 第 10 页 ）作 者 简 介 ：陈 瑜 （1982），男 ，上 海 人 ，研究方向为船舶电气自动化 。Science & Techn
11、ology Vision 科技视界11Science & Technology Vision 科 技 视 界科技探索争鸣本刊视点表 明 ，2003 年 水 体 面 积 为 2217.64 km2，2008 年 水 体 面 积 为2349.99km2，2013 年 水 体 面 积 为 1959.45km2。 对 比 分 析 发 现 ，CIWI 模 型提取的水体面积明显比监督分类的水体面积小 ，但 总体变化趋势一 致 ，均 为 2008 年 面 积 最 大 ，2003 年 次 之 ，2013 年 水 体 面 积 最 小 。 相 较 于监督分类对水体的提取 ，CIWI 模型提取的水体轮廓不明显 ，特
12、 别 是 细小河流以及坑塘等小面积水体的提取不完整 （图 3）。会导致很多小面积的水体不能被提取 。 监督分类虽然提取的水体较准 确 ，但受主观因素影响较多 ，且消耗时间较长 。 CIWI 则可以实现水体 快 速 的 提 取 ，而且方便对水体的时序变化进行研究 。 但 是 ，本 研 究 使 用 CIWI 模型提取水体也还存在一定的不足 。 一 方 面 ， 实 验 使 用 的 是 2 月3 月 的 遥 感 数 据 ， 如 果 能 使 用 5 月9 月水体植被等地物反 应 更 明 显的遥感数据将更有利于水体的提取 。 另 一 方 面 ，如 何 确 定 CIWI 模 型适当的阈值来有效的提取水体也有
13、待进一步研究 。 S【参 考 文 献 】1李 景 刚,李 纪 人 ，黄 诗 锋,等.Terra/MODIS 时间序列数据在湖泊水域面积动态 监测中的应用研究 ：以洞庭湖地区为例J.自 然 资 源 学 报,2009,24(5):923-933.2赖 锡 军,姜 加 虎,黄 群.三峡工程蓄水对洞庭湖水情的影响格局及其作用机制 J.湖 泊 科 学,2012,24(2):178-184.3Paul SF, Kennetii JP. Water body detection and delineation with Landsat TMdataJ.Photogrammetric Engineering
14、& Remote Sensing,2000,66(12):1461-1467.4Geneletti D, Gorte BG. A method for object -oriented land cover classification combining TM data and aerial photographs J.International Journal of RemoteSensing,2003,24(6):1273-1286.5邓 劲 松,王 珂,李 军.决 策 树 方 法 从 SPOT-5 卫星影像中自动提取水体信息研 究J.浙 江 大 学 学 报 ：农业与生命科学版 ，200
15、5,31(2):171-174.6李 玉 凤.基 于 SPOT-5 卫星影像的南四湖水体信 息提取与土地覆被分类研究 D.济 南:山 东 大 学,2008.7骆 剑 承,盛 永 伟,沈 占 峰,等.分布迭代的多 光谱遥感水体信息高精度自动提取 J.遥 感 学 报,2009,13(4):610-615.8Mcfeeters SK. The use of the Normalized Difference Water Index (NDWI) in the delineation of open water features J.International Journal of Remote Sensing, 1996,17(7):1425-1432.9Barton IJ,Bathols JM.Monitoring floods with AVHRR J.Remote Sensing of Environment,1989,30(1):89-94.10陈 静 波,刘 顺 喜,汪 承 义,等.基于知识决策树的城市水体提取方法 研 究 J遥 感 信 息,2013,28(1):29-37.11刘 建 波 ,戴 昌 达 .TM 图像在大型水库库情监测管理中的应用 J. 环 境 遥 感 , 1996,11(1):54-58.12徐 涵 秋.利用改进的归一化差异水体指数 (M
