潜艇推进器模型参考模糊自适应PID控制方法研究

工业控制与应用　斌自动化技术与应用》２００８年第２７卷第１期　ｎｄｕｓｔｒｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　潜艇推进器模型参考模糊自适应Ｐ　Ｉ　Ｄ　控制方法研究　张敏，李国斌　（哈尔滨工程大学自动化学院黑龙江哈尔滨１５０００１）　摘　要：本文主要介绍了模型参考模糊自适应ＰＩＤ控制在潜艇推进液压伺服系统中的应用。潜艇推进液压伺服系统因随外界环境的　变化而变化，因此常规ＰＩＤ控制无法满足要求，本文采用模型参考模糊自适应ＰＩＤ控制对其进行控制，并对控制结果进行仿真　分析，通过与传统ＰＩＤ控制进行比较从而得出该控制方法可以有效抑制负载干扰和参数扰动，具有很强的鲁棒性。　关键词：液压伺服系统；模型参考模糊自适应ＰＩＤ控制；ＰＩＤ控制　中图分类号：ＴＰ２７３．２１　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００３　７２４１（２００８）０１　００１７　０４　Ｍｏｄｅｌ　Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　Ｆｕｚｚｙ　Ａｄａｐｔｉｖｅ　Ｐ　Ｉ　Ｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆＯｒ　ｔｈｅ　Ｓｕｂｍａｒｉｎｅ　ＰｒｏｐｅＩｌｅｒ　ＺＨＡＮＧ　Ｍｉｎ，ＬＩ　Ｇｕｏ・ｂｉｎ　（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＨａｒｂｉｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５０００１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａｎ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｏｄｅｌ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｕｚｚｙ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｕｂｍａｒｉｎｅ　ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｓｅｒｖｏ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏ１．Ｉｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｃａｎ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｕｎｋｎｏｗｎ　ａｎｄ　ｔｉｍｅ—ｖａｒｉｎｇ　ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｌｏａｄ　ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｓｅｒｖｏ　ｓｙｓｔｅｍ；ｍｏｄｅｌ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｕｚｚｙ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌ　１引言　通常是不确定和未知的，严重影响系统的性能，因此传统的ＰＩＤ控　潜艇的推进方式有很多种，本文中采用液压伺服系统驱动螺　制结果不够理想。本文将自适应控制、模糊控制和ＰＩＤ控制结合　旋桨，系统方框图如下图１所示，它具有体积小、质量轻、响应速度　起来形成模型参考模糊自适应ＰＩＤ控制（简称ＭＲＦＡ　ＰＩＤ），该　快、控制精度高等一系列优点，在工业控制中获得了广泛的应用。　控制综合各自的优点以得到较好的控制结果。　本文首先建立了潜艇推进液压伺服系统的数学模型，然后以　该模型为被控对象进行Ａ　ＦＡ　ＰＤ控制，最后进行仿真分析井与　传统的ＰＩＤ控制结果进行比较。　２潜艇推进液压伺服系统的建模［１］　本文中驱动潜艇螺旋桨的液压伺服系统采用阀控马达速度　图１潜艇推进液压伺服系统方框图　控制系统，确定系统液压元件后，得到阀控马达系统传递函数方框　对于液压伺服系统的控制传统的多采用常规的ＰＩＤ控制，但　图如下图２所示。　由于该系统本身比较复杂，其对象参数会随着环境条件的变化而　其中Ｕ为系统输入，０。为系统输出，　为外负载力，其余　发生变化，而且许多液压伺服系统都存在外部负载干扰，这些扰动　各符号沿用液压伺服系统中通常意义下的表示和含义。系统　参数如下：　Ｋ　＝１０（ｍＡ　Ｉ　ｙ）　，＝ｏ・２５５　ｄ　收稿日期：２　０　０７—０９－２　０　Ｋ口：１．１３　Ｘ　１０一ｍ　／　ｍＡ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ＆ＡｐｐＩ瞄．的ｎｓ　Ｉ　１　７　维普资讯 http://www.cqvip.com

《自动化技术与应用》２００８年第２７卷第１期　工业控制与应用　ｎｄｕｓｔｒｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｗ　＝６２８　ｔａｄ／　＝０．７０　ｗ　ｈ＝１３２　Ｄ　１．１２×１０　毛ｈ＝ｏ．３２　Ｊ　Ｊｌｆ＝０．０１６７　Ｋｇ－ｍ　Ｊ：ＪＭ＋Ｊ　Ｌ：ｏ．０６０７Ｋｇ‘ｍ｜　Ｋ　＝１×１０一“　　ｍ。　Ｖｌ＝３．３１２×１０一本文中负载螺旋桨的直径Ｄ：ｏ．８６　Ｊｆ：０．０４４（ＩＣｅ，．ｍ　）。　，转动惯量　图３模型参考模糊自适应ＰＩＤ控制原理图　本文中模糊控制器的设计思路如下［４ｌ：　（１）模糊控制器输入变量、输出变量的论域确定及参数选择。　本文中模糊控制器为二维控制器，有两个输入变量分别为　参考模型的输出与被控对象之差Ｅ和误差变化率ＥＣ，输出为　ＰＩＤ参数　的增益ＡＫ　。本文中定义Ｅ、ＥＣ、ＡＫ　的实际论　域分别为：【一６０，６０１、［－３００，３００】、［－ｏ．０１，０．ｏ１］，其相应的模糊论　图２阀控马达速度控制系统传递函数方框图　根据方框图及系统参数值可得阀控马达速度控制系统的开　环传递函数为：　域分别为：【一６，６】、【一３，３】、【一０．３，０．３】。对应的量化因子和比例　因子分别为：　Ｋ　＝６／６０：０．１，Ｋ　：３／３００＝０．０１，　Ｋ　＝０．０１　／０．３＝０．０３　一　一：　了　　㈤　．（２）确定输入输出变量的语言变量及其隶属度函数。　在设计模糊控制器时选择较多的词汇描述输入、输出变量，　可以使制定的控制规则更加具体，但是控制规则相应变得很繁杂，　这样会降低模糊控制的优越性。选择词汇过少，使得描述变量粗　ＫｏＫｑＫｆＫｏ：一Ｄ．，　：　！　！：！　！　：：　：　：２５７　１．１２×１０　糙，导致控制器的性能变坏。本系统的输入输出均选择前述的七　个词汇，定义各变量的模糊子集均为：Ｅ比嘶：｛ＮＲＮＭ，ＮＳ，ＺＰＳ￣ＰＭ，嘲　即：｛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大｝。　３模型参考模糊自适应ＰＩ　Ｄ控制器的设计　模型参考模糊自适应ＰＩＤ控制将自适应控制、模糊控制和　常见的隶属度函数有三角形型、高斯型、ｚ型等等，本文中　选择三角形型。则输入、输出变量Ｅ，ＥＣ，△　的隶属度函数如　图４所示。　ＰＩＤ三者结合起来，利用模糊逻辑实现系统的自适应控制，这样　避免因系统阶次较高而导致自适应律的复杂推导。控制原理如　图３所示【３Ｊｏ　本文中的ＰＩＤ控制，利用模糊自适应机构对　进行在线调　整，积分系数采用变积分方法，微分采用事先整定。这样既可以达　到较好的控制效果，同时也可以避免对三个参数同时在线调整而　导致控制器过于复杂。　（３）设计模糊控制器的控制规则。　模糊控制设计的核心是　结工程设计人员的技术知识和实　际操作经验，建立合适的模糊规则表。从系统的稳定性、快速　性、超调量和稳态精度等各方面来考虑，比例系数Ｋ，的主要作　用为：加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。Ｋ，越大，系统　的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导　致系统的不稳定。Ｋ，取值越小，则会降低调节精度，使响应速度　缓慢，从而延长调节时间，使静态特性，动态特性变坏。基于Ｋ，　采用积分分离手段，即在被控量开始跟踪时，取消积分作用，　而当被控量接近新的给定值时才将积分作用投入。采取这一措　施后，可以充分发挥积分作用在消除静差、提高精度方面的优　对系统肚能的影响，其整定方法为：在调整过程的起始阶段，适当　地把Ｋ，放在较小档次以减少各种物理量初始变化所产生的冲　点，避免由于加强积分作用而带来的系统稳定性变化和最大偏差　增大的缺点【２】ｏ　击；在调整过程的中期，适当加大Ｋ，以提高系统的快速性和动态　维普资讯 http://www.cqvip.com

工业控制与应用　《自动化技术与应用》２００８年第２７卷第１期　ｎｄｕｓｔｒｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　精度｝在调整过程的后期，须将Ｋ，调小，以减少系统的超调量并　数Ｋ，地在线修正，则修正后的Ｋ，为：　减小系统的静态误差。　Ｋ　Ｐ＝Ｋ　Ｐ。＋ＡＫ　Ｐ　（２）　Ｋ，‘一为初始设定的ＰＩＤ比例参数值。　（４）确定模糊推理与反模糊化的方法。　建立输入输出语言变量及其隶属度函数，并构造完成模糊规　则之后，就可执行模糊推理计算，常用的推理方法有Ｍａｍｄａｎｉ型　模糊推理算法、Ｌａｒｓｅｎ模糊推理算法、Ｔａｋａｇｉ－Ｓｕｇｅｎｏ型模糊推　理方法等。模糊控制器的最后一个环节为去模糊化，目前经常用　到的去模糊方法是：Ｃｅｎｔｒｏｉｄ（面积中心法）、最大隶属度取最大法、　最大隶属度取最小法、平均最大隶属度方法、面积平分法、加权　平均法等。　本文中采用Ｍａｍｄａｎｉ型模糊推理算法和加权平均法进行模　糊推理计算与去模糊化。　（５）调整量化因子和比例因子以达到最佳控制效果。Ｋ。、Ｋ　和Ｋ　对系统影响如下：　（ｉ）、增大Ｋ　可以提高系统的响应速度，同时也可以增强系　统的抗扰动能力。但Ｋ。过大时可能系统产生振荡；　（ｉｉ）、增大Ｋ．也可以提高响应速度，但会降低系统的抗扰动　能力，且Ｋ　过大也会导致系统振荡，因此选择时应折中考虑响应　速度和抗扰动能力，以期望得到较为满意的效果；　（血）、减小Ｋ　可以提高系统响应速度，但Ｋ　过小可能会导　致系统振荡。　综合考虑Ｅ述因素及多次仿真试验，得到能获得较为满意的　试验结果的Ｋ　、Ｋ　、Ｋ。值分别为：Ｋ　＝０．１　８，Ｋ　＝０．００１，　Ｋ　＝０．９０。　¨瞧两散　—般的模型参考自适应控制要求参考模型必须和系统模型　图４输入输出的隶属度函数　具有相同阶次，这大大限制了其应用范围。模型参考模糊自适应　通过总结工程人员的经验以及以上Ｋ，的作用及调整方法，　控制由于模糊自适应机构仅仅根据参考模型与受控系统输出之差　得到Ｋ，的模糊控制规则表如下表１所示：　及其变化率产生调节作用，因此可以用低阶系统作为参考模型。　本文中采用二阶模型，为使参考模型的最大超调仃＜５％，调　｛　节时间ｔ　＜５０ｍｓ，选择参考模型为：　＼Ｂ　Ｉ　Ｓ　Ｚ　ＰＳ　Ｐ、１　ＰＢ　Ｇ　ｍ　）＝　　●＼Ｂ　ＰＢ　ＰＢ　Ｐ　Ｉ　ＰＭ　ＰＳ　Ｚ　Ｚ　４仿真研究　ＰＢ　ＰＢ　Ｐ　Ｉ　ＰＳ　ＰＳ　Ｚ　本文中采用ｍａｆｌａｂＸ￣系统进行仿真，并与传统的ＰＩＤ控制进　Ｓ　Ｐ　｛　Ｐ　Ｉ　ＰＳ　Ｚ　Ｓ　Ｓ　行比较。系统参数选择如下：Ｋ，：０．１，当　≥５时，Ｋ．＝０；　Ｚ　ＰＭ　Ｐ、Ｉ　ＰＳ　Ｚ　Ｓ　Ｉ　Ｉ　＜５时Ｋ　：４；　＝０．００３，　＝０．１８，　＝０．００１，Ｋ。＝０．９０。　ＰＳ　ＰＳ　ＰＳ　Ｚ　Ｓ　＼Ｓ　＼ｌ　ｆ　系统仿真从以下几方面进行：在给定系统输入Ｕ＝ｌ０・１（ｆ）　Ｐ　ｌ　ＰＳ　Ｚ　＼、１　ｉ　Ⅵ　时系统空载时、突加负载时、系统参数发生变化时由此两种控制　ＰＢ　Ｚ　Ｚ　Ｓ　＼Ｂ　方式所对应的系统的响应曲线分别如下图所示。　表ｌ　ＡＫ，的模糊规则表　由控制结果可以看出，空载时（图５），常规ＰＩＤ控制所产生　确定上述模糊规则后，模糊自适应机构就可以实现对ＰＩＤ参　的系统地响应的超调要远远大于ＭＲＦＡ　ＰＩ［）控制，且系统响应速　维普资讯 http://www.cqvip.com Ⅸ自动化技术与应用》２００８年第２７卷第１期　工业控制与应用　ｎｄｕｓｔ￣Ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　度也较低；系统突加载时（图６）（Ｔ　＝７ＯＮ．ｍ），ＭＲＦＡ　ＰＩＤ控　制时角速度的下降也要小于常规ＰＩＤ控制，说明该控制的抗负载　扰动能力高于常规ＰＩＤ控制；当系统参数Ｗ　和｛　发生变化（图　７），系统开环传递函数变为：　Ｇ　ｓ）：　０　２５．７　丽　了　了　时，常规ＰＩ【）控制因被控对象参数变化而导致系统响应出现震荡，　而ＭＲＦＡ　ＰＩＤ控制受参数变化的影响较小。　图７系统参数发生变化时响应曲线｝匕较　５结束语　从仿真结果曲线可以看出，本文将模型参考模糊自适应ＰＩＤ　控制引入到对潜艇推进系统的控制中，当系统突加载或参数变化　时，该控制方法比传统的ＰＩＤ控制有更强的自适应陛和鲁棒性，因　此结合了自适应控制、模糊控制和ＰＩＤ控制三者优点的模型参考　模糊自适应ＰＩＤ控制是一种较好的控制方法。　一　曩　｜　≮　图５空载时系统响应曲线比较　参考文献：　【ｌ】　梁利华。液压传动与电液伺服系统【Ｍ】．哈尔滨：哈尔滨工　堪０００｛　譬二三　０ｌｌｌｌ　嘲　≥　｝　｝　…｛＊　露：　｝・－“鬻　申……。￡￥　一…－臻－　；孽毋・　ｉ　誊　≯ｊ　鬟　童：：毽黧－　ｌ　薹　溺０童　薹ｔ　０疆ｌｉ曩－。　逢蠢　擘　１　ｊｌｉ？　ｉ譬ｌ１｝娑一　ｌ　｝　；　程大学出版社，２００５．　【２】陶永华，尹怡欣，葛芦生．新型ＰＩＤ控制及应用【Ｍ】．ｊＥ京：　机械工业出版社，ｌ　９９８。９．　【３】黄镇海。液压伺服位置系统的智能控制【Ｄ】．燕山大学硕士　论文，２００ｌ　一◇｝。　图６突加载时系统的响应曲线比较　（上接第２６页）　誊　ｊｌ。　【４】章卫国，杨向忠。模糊控制理论与应用【Ｍ】。西安：西ｊＥ工业　大学出版社，ｌ　９９９　作者简介：张敏（１　９　８卜），女，硕士，研究方向：船舶航行与姿　态控制。　间变短，很好地满足控制系统的要求。而且，从仿真图呵以看出，在参　说　复合控制系统整合ＴＰ］Ｄ￣Ｊ和模型参考自适应腔制各自的优　势，其调节　自适应控制。　［２】张静，曹玉强等．大时滞过程的自整定ＰＩＤ控制器［Ｊ】．自动　化，２００６，２５（３）：６３－６６　［３】陶永华等．新型ＰＩＤ控制及其应用［Ｍ】．北京：机械工业出　版社．１９９８　［４】杨帆．参考模型自适应控制系统的仿真研究［Ｊ】．计算机与　现代化，１９９９（６）２７～３２　［５】　高军礼，邓则名等．可调增益的模型参考自适应控制及其　仿真ｆＪ】．信阳师范学院学报，２００ｌ，１４（３）：３４１－３４３　［６】顾生杰．基于ｓｉｍｕｌｉｎｋ的非线性优化ＰＩＤ控制［Ｊ】．自动化　与仪器仪表，２００６（２）６２～６６　［７】王建国，张井岗等．时滞系统增益自适应内模ＰＩＤ控制ｆＪ】．　吉林大学学报，２００４，２２（４）：３５５－３５８　［８】　张泉灵，王树青．基于ＭＡＴＬＡＢ的自适应预测函数控制　计算机辅助设计［Ｊ】．化工自动化及仪表，２００１（２），３３—３７　［９】杨丽，肖冬荣．控制系统稳定性判据应用与ＭＡＴＬＡＢ仿真　［Ｊ】．武汉理工大学学报（交通科学与工程版），２００７，３　ｌ（２）：２８５－２８８　６结束语　仿真结论表明：该复合控制系统取得了较好的控制擞‘果，在被　控对象参数发生变化和外界环境发生变化时，其鲁棒性优于常规　的ＰＩＤ控制和模型参考自适应控制，提高了控制的品质，并且克　服了单—ＰＩＤ控制和模型参考自适应控制不能进行分时控制的弊　端，为进一步在具体工业生产提供了模型依据。　参考文献：　［１］　刘川来，胡乃平等．一类时滞系统的模型参考自适应控制　［Ｊ】．仪器仪表学报，１９９８，ｌ９（４）：３９３－３９８　作者简介：刘川来，（１　９　４　７一），男，山东人，教授，研究生导师；研　究方向：计算机控制系统，信息管理系统，自适应与智能控制系统。