高壓隔離開關(guān)控制箱環(huán)境溫濕度模糊PID控制策略研究*

□ 李少東 □ 張 敏 □ 黃國(guó)兵

西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 西安 710048

高壓隔離開關(guān)作為電力系統(tǒng)的一個(gè)重要元件，是電網(wǎng)中使用量最大的開關(guān)電器之一［1］，其智能化控制組件隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展而備受關(guān)注。智能控制組件的工作環(huán)境一般在戶外，當(dāng)控制箱內(nèi)的溫濕度波動(dòng)超過一定范圍時(shí)，箱內(nèi)的電子元器件很容易被氧化腐蝕，嚴(yán)重影響到高壓隔離開關(guān)的開合性能。傳統(tǒng)溫濕度的控制大多使用PID控制，該方法在確定的系統(tǒng)中穩(wěn)定性好、精度高；不足之處是，對(duì)于像溫濕度這類具有非線性、時(shí)變和大時(shí)滯的控制對(duì)象，控制效果不理想，并且難以建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型［2］。

筆者將模糊數(shù)學(xué)與PID控制進(jìn)行有效的結(jié)合，設(shè)計(jì)了一個(gè)模糊PID控制器，該控制器可以根據(jù)溫濕度的偏差信號(hào)來動(dòng)態(tài)改變PID控制器的參數(shù)，從而改善控制效果，滿足控制箱所需的環(huán)境溫濕度要求［3］。

1 溫濕度模糊PID控制器設(shè)計(jì)

1.1 基本原理

模糊PID控制是在傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，用模糊推理的思想對(duì) PID 的比例（Kp）、積分（Ki）和微分（Kd）3個(gè)參數(shù)進(jìn)行整定， 再根據(jù)參數(shù) Kp、Ki和Kd與偏差 e（k）和偏差變化率 ec（k）建立自整定函數(shù)關(guān)系，使系統(tǒng)可以在不同狀態(tài)下自動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)來達(dá)到相應(yīng)的控制要求。該控制器是以溫度（或濕度）偏差和偏差變化率作為輸入量，運(yùn)用模糊推理系統(tǒng)，對(duì)不同時(shí)刻的PID參數(shù)進(jìn)行整定，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

數(shù)字PID控制器的輸出參數(shù)為:

增量式數(shù)字PID控制器的輸出參數(shù)為：

▲圖1 模糊PID控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

式中：Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)，Ki=Kp/Ti，Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Kd為微分系數(shù)，Kd=KpTd，Td為微分時(shí)間常數(shù)；U（k）為第 k 個(gè)采樣時(shí)刻控制器的輸出量；e（k）為第k個(gè)采樣時(shí)刻控制器輸入量 （信號(hào)偏差值）；T為采樣周期。

采用增量式算法，有助于提高算法的抗積分飽和功能，可以糾正被控過程中變量由于擾動(dòng)作用而發(fā)生的漂移（偏離設(shè)定點(diǎn)）［4］。

1.2 參數(shù)自整定規(guī)則

參數(shù)自整定就是找出不同偏差e（k）和偏差變化率ec（k）對(duì)PID參數(shù)自整定的關(guān)系，利用模糊推理規(guī)則對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改，從而使被控對(duì)象有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。根據(jù)隔離開關(guān)周圍環(huán)境溫濕度的實(shí)際變化情況并結(jié)合PID控制算法，可以得出如下PID參數(shù)Kp、Ki和Kd的自整定規(guī)律。

（1）在|e|較大時(shí)，為盡快消除偏差、提高響應(yīng)速度，Kp取較大值，Kd取較小值，同時(shí)為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)過大的超調(diào)，應(yīng)去掉積分作用，即Ki取零值。

（2）在|e|中等時(shí)，為繼續(xù)減小偏差并使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào)，Kp要取較小值，Ki和Kd取值小一點(diǎn)。

（3）在|e|較小時(shí)，為使系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)態(tài)性能，Kp和Ki都要取大值，同時(shí)，Kd的取值要適當(dāng)，以免在平衡點(diǎn)附近出現(xiàn)振蕩。考慮到系統(tǒng)的抗干擾性能，當(dāng)|ec|較大時(shí),Kd可取小一些，當(dāng)|ec|較小時(shí)，Kd取大一些。

表1 Kp/Ki/Kd的模糊規(guī)則表

1.3 模糊推理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.3.1 確定輸入變量

結(jié)合模糊推理系統(tǒng)，對(duì)溫濕度進(jìn)行量化處理，建立輸入和輸出關(guān)系，選擇具有模糊集合線性分布的三角形隸屬函數(shù)［5］，取溫度（或濕度）偏差 e 和偏差變化率ec作為模糊控制器的輸入量，將其量化在［-6，6］論域之中，偏差 e（或偏差變化率 ec）對(duì)應(yīng)的模糊子集分 7 檔：NB（負(fù)大），NM（負(fù)中），NS（負(fù)小），ZO（零），PS（正小），PM（正中），PB（正大）。3個(gè)輸出量Kp、Ki、Kd的模糊論域及語言值模糊子集與輸入相同，為方便解模糊算法，隸屬度函數(shù)同樣選用三角形。相應(yīng)的隸屬度函數(shù)曲線如圖2所示。

1.3.2 建立模糊推理規(guī)則

模糊推理規(guī)則具有模糊條件句的形式，針對(duì)難以建立精確數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)，采用人工智能的方法，總結(jié)專家的經(jīng)驗(yàn)，最終表述成模糊推理規(guī)則的形式［6］。隔離開關(guān)控制箱環(huán)境溫濕度模糊推理規(guī)則建立的基本思想是，根據(jù)工作現(xiàn)場(chǎng)溫濕度與設(shè)定溫濕度之間的偏差以及偏差變化率的變化來確定控制變量的大小，通過模糊規(guī)則整定PID控制器的3個(gè)參數(shù)，達(dá)到期望的控制效果。結(jié)合Kp、Ki和Kd3個(gè)參數(shù)之間的相互影響，根據(jù)長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)Kp、Ki和Kd的模糊推理規(guī)則如下：

IF （e is NB） and（ ec is NB） THEN （Kp is PB）（Ki is NB）（Kd is PS）

IF （e is NM）and（ec is NB）THEN （Kp is PM）（Ki is NB）（Kd is PS）

……

IF （e is PB） and（ ec is PB） THEN （Kp is NB）（Ki is PB）（Kd is PB）

根據(jù)模糊推理規(guī)則，建立Kp、Ki、Kd的模糊規(guī)則表，見表1。

▲圖 2 e、ec、Kp、Ki和 Kd的隸屬度函數(shù)

模糊決策中，模糊推理類型FIS（FIS-Fuzzy Inference System）采用 Mamdani的（min-max）決策法。解模糊采用重心法（centroid），在membership Function Editor窗口，對(duì)輸入變量 e、ec 和輸出變量 Kp、Ki、Kd進(jìn)行確立，設(shè)計(jì)的部分模糊規(guī)則觀察器和模糊推理輸入輸出關(guān)系曲面如圖3、圖4所示。

1.3.3 總模糊關(guān)系及輸出表的生成

根據(jù)Kp、Ki和Kd各自的模糊規(guī)則表計(jì)算出系統(tǒng)每個(gè)輸出的規(guī)則查詢表，在實(shí)際運(yùn)行的時(shí)候，通過查詢?cè)摫砜梢缘玫较到y(tǒng)在不同運(yùn)行狀態(tài)下系統(tǒng)的控制輸出。

2 系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析

溫濕度模型是一個(gè)大慣性、非線性、大滯后的復(fù)雜被控對(duì)象，其傳遞函數(shù)為［7］:式中：K為對(duì)象的靜態(tài)增益；τ為對(duì)象的純滯后；a1、a2為極點(diǎn)參數(shù)。

▲圖3 模糊規(guī)則觀察器

▲圖4 輸入輸出關(guān)系曲面

對(duì)模糊PID和PID進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5所示。

對(duì)比仿真結(jié)果可知，采用PID控制時(shí)，超調(diào)量大，達(dá)到穩(wěn)態(tài)所用的時(shí)間長(zhǎng)。運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線自整定，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線具有超調(diào)量小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、穩(wěn)態(tài)精度高、效果好的控制特點(diǎn)，使系統(tǒng)對(duì)溫濕度控制具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。

▲圖5 PID控制和模糊PID控制對(duì)比圖

3 結(jié)束語

采用模糊PID控制器對(duì)高壓隔離開關(guān)控制箱環(huán)境溫濕度進(jìn)行控制，提高了系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能，增強(qiáng)了智能組件控制系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。同時(shí)，由于在溫濕度控制系統(tǒng)中模糊PID控制技術(shù)的應(yīng)用,有效保證了電力系統(tǒng)中隔離開關(guān)控制箱內(nèi)低壓電子元器件工作的可靠性和安全性，具有良好的應(yīng)用前景。

［1］ 胡彥民，鄭建華.基于DSP2812的隔離開關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制器的設(shè)計(jì)［J］.高壓電器，2013，49（8）：85-92.

［2］ 張盼盼，趙剛.溫濕度解耦的模糊PID-自適應(yīng)Smith控制［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2012，39（10）：1260-1264.

［3］ 薛定宇.控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)-MATLAB語言與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2012.

［4］ 鄭輯光，韓九強(qiáng)，楊清宇.過程控制系統(tǒng)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2012.

［5］ Pedrycz W.Why Triangular Membership Functions［J］.Fuzzy Sets and System，1994，64：21-30.

［6］ 孫增圻，鄧志東，張?jiān)倥d.智能控制理論與技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

［7］ 張德豐.MATLAB自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.