陳 瑜

(上海船舶運輸科學(xué)研究所，中國 上海 200135）

0 引言

隨著技術(shù)進步和船舶電氣化程度的不斷提高，船舶電站容量日益增大，交流電制已在船舶上占有主導(dǎo)地位?，F(xiàn)代船舶基本都使用交流電站，交流電站由多臺機組并聯(lián)運行供電。為了能夠不間斷的供電，需要進行并車、解列的負荷轉(zhuǎn)移和分配的操作。為了保證船舶電力系統(tǒng)電力質(zhì)量，要提升功率自動分配的響應(yīng)速度、提高機組間功率分配的精度。

本文采用模糊-PID 復(fù)合控制原理，在多機組并車初時采用模糊控制，加快負荷轉(zhuǎn)移速度；當多機組功率分配偏差較小時，采用PID 控制，通過模糊控制器整定PID 參數(shù)，提高多機組功率分配精度。

1 傳統(tǒng)船舶電站PID 控制器結(jié)構(gòu)與原理

傳統(tǒng)PID 控制器具有算法簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高的特點，是自動化船舶電力系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一類控制器。

傳統(tǒng)PID 控制器的輸出量為u(t)，輸入量為e(t)，它們之間的關(guān)系式為

式中u(t)為控制油門大小的模擬量脈沖信號，e(t)為本機功率與在網(wǎng)機組平均功率的功率差，Kp為比例增益，KI為積分增益，KD為微分增益。

傳統(tǒng)PID 控制器通過采集并處理發(fā)電機組頻率、電壓、電流、功率差信號，通過PID 計算后輸出合理的脈沖調(diào)整信號，以達到各臺機組間功率平衡的目的，保證電力質(zhì)量。

2 模糊-PID 控制器的結(jié)構(gòu)與原理

2.1 模糊控制理論簡述

模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機數(shù)字控制。模糊控制是基于豐富操作經(jīng)驗總結(jié)出的、用自然語言表述控制策略，或通過大量實際操作數(shù)據(jù)歸納總結(jié)出的控制規(guī)則，用計算機予以實現(xiàn)的自動控制。它與傳統(tǒng)控制的最大不同，在于不需要知道控制對象的數(shù)學(xué)模型，而需要積累對設(shè)備進行控制的操作經(jīng)驗或數(shù)據(jù)，它是一種非線性控制，屬于智能控制。

2.2 船舶電站模糊-PID 控制器原理

無論經(jīng)典控制理論還是現(xiàn)代控制理論設(shè)計一個控制系統(tǒng)，都需要事先知道被控制對象精確的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)數(shù)學(xué)模型以及給定的性能指標，選擇適當?shù)目刂埔?guī)律，進行控制系統(tǒng)設(shè)計。然而，在許多情況下被控對象的精確數(shù)學(xué)模型很難建立。船舶電站多機組并車負荷轉(zhuǎn)移時，各類參數(shù)多變，要獲得滿意的控制效果，就需要對PID 的參數(shù)不斷的進行在線調(diào)整。由于電壓、電流、頻率、功率變化無常，往往沒有確定不變的數(shù)學(xué)模型和規(guī)律可循，利用模糊控制器調(diào)節(jié)成為一個可行的選擇。模糊控制器充分利用船舶電力系統(tǒng)操作人員的實踐操作經(jīng)驗，充分發(fā)揮PID 控制器的優(yōu)良控制作用，使船舶電力系統(tǒng)達到最佳的功率分配效果。

以船舶電力系統(tǒng)最常見的雙機并車，總功率100kW 為例。其單機功率與在網(wǎng)機組平均功率差論域X=[-50，50]（kW），功率差變化率論域Y=[-5，5]（kW/t）。使用模糊控制器對它進行調(diào)節(jié)，要求單機功率與在網(wǎng)機組平均功率差為0±50kW。采用7 個等分的三角形模糊子集涵蓋功率變化的范圍：NB（負大）、NM（負中）、NS（負小）、Z（零）、PS（正?。?、PM（正中）、PB（正大）；采用5 個等分的三角形模糊子集覆蓋功率變化率的范圍：NB（負大）、NS（負?。?、Z（零）、PS（正?。B（正大）。通過模糊論域取值方法可以得出任意時刻的功率差及功率差變化率所對應(yīng)的模糊論域及模糊子集。

2.3 調(diào)節(jié)傳統(tǒng)PID 控制器三個參數(shù)的模糊規(guī)則

通過多次操作的經(jīng)驗總結(jié)或多次操作的數(shù)據(jù)處理，結(jié)合理論分析可以歸納出功率差e、功率差變化率ec 跟PID 調(diào)節(jié)器的三個參數(shù)KP、KI、KD間的關(guān)系

（2）當5%Pe≤≤20%Pe時，應(yīng)取較小的KP，這樣可以使負荷轉(zhuǎn)移響應(yīng)的超調(diào)略小一點；此時可以適當增加KI的取值。

2.4 模糊-PID 控制器結(jié)構(gòu)

圖1 模糊PID 控制器結(jié)構(gòu)圖

把輸入傳統(tǒng)PID 控制器的功率差e 和功率差變化率ec 同時輸入模糊控制器。分別對傳統(tǒng)PID 控制器三個參數(shù)KP、KI、KD進行調(diào)節(jié)，把得到的修正量ΔKP、ΔKI、ΔKD輸入到PID 控制器，對三個參數(shù)進行實時在線修正。

3 模糊-PID 控制器在調(diào)試生產(chǎn)中的作用

以船舶電力系統(tǒng)最常見的雙機并車，總功率100kW 為例。原在網(wǎng)機組功率由100kW 降至50kW，后并入機組功率升至50kW。

使用傳統(tǒng)PID 控制器調(diào)節(jié)負荷轉(zhuǎn)移，如圖2。

圖2 傳統(tǒng)PID 控制器負荷轉(zhuǎn)移調(diào)整過程

使用模糊-PID控制器調(diào)節(jié)負荷轉(zhuǎn)移，如圖3。

圖3 模糊PID 控制器負荷轉(zhuǎn)移調(diào)整過程

試驗數(shù)據(jù)表明：利用模糊-PID 控制器控制負荷轉(zhuǎn)移過程，當本機組與在網(wǎng)機組平均功率差較大時，有較快的負荷轉(zhuǎn)移響應(yīng)速度；當功率差較小時，具有較小的超調(diào)量。

4 結(jié)論

本文針對船舶電站負荷轉(zhuǎn)移時傳統(tǒng)PID 控制器初期響應(yīng)慢、后期超調(diào)量大的不足之處，利用模糊控制修正PID 控制器的三個參數(shù)，以得到較好的響應(yīng)速度及較小的超調(diào)量。

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