模糊控制器的设计及其在隧道风机控制系统中的应用.pdf

G月 技 术 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 3 ． 0 2 ． 0 1 3 模糊控制器的设计及其在隧道风机控制系统中的应用 汤先驰 上海电器科学研究所，上海 2 0 0 0 6 3 摘要详细介绍了模糊控制器的设计步骤，以及不同模糊控制器的应用场合。以隧道风机控制系统作为应用实例，通过M a t l a t 模糊控制箱来实现模糊控制器的设计并建立离线查询表 ， 然后在以P L C 作为硬件平台来实现对风机的模糊控制。 关键词模糊控制器；隧道风机控制；查询表； 模糊控制箱；P L C 中图分类号 T P 2 7 3 ．4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 9 4 9 2 2 0 1 3 0 20 0 5 6一O 6 De s i g n o f F u z z y Co n t r o l l e r a n d I t s Ap p l i c a t i o n i n t h e Tu n n e l F a n Co n t r o l S y s t e m TANG Xi a n-c h i S h a n g h a i E l e c t r i c A p p a r a t u s Re s e a r c h I n s t i t u t e ，S h a n g h a i 2 0 0 0 6 3 ，Ch i n a Abs t r a c t T h i s a r t i c l e q u i t e c l e a r l y i n t r o d u c e d t h e d e s i g n p r o g r e s s o f f u z z y c o n t r o l l e r a s w e l l a s i t s v a r i o u s a p p l i c a t i o n ．As a r e a l i t y a p p l i c a t i o n，t h e t u n n e l f a n c o nt r o l s y s t e m a c h i e v e s t he d e s i g n o f f uz z y c o n t r o l l e r t h r o u g h Ma t l a b f u z z y b o x a n d s e t u p t h e o f f - l i n e e n q u i r y f o r m． T h e n t h e fan o f f u z z y c o n t r o l i s r e a l i z e d v i a u s i n g P LC h a r d wa r e p l a t f o r m． Ke y wo r ds f u z z y c o n t r o l l e r ；t u n n e l f a n c o n t r o l ；l o o k- u p t a b l e；f u z z y b o x；P LC 0引言 在现代工业控制系统 中，P L C因其可靠性 高 、抗干扰能力强 、指令丰富、维护方便等优 点 ，在进行逻辑控制方面的应用十分广泛。将 P L C 丰富的指令功能与模糊控制算法相结合，对 一 些复杂的非线性系统进行模糊控制 ，能达到较 好 的控制效果。本文着重介绍了模糊控制器 的设 计步骤，以及不同模糊控制器的应用场合。以隧 道风机控制系统作为应用实例，通过在P L C 上编 程来实现模糊控制算法。一方面利用P L C的稳定 性和高速计算能力 ，不用单独使用模糊控制芯 片，这样降低了模糊控制系统的成本；另一方面 可以用模糊控制技术来优化风机控制系统，使得 风机开启 和关 闭更 加智 能化 以此来 提高通 风效 率 ，降低运营成本。 1 模糊控制器的设计步骤 1 ． 1 结构设计 结构设计是模糊控制系统的核心，它的好坏 直接影响到模糊控制系统的精度。一般来说模糊 收稿 日期 2 0 1 20 80 8 控制器的结构 由五个部分组成 ，分别是模糊 化接 口、数据库 、规则库 、推理算法和解模糊接 口Ⅲ ， 如图 1 所示。 模 糊控 制 器结构 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一J 图1 结构组成 1 ． 2 参数选择 模糊控制系统参数主要包括模糊语言集的选 择 、模糊等级选择 以及隶属 函数的选择。模糊控 制也可以说是一种语言控制 ，正是因为这些模糊 语言所能包含的信息量更大、更灵活，所以对一 些不能用二义性 是或不是的词 汇来描述的变 量来说，用模糊语言更能够表达准确的意思。通 过模糊语言将一个确定量输入转换成一个模糊矢 汤先驰 模糊控制器的设计及其在隧 道风 机控制系 统中的应用 壅 量 。隶属函数反映了某个模糊语言子集在其相应 论域中对所取值的隶属程度。针对不同的系统需 选择不同的隶属函数，这样才能正确反映模糊语 言子集的隶属程度关系。但就大多数系统而言 ， 三角形 和梯形隶 属函数适用最为广泛 。如图 2 所 示，左边为三角形隶属函数，右边为梯形隶属函 数。 0 。 1 ．O ” 1 ．O 图2隶属函数图 1 ． 3 规 则建 立 有了模糊语言集 、模糊量化等级和隶属度 函数 之 后 就 可 以建 立 模 糊 规 则 ，进 行 模 糊 推 理 。模糊规则 的建立也被称为专家经验规则 ， 是 通过设 计者在 对该 控制 系统进行 充分 了解之 后 ，为了系统满足想要得控制效果而给出的一 系列控制规则 。可以说控制规则建立的好坏将 直接影 响到整个模糊控制 系统控制效果 的好坏 。 由于模糊规则是设计者通过 自己的经验 以及主观 判断进行设计 的 ，所 以在设计 的时候难免会 由于 自己的某种经验习惯，对规则的建立带来一定的 主观倾向性，从而会影响整个规则的建立。所以 在进行模糊规则设计是应尽量减少人为影响，遵 守基本 的设计原则 。模糊规则通常是 由一系列的 关 系词 连接 而成 ，例如 i f t h e n 、e l s e 、o r 、a l s o 等 ，如i f E i s N B a n d E C i s N B t h e n U i s P B 。 1 ． 4 模糊推理算法 模糊 推理是模糊输人量根据一定的推理算法 来 求解模 糊关 系方程从而得 到模 糊输 出的过程 。 在模糊推理中尚未建立一致的理论去指导模糊关 系的构造。这就意味着存在多种构造模糊关系的 推理方法。一般来说常用 的模糊推理方法主要有 M a md a n i 、L a s o n 、T a k a g i S u g e n o 。在 这里 只介 绍 Ma md a n i 模糊推理算法。 这种模糊推理算法是根据Z a d e h 关于模糊算 法在复杂系统和决策处理应用 中的思想 ，采用极 小运算规则定义模糊蕴含表达 的模糊关 系。例如 模糊集合 和A 是论域为 的模糊子集 ，模糊集 合 和 是论域为 的模糊子集， 4一 看作是从 论域 到论域 的一个模糊关系尺 。应该存在一种 算法使得 与 合成推理 出曰 。按照 Ma m d a n i 模 糊推理法 R A A x Z x 其中 ，y e t 别为模糊集合A和B在论域 【 ， 和 上的元素变量 。 A x 八 m i n { A x A B } 按照该模糊关系可以推理出曰 日 A * O R A 1 其中O表示为合成算子的符号 ，以上为了举 例简单只是根据一组规则来说明M a m d a n i 模糊推 理算法 的思想 ，实 际时候需把所有规则 的推理结 果在进行合成才是最终的模糊关系。 R R 1 u R ， u R u⋯u R 在应用 M a m d a n i 型的模糊推理时，每一条规 则推理后得到的输出是变量的分布隶属度函数或 离散的模糊集合，也就是说还是一个模糊量，需 对 每一个模 糊集 合 的输 出变量 进行解模 糊化处 理，以得到精确的输出。 1 。 5 解模糊方法 由于通过模糊推理获得的控制输出是模糊语 言变量论域上的模糊子集，也就是说还是一个模 糊的量，需通过解模糊方法将模糊量变换成精确 量然后再进行控制。解模糊方法通常有最大隶属 度法 、中心法 、加权平均法 。 2 公路隧道风机控制系统应用实例 2 ． 1 公路隧道通风特点 公路 隧道是交通隧道的一种 ，随着城市交通 负担 日益增重 ，为 了减少 占地面的 ，尽量少破坏 城市植被 ，修建公路隧道是解决上诉问题 的一种 好方法 。公路隧道 由于其特殊的结构 ，自然风和 交通风对隧道内空气置换作用相对较少，隧道内 粉尘、车辆尾气、烟雾浓度等将对行车安全、驾 驶员特别是 隧道 内施工维护人员 的人身安全带来 危险。必须采取适当的机械通风，将隧道内的有 害气体及粉尘浓度控制在容许的限度之内。目前 国内外在隧道通风控制系统中采用的主要方法 有手动控制 、时序控制和实时控制 。而国内最常 用的控制方式是实时控制。其控制方法是通过布 技术 设在隧道 内的 C O检测器的 C O 一氧化碳 值和 烟雾透过率检测器 的V I 能见度值 ，将隧道 内 当前 的值与控制 目标相 比较 ，以不超过 目标值作 为原则 ，经过计算处理后给出控制方案 ，实施通 风控制 。但是 南于检测数据的滞后性 ，以及阀值 控制 的缺点 ，控制效果并不好 。采用 P L C对风机 进行模糊控制 ，利用模糊控制具有语词计算和处 理不确定性 、不精确性和模糊信息的能力 ，改善 风机控制效果 ，使之能够用最适合的控制方式使 隧道通风 系统达到 良好的效果 ，既节约能源又有 利于设 备维护。 2 2 隧道风机控制系统框图 隧道风机控制系统如图 3 所示 。 图3 隧道风机框图 2 ． 3隧道风机模糊控制器结构设计 根据影响风机启停的关键因素 ，建立两个相 互独立的模糊控制器 ，分别是一氧化碳模糊控制 器和能见度模糊控制器 。两个控制器均为二维模 糊控制器 ，输人为一氧化碳和能见度的偏 差量 e 及偏差变化e c ，输 出为开启风机 的台数 。对于两 个控制器输 出不一致时 ，为保 证隧道安全性应取 两者输出的较大者作为输 出。风机模糊控制系统 结构如图4 所示 。 2 ． 4 模糊控制器参数设计 根据 公路隧道照明设计规范中对C O 设计 的相关规定 ，结合本例应用的实际场合 ，C O设计 浓度为 1 0 0 p p m，VI 设计浓度为 0 ． 0 0 7 5 ／ m。按照 实际情况 C O的浓度范围一般为[ 8 0 ，1 2 0 1 ，以设计 浓度 作为 中心值 ，则 C O的偏 差量 论域 为l - 2 0 ， 2 0 1 ，那么 C O偏差变化 的论 域为【 - 4 0 ，4 0 1 。V I 的 浓度范围一般为『 O ． 0 0 5 5 ，0 ． 0 0 9 5 1 ，以设计浓度作 为 中心 值 ，则 V I 的偏差 量论 域 范 嗣为f 一 0 ． 0 0 2 ， 0 ． 0 0 2 ] 。为 了计算 方便 可将 V I 的偏 差论 域乘 以 1 0 0 0 0 ，转换成l - 2 0 ， 2 0 ] ，这样 的好处在于能够把 微小的差距放大以便加以区分 ，那么同理 V I 偏差 变化的论域经转换后为『 - 4 0 ， 4 0 1 。输出量为风机的 台数 ，本 隧道风机数量为9 组 ，每组 2 台 ，则输出 的实际论域为【 0 ，l 8 】 ，为计算方便可将风机实际 论域值减去 9 ，以转换成对称 的论域I _ 9 ，9 1 。取 各偏差量 、偏差变化量以及输出量 的模糊语言集 均为{ N B，N M，N S ，Z O，P S ，P M，P B } ，取各偏 图4 风机模糊控制器结构 汤先驰 模糊控制器的设计及其在隧道风机控制 系统中的应用 表 1 CO偏差论域变换 E ≤ ． 1 9 [ 一 1 8 1 5 ] [ 1 4一 l 2 ] [ 一 1 1 9 】 [ 一 8- 5 ] [ 一 4 2 ] [ 一 1 1 ] [ 2 4 】 [ 5 8] [ 91 1 ] [ 1 2 1 4 ] [ 1 5 1 8 】 ≥l 9 X 一 6 5 4 3 ． 2 ． 1 0 1 2 3 4 5 6 表 2 CO偏差 隶属度表 一6 5 4 ． 3 2 一 l 0 1 2 3 4 5 6 NB 1 O．8 O ． 4 O ． 2 O O O O 0 O O O O NM O．2 0．7 1 O ． 8 O． 2 O O O O O O 0 O NS O 0 O ． 1 O ． 7 l 0 6 0 ． 3 O O 0 0 0 0 Zo 0 O O 0 0． 1 O ． 6 l 0 ． 6 O ． 2 O O O O PS 0 0 0 0 0 0 0-3 0 ． 8 1 0． 7 0 ． 2 0 0 PM O O O O O O O O O ． 2 O． 6 1 0．7 O ． 2 PB 0 0 O O 0 0 O 0 O 0．2 0 ． 4 0 ． 8 l 差量 、偏差 变化量以及输 出的模糊化等级均为 1 3 级 ，即模糊集论域均为l _ 6 ， 6 ] ，则输人 的量化 因子 0 为分 别为 一氧化 碳 。 斋 、 。素 。 能见 ， 】 ， 】 度的量化因子 。亲、 。风机输出的 々 比 例因子为 。 睾。对于风机来说解模糊之后乘 厶 以 比例因子还需加 9 才为实 际输 出风机 台数 。隶 属 函数选择为 三角 型隶属 函数 。根据量化因子 ， 可将偏差量的精确值按 四舍五人 的原则变换到离 散化论域为f - 6 ，6 】 中，现只将 C O的偏 差论 域变 化列表如表 1 ，其它变量论域变换方法相似。 有了模糊化之后的论域 ，就可以根据实际操 作经验 ，建立模糊化论域的离散值与各语言变量 的隶属程度了 ，即输入和输 出语言变量的隶属度 赋值表 ，现只将 C O偏差 的隶属度表建立如 表 2 ， 其它变量的隶属度表 I 也根据实际操作经验写出。 最后在根据实际控制经验 ，可建立 如表 3 的 模糊控制规则 。 2 ． 5 在 Ma t l a b 上实现模糊控制器设计 Ma t l a b 模糊控制工具箱 为模糊控制器的设计 提供 了一种非常便捷的途径 ，通过它只需要设 定 相应参 数 ，就 可 以很 快得 到所需 要 的模 糊控 制 器，而且修改起来也非常方便。 对于本案例选择M a m d a n i 型模糊推理算法， 表 3 模糊控 制规则表 竺 NB NB NB NB NB NB NM NS 选择重心法作为解模糊 的方法 ，根据前面已经设 计好 的隶属度 函数值 ，模糊语言集 、模糊等级可 建立如图5 和图6 所示的隶属度函数图。 图5 C O 偏差隶属度函数图 图6 风机开启台数隶属度函数图 根据表 3 建立的模糊 规则 以及按照前面描述 的M a m d a n i 模糊推理算法 ，可得模糊控制查询 表 ，按照四舍五入列表如表 4 。 趵 腿 飓 M i2 腿 ； 2 B B B S O S № B B B M S O № № B B B M S O № № № B 旧 B B M N N N N Ⅻ N M O s M B i 2 飓 技术 表 4 模糊控 制查询表 ．6 5 4 ． 3 2 1 O 1 2 3 4 5 6 6 6 ． 6 6 6 ． 6 6 ． 5 。 5 4 4 3 3 2 5 6 。 6 6 6 6 6 5 4 4 ． 3 ． 3 3 ． 2 4 6 6 6 ． 6 5 5 5 ． 4 4 ． 3 。 3 3 2 3 6 6 。 6 。 6 ． 5 5 ． 5 ． 4 3 3 ． 3 3 2 2 6 6 6 ． 5 ． 5 5 ． 4 ． 4 3 3 ． 2 2 2 1 5 。 5 ． 5 5 ． 5 ． 5 4 3 3 ． 2 ． 2 2 1 O 一 5 5 。 5 4 3 3 ． 3 3 1 1 ． 1 O O 1 ． 5 ． 4 4 4 ． 4 3 2 2 1 ． 1 O O 1 2 ． 4 4 4 3 ． 3 2 1 一 l 0 O 1 1 2 3 3 ． 3 2 2 2 2 0 0 l 2 3 3 4 4 3 2 2 ． 2 一 l 一 1 O 1 2 3 3 4 4 5 3 2 2 2 O O l 2 3 3 3 4 6 6 2 ． 1 ． 1 1 0 1 1 2 3 4 4 5 6 2 ． 6 模糊控制算法在 P L C上实现 在实际应用 中，用来实现模糊控制的方式一 般有硬件实现和软件实现两种。硬件实现是利用 专用的模糊控制芯片来实现模糊控制 。主要产品 有美国T I L 公司的F C 1 1 0 和 F C A，13 本欧姆龙公司 的F P 一 3 0 0 0和F B 一 3 0 A T等 。采用硬件来实现模糊 控制优点是推理速度快 ，控制精度高 ，缺点是成 本高，使用范围有限制。另一种方式是用软件来 实 现 ，就 是利用 编程 的方 式来实 现模 糊控 制算 法 ，本案例 中就是利用 罗克韦尔 Mi c r o L o g i x l 4 0 0 作 为硬件平台 。 1 ，利用软件编程来实现模糊控制 算 法 。在用 P L C进行模 糊控 制算法 实现 的过程 图7 输入量模糊化部分程序 中，关键步骤是输人精确量 的模糊化 以及模糊控 制查询表的查询 ，解模糊化 只用将输 出乘以比例 因子然后在加上 9即为实际风机开启台数 。对于 输入精确量的模糊化程序可根据表 1 的数据 ，通 过 比较指令将输入精确值与论域离散值进行一一 比较 ，就可将精确值变换到模糊论域中。对于模 糊控制查询表功能的实现相对比较复杂 ，对于本 图8 模糊控制查询表部分程序 图9解模糊程序 例模糊控制查询表为 1 3 x 1 3的矩阵 ，按照从上到 下 ，从左到右的顺序依次将 1 6 9 个数据放人到N 7 0 到N 7 1 6 8 寄存器中。然后建立查询关系式，为 了编程方便可先将模糊控制查询表输入的论域偏 移6 ，即e 和e c 的取值论域为[ 0 ，1 2 】 ，通过观察可 堡 竺 墨 垒 苎 垒 垫竺 墨 垦 壁 知 1 3 e i e c ， ，其中i ， j o l 2 ，这样就建立 了输入与输出的对应关系。例如当输入偏差为 3 ，偏差变化为6 时 ，按照查询关系式可知输 出为 第4 5 个寄存器内的值，即N 7 4 5 ，然后在用M O V 指令将相应 的值移动到输出寄存器 内就完成 了模 糊控制查询 表的功能 。部分程序如图 7 、8 、9所 示。 3 结束语 用P L C 来实现隧道风机的模糊控制，一方面 利用 P L C可靠性高、抗干扰能力强的特点，另一 方面对隧道风机进行更为智能 的控制 ，有效避免 了风机频繁启动 ，在一定程度上降低 了隧道运营 成本 ，具有很高的推广价值。 参考文献 [ 1 ]诸静． 模糊控制原理与应用 [ M]． 北京机械工业出 版 社 ．1 9 9 5 ． [ 2 ]丁永生． 智能技术及其应用 [ M]． 北京北京科学出 版 社 ．2 0 0 9 ． [ 3 ]章卫国，杨向忠。 模糊控制理论与应用 [ M]． 西安 西北工业大学 出版社 ，1 9 9 9 ． [ 4 ]易继锴，侯媛彬． 智能控制技术 [ M]． 北京北京工 业大学出版社，2 0 0 2 ． 【 5 ] L _A． Z a d e h ． F u z z y S e t s [ J ]．I n f o r m a t i o n a n d c o n t r o l ， 1 9 6 5 8 3 3 8 3 5 3 ． [ 6 ]李士勇，夏承光． 模糊控制和智能控制理论与应用 [ M]． 哈尔滨哈尔滨工业大学出版社，1 9 9 1 ． [ 7 ]赵忠杰． 公路隧道机电工程 [ M]． 北京人 民交通出 版 社 ．2 0 0 7 ． [ 8 ]廉小亲． 模糊控制技术 [ M]． 北京 中国电力 出版 社 ．2 0 0 3 ． [ 9 ]徐昕． Ma t L a b工具箱应用指南控制工程篇 [ M]． 北 京 电子 工业出版社 ，2 0 0 0 ． [ 1 0 ]M i c r o L o g i x 1 4 0 0 可编程控制器 [ z ]． 2 0 0 8 ． 作者简介汤先驰 ，男，1 9 8 6 年生，湖北武汉人，硕士。 研究领域智能控制。 编辑 向 飞 一 - - 一 - - 一一 卜- ● 一- - 一 一 - - - - ’ 一- - - - - - - - 一 - - 十一 一 - - - - - - - - 神马机械一研究成果整体达到国际先进水平 2 0 1 3 年 1 月7日，由平煤神马机械装备集 团承担 的国家 “ 煤炭综采成套装备及智能控制 系 统”项 目顺利通过省级鉴定。鉴定小组认 为该项 目经井下应用后效果 良好 ，经济和社会效 益显著 ，研 究成果整体达到国际先进水平 ，在综采设备 的智能协 同控制方面达到 国际领先水 平 。 实现综采工作面 自动化 ，是煤矿 高产、高效、安全生产的关键 。“ 煤炭综采成套装备及智 能控制 系统”项 目，是 国家专项资金 支持 的装备制造业振兴项 目，研发 目标是提升 国内煤机 企业对高端装备及智能控制 系统的研发制造能力 ，实现综采工作 面机 电装备的 自动化 、信息 化和集成化 ，最大限度减少采 面作业人数 ，为煤矿安全高效生产提供技 术保障。 该项 目以综采工作面 “ 三机” 采煤机 、刮板输送机和液压支架协同控制为主要研究对 象，重点对智能化 综采_ T - 作 面远程监控与调度 的数字化平 台关键技 术进行创新提升 ，突显 “ 遥测、遥视 、遥控”功能，实现综采工作 面设备运行状态的远程动态监测 、故障的预测预报 以及 “ 三机 ”远 程 同步 自动 与协 同控制 ，提升 综采 工作 面系统生产能力 ，进一步实现 少人 化 。 “ 煤炭综采成套装备及智能控制 系统”项 目于2 0 1 2 年 9月研制成功 ，并在平煤神马集 团六 矿进行了4 个月的井下工业性试验。试验结果表明，各项技术指标达到研发要求。该项目的完 成，不仅 可提 高煤矿生产的安全性 ，而且将带来可观的经济效益。此外，该项 目的相关技术 也可应用于地质条件复杂、难度较大的薄煤层开采。 k- - - - - - - - 十- - - ． - ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． I I ， T。 ●T。 ●T。 ● T 。 _ ，。 ● T 。 ● T 。 上 。 ● - - ． _ ● t ● T 。 T。 ● T 。 T ． ● t． ． ● - ● - ． - ● T ， T。 ● T 。 T。 ● T。 ● T 。 上 ． T。 ● T。 ● T。 ● - ． ． ● T。 ● - ．- T．- ● T。 上 。 ● T。 ●T。 ● _ ． - ● T。 ● ． ． _ T．_ ● T。 ●T。 ● T