基于模糊控制的气动造浪机节能技术研究.pdf

技术 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 4 ． 0 6 ． 0 2 0 基于模糊控制的气动造浪机节能技术研究半 黄学飞 ，庞茂 1 ． 广州铁路职业技术学院机械与电子学院，广东广州 5 1 0 4 3 0 ； 2 ． 浙江科技学院 机械与汽车工程学院，浙江杭州 3 1 0 0 2 3 摘要针对人工造浪机连续运行时能耗大，驱动电机易过载、温度高等缺点，对其结构进行了改进设计，并将模糊推理技术弓 人人工造浪机控制系统 ，建立了模糊控制规则。仿真结果表明，采用了改进结构和模糊控制的造浪机风机转速输出连续稳定 风机运行中负载变化率得到明显改善，达到节能的目的。 关键词 气动造 浪机；模糊控制 ；节能 中图分类号 T H6 9 2 ．9 T P 2 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 99 4 9 2 2 0 1 40 6 0 0 7 40 3 Re s e a r c h o n En e r g y S a v i n g o f Pn e u ma t i c W a v e - M a k e r Ba s e d o n Fu z z y Co n t r o l HUANG Xue -f e i ‘ ． PANG Ma o 1 ．G u a n g z h o uI n s t i t u t e o f R a i l w a yT e c h n o l o g y ， G u a n g z h 0 u 5 1 0 4 3 0 ，C h i n a ；2 ． Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy ， Ha n g z h o u 3 1 0 0 2 3， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e s h o r t c o mi n g s o f l a r g e e n e r g y c o n s u mp t i o n， o v e r l o a d a n d h j g h t e mp e r a t u r e o f d r i v i n g mo t o r ， t h e s t r u c t u r e o f pn e u ma t i c wa v e ma k e r h a s b e e n i mp r o v e d ．I n a d d i t i o n，t h e f u z z y c o n t r o l t e c h n o l o g y h a s b e e n a pp l i e d t o t h e c o n t r o l o f a r t i fic i a l wa v e ma k e r ， a n d t h e f u z z y r u l e s h a v e b e e n b u i l t ． Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e f a n s p e e d i s c o n t i n u o u s a n d s t a b l e， c h a n g e r a t e o f f a n l o a d h a s b e e n o p t i mi z e d o b v i o u s l y a n d a c h i e v e s t h e p u r p o s e o f e n e r gy s a v i n g ． Ke y wo r ds pn e u ma t i c wa v e - ma k e r ；f uz z y c o n t r o l ； e n e r gy s a v i n g 人工造浪是一种新颖的水上娱乐项 目，其通 过造浪机在室内水池中模拟海上波浪 ，使游客在 室内感受大海里波浪的汹涌澎湃。随着国内越来 越多游客对人工造浪娱乐项 目的青睐，人工造浪 设备也得到水上乐 园经营者的关注 。目前应用在 国内水上乐园的人工造浪设备大致分为三种 摇 推 板式造浪机 、冲箱式造浪机和气动造浪机。其 中气动造浪机以其结构简单，便于维护，波形多样 等特点在水上乐园得到广泛应用。但气动造浪机采 用电机驱动鼓风机实现造浪 ，其连续运行能耗很 大 ，为此本文将模糊控制技术引入气动造浪机的控 制系统中，探讨减小人工造浪机运行能耗的方法。 1 气动造浪机结构优化 1 ． 1 气动造浪机结构原理 气动造浪机主要包括 由电机和鼓风机组成的 空气供给系统 、气体输送 管路 、造波风罩 ，及布 置在管路上配气阀和对应的控制系统等 ，其通过 配气 阀控制鼓风机输 出气流的周期性变化实现造 浪。其中配气阀在一个工作周期内分为两步，第 一 步 由鼓风机将空气压人造波风罩 ，使风罩 内的 水排 出罩外 ，从而在风罩前形成波峰 ；第二步控 制 配气 阀将风罩 内 的空气 释放 ，水被反 吸入风 罩 ，在 风罩前形 成波谷 。在配气 阀的周 期控制 下，即可在水池内形成一定波长的人造波浪。 1 ． 2 气动造浪机改进设计 传统气动造浪机每个周期内空气都会被压人 风罩 和完全释放一次 ，每个工作循环中负载变化 幅度大 ，容易导致电机瞬态过载 ，工作温度过 高。为此本文针对原有气动造浪机结构进行 了优 化和改进 ，在鼓风机 出 口增设 了一套储气装置 。 广州市属高校科研计划项 目 编号 2 0 1 2 A 0 9 6 收 稿 嗍 叭 4 4豳 誓 匝 黄学飞 等基才模糊控制的气动造浪机节能技术研究 厂 、 测控技 如 图 1 所示 。造波过程仍分为两步 ，其中前半周 期配气阀2 打开，排气 阀4 关闭 ，空气经储气筒被 压人造波风罩，在造风罩前形成波峰。后半周期 时，配气阀2 关闭 ，排气阀4 打开 ，水被吸人风 罩 ，在造风罩前形成波谷，同时鼓风机向储气筒 3 输送空气，为下一周期的造波做准备。采用该 种结构后 ，鼓风机在整个造波周期 内都处于工作 状态 ，减小 了负载变化率 ，同时大大提高 了驱动 电机的工作效率。改进后的造浪机与传统气动造 浪机相比，产生同样波高和波长的波浪需要的电 机稳定工作转速明显下降，节能效果显著。下面 将采用模糊技术控制 电机 ，进一步优化鼓风机的 工况和节能效果。 功能参数对应的最大功率要求选型，而实际运行 中 ，风机不需一直运行在最大功率状态下 ，从而 造成气动式造浪机运行中能耗的浪费-一 1 。为此本文 对传统气动造浪机结构进行优化的基础上，将模 糊控制技术引人气动造浪机控制过程，以降低该 类造浪设备运行的能耗。 2 - 2 模糊控制器设计 模糊控制是 以模糊数学知识为理论基础 ，基 于常识推理 、实际操作经验和实验结果建立推理 规则，不需建立被控对象的精确数学模型，控制 机理和策略易于接受和理解，设计简单，应用方 便 。气动造浪机是一个强耦合的非线性系统， 其运行中受到外界多种因素影响 ，状态复杂多 1 ． 鼓风机2 ． 配气阀3 ． 储气筒4 ． 排气阀5 ． 风罩6 ． 水池 图1 改进的气动造浪机结构示意图 2气动造浪机模糊控制 2 ． 1 气动造浪机能耗分析 气动造浪机的能耗主要是鼓风机的驱动电机 消耗 的能量 ，鼓 风机 的功率取决 于造浪的水域 面 积和浪的高度及波长等参数，鼓风机设计时应按 其最大功率要求设计 P m Q 一 1 其中 为鼓风机需要的最大功率；P 一为 鼓风机出口气压 ，Q 为鼓风机出口流量 ，其中 p m P o A p 2 式 2 中P Ⅲ J 为造浪风罩下最大气压 ；卸 为气体输送管路中的压力降。 厂_、 Q m L A 【 g J 式 3 中 为风罩长度 ；A为风罩截面 积；九 为造浪的波长最大值。 传统的气动造浪机，鼓风机驱动电机按满足 变 ，难 以得 到精 确 的数学模 型，采用模糊算法对其进行控 制是一种简单有效 的方式。 2 ． 2 ． 1 输入输出变量模糊化 系统直接 控制 的 目标是人 造波浪的波高，但其与鼓风机 风量 、风管风罩 结构布置等 均 有关 ，传递模型复杂，仅以此 作 为模 糊控制 器的输入变量较 难控 制 ，因此本 文 同时选择人 造波浪的波高和造浪机的储气 筒压力 波动值作 为控制器输人 变量 ，将鼓 风机驱动电机 的转速作为模糊控制器 输 出变量 。将输 人论 域量 化 为 7档 ，N L、N M、 N S 、Z E 、P S 、P M、P L ，按照模糊推理的一般规 则 ，输 人变 量人 造 波浪 的波 高 矾 论 域取 值为 { 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 } ，储气筒压力波动值 △P 论域取值为{ 0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 】 ，为达到更 好 的节能效果 ，将输 出变量论域鼓风机转速 取 值 细分为 l 0 档 { l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 ，8 ， 9 ， 1 0 1 。取 各模 糊 子集 的隶属 函数 均为 等腰 三 角形 ，图 2 给出了储气筒压力波动值的隶属函 数 。此外 ，两个输入 变量 之间不同权 重因子值 ， 对应的偏差对控制输出量的加权程度也不同。本 控制系统将两个输入变量的权重调整因子分别设 为0 ． 6 和0 ． 4 。 2 ． 2 ． 2 模糊规则建立 控制规则选择为 I f H w i s a a n d 3 P i s b t h e n n i s e 技术 N L N M N S Z E P S P M P L O l 2 3 4 5 6 图2 储气筒压力波动值隶属函数图 其 中n ，b ，c 分别 为 H w， △ P 和 n 论域 中的 元素 。根据设计者 自己的经验及前期实验数据 ， 得到控制规则表如表 1 所示。 表 1 模糊控 制规则 表 H 1 2 3 4 5 6 7 O 1 1 1 1 1 1 1 l 2 2 3 3 3 3 4 2 3 2 3 4 4 5 6 Pf 3 4 4 4 5 6 6 7 4 5 5 5 6 6 7 8 5 6 5 6 7 7 8 9 6 7 7 8 8 8 9 1 0 2 ． 2 ． 3 模糊推理选择 目前模糊推理 常用 的有 S u g e n o 型和 Ma md a n i 型两个系统。M a m d a n i 型模糊推理通过综合多个 有经验的操作员的控制规则进行模糊推理 ，符合 人们思维和语言表达的习惯 ，因而能够方便地表 达人类的知识和经验。但其采用极小运算规则表 达模糊关系 ，推理后 的输出为变量的隶属度 函数 或离散 的模糊集合 ，因此要控制实际对象还需进 行去模糊化处理 ，不利于工程应用 。S u g e n o 型模 糊推理 系统则要求运用推理规则后得到的输 出变 量隶属度 函数必须是关 于输入变量 的线性函数或 常值函数 ，因此其运算速度较M a m d a n i 快 ，数据 处理更简单直观 ，便于与 P I D控制 以及优化 、 自 适应等其他智能控制方法结合应用-z- 。 鉴于 S u g e n o 型推理规则的上述优点 ，同时考 虑到人工造浪控制系统采用的是P L C ，因此选用 S u g e n o 型推理进行。 2 ． 3 控制器输入输 出仿真分析 根据上述确定 的模糊控制器输人输 出变量及 推理规则 ，在 Ma t l a b ／ S i m u l i n k 中进行 了仿真 I ，得 到 的输入输 出关 系图如图 3 所示 。从 图3 可 以看 出 ，运用模拟控制后 ，不 同浪高对应的风机转速 连续稳定 ，负载特性明显改善。 1 O 8 翼 2 8 图3 模糊控制器输入输 } } I 变量 罔 3 结论 在对传统人工造浪机 的结构进行优化改进 的 基础上 ，将模糊控制技术引入人工造浪机的控制 中，建立 了基于浪高和鼓风机压力波动控制的模 糊控制器 ，将模糊控制算法和对鼓风机现场控制 经验 相结合 ，得 到模 糊控 制规则 ，并运 用 Ma t l a b／S i m u l i n k 模块对输人输出变量进行了仿真。从 仿真结果可以看出，风机转速输出连续稳定，有效 优化了风机运行中负载变化率，达到节能的目的。 参考文献 [ 1 ]杨建军． 室 内小型 多功 能风浪水槽控制 系统研 究 [ D]． 青岛青岛大学，2 0 1 0 ． [ 2 ]刘寅，张晓光，刘继高． 自调整模糊控制在压风机集 控 系统 中的应 用 [ J ]． 煤矿机械 ，2 0 1 2 ，3 3 6 2 0 4 2 0 6 ． [ 3 ]郑孝东，程根银 ，顾涛，等． 基于模糊 一神经网络的 局部通风机变频调速 系统设计 [ J ]． 煤炭工程，2 0 1 0 4 1 1 0 1 1 2 ． [ 4 ]孙云辉，王钊 ，肖威，等． 基于P L C的离心风机模糊 控制系统设计与实现 [ J ]． 制造业 自动化，2 0 1 1 ，3 3 5 1 2 3 1 2 5 ． [ 5 ]马举 ，刘齐宏，冷静． 基于MA T L A B ／ S I MU L I N K交流 变频调 速 系统的仿 真研 究 [ J ]．中国测试技 术 ， 2 0 0 8．3 4 2 5 4 5 6 ． 第一作者简介黄学飞，男 ，1 9 7 4 年生，广东兴宁人，硕 士 ，讲师。研究领域 机电一体化 、模具设计与制造技 术。 编辑 向飞