模糊控制在闸门控制中的应用

1. 引言 闸门在河段或水库中主要担负调节水位的作用，目前较先进的闸门控制系统采用的是PLC+上位机模式。其中，虽然PLC能借助传感器完成对各种水文数据的采集，并根据控制命令自动做出相应的开/关闸门、报警等动作，但最基本、最核心的控制也就是闸门的开度、开关次序等控制必须要由人工进行预置。然而，即使是再有经验的操作人员，也难免有疏忽和出错的时候，尤其在汛期时，任何动作的延误和差错都有可能导致危险情况的出现。这就要求，在闸门控制系统中一定要具备基本的闸门自动控制功能。 天津市独流减泄洪闸担负着保证汛期海河下游安全的重任,是天津市一项重要的水利工程。整个工程由北闸和南闸两部分组成,一期工程北闸共有11孔，在闸门控制要求中明确提出了汛期闸门程序控制的功能。考虑到水位变化（尤其在汛期时），很难用数学模型精确描述，从而难以利用传统的控制策略实现对闸门的自动控制，笔者在此利用了不依赖数学模型的模糊控制方法，设计了一种基于西门子S7-200型PLC的模糊控制系统，采用模糊逻辑把操作人员的控制经验归纳为用定性描述的一组条件语句，然后利用模糊集理论，将其定量化，使控制器得以接受人的经验、模仿人的操作策略对闸门进行智能控制，即在安全水位范围之内由操作人员控制，超过安全水位由操作员和程序共同控制开度和开门顺序。 2. 模糊控制器的实现 1.1控制原理 图 1 所示模糊控制器，设被控对象预置水位(安全水位)为 y0，实测值为 y(t)，式中：et 为当前时刻的偏差；et -1为前一个采样时刻的偏差。系统运行过程中，将水位变送器输出的模拟量电流信号（4-20mA）送入PLC的AI模块，经模数转换后，信号进入CPU，CPU将实测水位y(t)与预置水位y0进行比较，得到水位偏差e，e= y(t)－y0；将当前时刻偏差et与前一时刻偏差et-1进行比较，得到水位偏差的变化量ec，ec=et－et-1；将 e , ec作为二维模糊控制器的输入变量，经模糊化后转化为用模糊控制语言描述的模糊集合 ,建立输入和输出之间的模糊控制规则 ,然后根据控制规则算出模糊控制表 ,存于 PLC的内存中。在实时控制时,由PLC用户程序查找模糊控制表，得出控制量u，并结合ec，在程序中选择闸门的控制方案。模糊控制系统结构图如图1所示. 图1 模糊控制器系统结构图 1.2 模糊控制器实现 本系统采用二维模糊控制，输入输出变量语言可以表达为负大(N B ), 负小(N S ),负零(NZ),正零(PZ),正小(PS),正大(PB)。系统中水位偏差、水位偏差的变化量的基本论域分别为+e、+ec其范围初步设为[- 5, + 5], 精确量均可划分为 12 个等级。输出量 u 的论域设定为+ u, 其范围初步设为[- 6,+ 6 ], 精确量划分为 14 个等级。 本系统为双输入单输出模糊控制, 根据过程控制的实际经验得到一系列推理语言规则, 写成如下形式: IF E=(PB) and EC= (PB ) then U = (PB ) 例如: 水位偏差(E= e′)为正大且偏差变化率 (EC=ec′) 为正大, 则输出控制增量 (U = △u) 应为正大, 以减少正偏差, 使其趋近于给定值。因此，按照水位偏差和水位偏差变化量可以得出模糊控制规则表，如表1所示。 表 1　模糊控制规则表 由输入输出论域范围,取U=E+EC,按最大隶属度进行模糊决策,可得到模糊控制器动态控制时的模糊控制查询表,如表2所示. 表 2　模糊控制查询表 3. PLC模糊控制器程序流程 　在模糊控制运算推理中是依据PLC内部程序进行，模糊控制程序作为整个 PLC 控制程序的一个子程序, 包括数据的读取、模糊推理和控制信号输出。因选用的水位变送器为电流输出型(4-20mA )，测量温度范围为（O-10m）。为使PLC能识别设定水位、水位偏差和水位偏差的变化量，在程序中应将其换算为实数形式。模糊控制算法的程序流程图如图 2 所示。 图 2程序流程图 开机进人程序初始化状态，设置上次变量存储器初值为零，装人水位设定值y0，并对各变量存储器清零。温度信号采集采用定时采样，为避免现场干扰源对采样值的千扰，在进行数据处理之前，先对采样值进行数字滤波。每当采样时间到，连续采集10个水位值，求其平均值后作为本次采样的水位值y(t)。再根据设定水位值求出水位偏差E和水位偏差的变化量EC。并对E和EC进行模糊化处理后求出模糊控制量U，对模糊控制量清晰化后作为选择模糊控制子程序的依据，从而实现对闸门开度和闸门选择的自动控制。 4. 结束语 由于是第一次探索将模糊控制应用于闸门控制这一特殊的领域，加上闸门控制对安全性的要求，笔者在输入输出量的论域选取以及控制方案制定上极其小心，本文中为了说明方便，输入输出论域也只是初步设置。在工程调试阶段，通过人工模拟水位变化，程序控制可以实现，但离真正放心投入实际运行还有不少差距，因此在独流减三期工程结束前，笔者还需要和有关各方进行沟通，不断进行调整。相信，通过对程序的不断优化，模糊控制一定可以成功应用到闸门控制中。 参考文献 [1] 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，1990 [2] 陈守煜. 工程模糊集理论与应用［M］. 北京: 国防工业出版社, 1998 [3] 张崇智. PLC在模糊控制中的应用［J］. 机械，2005，32（增刊），147-148 [4] 周 力. 基于PLC的变频恒压供水模糊控制系统设计［J］.机电工程，2005，22（3），14-17 作者简介： 杜 岗（1981—），男，硕士研究生，研究方向：控制理论与控制工程。 马小平（1961—），男，教授、博士生导师，博士，研究方向：控制理论与控制工程； 通讯地址：江苏徐州中国矿业大学文昌校区信电学院硕研05－5班 221008 联系电话：13852437787. E-mail:dzg-1981@163.com