付亮

摘 要：應(yīng)對(duì)船舶發(fā)電機(jī)在發(fā)生負(fù)荷突變，特別是大負(fù)荷突變之時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)端電壓值的有效穩(wěn)定，是控制系統(tǒng)所亟需解決的一項(xiàng)基礎(chǔ)問(wèn)題。對(duì)此本文就提出并應(yīng)用了一種新型的智能PID控制器系統(tǒng)，其中PID控制器主要采用三層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，借助于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力，PID控制器的參數(shù)可依據(jù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)自行調(diào)節(jié)，其主要的特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、運(yùn)行穩(wěn)定。依據(jù)仿真實(shí)例驗(yàn)證表明，此智能PID控制器相較于傳統(tǒng)同類(lèi)控制器而言在擾動(dòng)相應(yīng)速度與控制效果方面均得到極為明顯的提升，可有效穩(wěn)定船舶發(fā)電機(jī)端電壓。

關(guān)鍵詞：PID控制器；船舶；發(fā)電機(jī)電壓；勵(lì)磁系統(tǒng)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

船舶電力系統(tǒng)最為突出的一個(gè)特點(diǎn)即為發(fā)電機(jī)容量相對(duì)偏小，而負(fù)載的容量則較大；多臺(tái)機(jī)組所并聯(lián)工作，并聯(lián)與解列轉(zhuǎn)換起來(lái)十分頻繁，由此也就導(dǎo)致了船舶電站的運(yùn)行工作成為了一個(gè)動(dòng)態(tài)化演變的過(guò)程，難以實(shí)現(xiàn)真正的穩(wěn)態(tài)過(guò)程。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)之時(shí)，時(shí)常會(huì)遭遇到非線性動(dòng)態(tài)問(wèn)題，依據(jù)智能控制理論來(lái)開(kāi)展控制器的設(shè)計(jì)工作，將會(huì)使得其優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)極大的體現(xiàn)出來(lái)。據(jù)此，下文將就智能PID控制器在傳播發(fā)電機(jī)電壓控制中的具體應(yīng)用展開(kāi)深入的探討。

一、電力控制系統(tǒng)及智能PID控制器概述

電力系統(tǒng)控制是一項(xiàng)十分繁雜的控制問(wèn)題。目前所現(xiàn)有的控制方法主要就包括了線性最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、H∞魯棒控制、智能控制等。近些年來(lái)又涌現(xiàn)出來(lái)了模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法以及DNA算法等智能技術(shù)所集成出的混合智能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)當(dāng)中也有所應(yīng)用。混合智能系統(tǒng)通過(guò)對(duì)各類(lèi)智能技術(shù)特點(diǎn)的應(yīng)用，例如對(duì)模糊邏輯的知識(shí)表達(dá)與推理能力應(yīng)用，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)獲取、學(xué)習(xí)及適應(yīng)與容錯(cuò)能力，以及遺傳算法的優(yōu)化能力等，將這些諸多的能力進(jìn)行有效的結(jié)合，從而為電力系統(tǒng)大量問(wèn)題的解決提供以有效的手段方法。

當(dāng)前在船舶電力系統(tǒng)勵(lì)磁回路之中所普遍應(yīng)用的是傳統(tǒng)的PID控制手段，而這一控制手段的優(yōu)勢(shì)即為：對(duì)數(shù)學(xué)模型沒(méi)有較高的要求、控制算法的整體結(jié)構(gòu)也較為簡(jiǎn)易、實(shí)現(xiàn)方式較為簡(jiǎn)便，同時(shí)也較易成熟，設(shè)計(jì)人員應(yīng)用起來(lái)十分簡(jiǎn)便?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊自適應(yīng)PID控制方案，一方面通過(guò)應(yīng)用模糊邏輯概念與非線性處理方式，另一方面則通過(guò)應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力與任意函數(shù)的接近能力，將此兩者進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合從而獲得最為有效的PID非線性組合控制規(guī)律，進(jìn)而達(dá)成對(duì)未知對(duì)象予以在線控制的目的。

二、系統(tǒng)構(gòu)成

為了處理船舶發(fā)電機(jī)在符合發(fā)生改變特別是大負(fù)荷改變之時(shí)，可以更加有效的應(yīng)對(duì)發(fā)電機(jī)一端的電壓?jiǎn)栴}，便設(shè)計(jì)出了一類(lèi)架構(gòu)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之上的自適應(yīng)智能PID控制設(shè)備，通過(guò)應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)能力，PID控制設(shè)備的可依據(jù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)化特點(diǎn)來(lái)經(jīng)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)予以自主調(diào)節(jié)，智能PID控制器則是通過(guò)三層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成，主要的特點(diǎn)即為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、工作穩(wěn)定，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由以下四部分構(gòu)成：

1）傳統(tǒng)PID控制器：由PID控制器與發(fā)電機(jī)所共同組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，PID闡述通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)達(dá)成實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

2）量化模糊：針對(duì)系統(tǒng)所出現(xiàn)的各種變量因素采取模糊處理。

3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NN1：（下圖1）采取系統(tǒng)辨識(shí)，給予NN2創(chuàng)造以具體的發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)過(guò)程信息。

4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NN2：獲得系統(tǒng)最優(yōu)化控制后的PID控制器參數(shù)信息。

三、仿真實(shí)例分析

將某大型集裝箱船舶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)作為研究對(duì)象展開(kāi)仿真探究，船舶的發(fā)電機(jī)組為了獲取到系統(tǒng)訓(xùn)練數(shù)據(jù)，針對(duì)此集裝箱船的船舶發(fā)電機(jī)實(shí)際系統(tǒng)首先采取常規(guī)建模，將相關(guān)的系統(tǒng)輸入及輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行明確的記錄，同時(shí)將相關(guān)的數(shù)據(jù)內(nèi)容充當(dāng)為對(duì)智能PID控制器進(jìn)行訓(xùn)練的樣本。將實(shí)際船舶的具體數(shù)據(jù)與《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范》將主要發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)電壓改變情況以及靜態(tài)電壓的改變情況要求作為主要依據(jù)來(lái)就智能PID控制器的應(yīng)用效果予以評(píng)判，主發(fā)電機(jī)驟然增加或減少50%的負(fù)載，其發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)電壓變化情況應(yīng)當(dāng)處于±15%之內(nèi)，待電壓值恢復(fù)正常后，在1.5s之內(nèi)，靜態(tài)電壓的變化情況應(yīng)回歸到±2.5%之內(nèi)。

突然卸載50%的負(fù)載電壓，其仿真曲線詳見(jiàn)下圖2。觀察下圖2的仿真結(jié)果：在突然卸載了50%的負(fù)載以后，發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)電壓最大值升高到了490V，其變化率約為+9%，并可在0.17s之內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定范圍，主發(fā)電機(jī)的靜態(tài)電壓改變情況低于2.5%，并完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

突然增加50%的負(fù)載電壓，其仿真曲線詳見(jiàn)下圖3，。觀察圖3的放著結(jié)果：在突然增加了50%的負(fù)載之后，發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)電壓的最低值將達(dá)到410V，其變化率約為-9%，在0.17s之內(nèi)可達(dá)到穩(wěn)定范圍，主發(fā)電機(jī)的靜態(tài)電壓改變情況低于2.5%，并完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

依據(jù)對(duì)上圖2、圖3的觀察可知，此智能PID控制器具備較為良好的控制效果及魯棒性，完全符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求以及實(shí)際船舶測(cè)量所得到的具體數(shù)據(jù)信息。

結(jié)束語(yǔ)

在船舶發(fā)電機(jī)端的電壓是通過(guò)勵(lì)磁控制系統(tǒng)來(lái)使之趨向于穩(wěn)定的，發(fā)電機(jī)與勵(lì)磁控制系統(tǒng)均為極其復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)化系統(tǒng)。在本次研究中所提出的智能PID控制器設(shè)備能夠直接改善船舶發(fā)電機(jī)在負(fù)荷發(fā)生改變特別是大負(fù)荷改變之時(shí)，可對(duì)發(fā)電機(jī)一端的電壓值起到良好的穩(wěn)定作用。其主要的特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定，通過(guò)對(duì)仿真實(shí)例的分析，可得出此控制器對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)的反應(yīng)速度較快，同時(shí)其控制效果也較為良好，基于負(fù)載變化之時(shí)，可以對(duì)穩(wěn)定發(fā)電機(jī)一端的電壓值起到較好的穩(wěn)定效果。相信隨著有關(guān)智能PID控制器研究的不斷深入，其必將在智能船舶的發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮出越來(lái)越重要的作用價(jià)值。

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