模糊控制在平台稳定回路系统中的研究资料.docx

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模糊控制在平台稳定回路系统中的研究资料

1本课题研究的的目的，意义

稳定回路是其中事关导航精度的关键部分。

对平台稳定回路进行了建模，将模糊控制和带多个修正因子的模糊控制方案引入平台稳定回路的双闭环回路系统，并对此控制方案进行了仿真分析，理论上证明了模糊控制方案在平台稳定回路控制中的可行性。

本课题将模糊控制引人平台稳定回路控制，理论研究了引入模糊控制器后系平台式惯性导航系统依靠由陀螺稳定的机械平台，为导航系统和姿态稳定系统提供测量基准，平台稳定回统整体性能，为模糊控制在稳定回路中的工程应用奠定理论基础。

2国内外研究现状

模糊控制是以模糊集合论作为它的数学基础，1964年美国的L．A．Zadeh教授创立了檬朔集合理论，提出用“隶属函数”概念来定量描述事物模糊性，奠定了模糊数学的基础。

自1974年英国的E．H．Mamdani研制出第一个模糊控制器，进行蒸汽机和锅炉控制方面研究获得成功后，模糊控制的研究和应用一直十分活跃。

1984年成立了国际模糊系统协会IFSA，模糊集与系统杂志与IEEE（美国电气与电子工程师协会）。

近几年模糊控制已经应用于生活的各领域。

随着科学的发展对惯导的要求也越来越高，相应的就对稳定回路领域提出了更高的要求，近年来国内外专家对稳定回路做了很多专门研究，实现有很多方法，有锁相环控制，数字控制，模糊PID控制，基于神经网络的PID控制等。

3，拟采用的研究路线

I，惯导平台的稳定原理与稳定回路的组成

三轴液浮积分陀螺稳定平台，具有三条参数不同而基本工作原理相同的伺服回路通道，用以保证平台台体相对于惯性空间稳定。

当台体转动时，陀螺转子的主轴相对惯性空间要保持稳定，陀螺传感器输出陀螺主轴相对惯性空间的角差信号，经过放大和校正后馈送到平台力矩电机，力矩电机产生扭转力矩，使平台向减少角差的方向扭转，直至信号器输出为零，平台相应轴完成对陀螺主轴跟踪，平台稳定于惯性坐标系内。

II，惯性平台稳定回路双闭环控制分析框图与被控对象数学模型

H为液浮积分陀螺的角动量；为陀螺传感器的放大倍数；K为耦合放大器和前置放大器的总放大倍数；伺服分解器变比系数；KI功率放大器放大倍数；Kg力矩马达放大倍数；Ka校正网络放大倍数；Wa（s）校正网路；J内框组合件绕轴的转动惯量；J2浮筒组件绕进动轴的转动惯量；C：

积分陀螺阻尼系数；力矩马达电枢绕组电磁时间常数；K反馈系数。

　　平台稳定回路单通道双闭环开环传递函数，

III，平台稳定回路双闭环系统模糊控制研究

IV，对于模糊控制在稳定回路系统中的应用研究软件设计

我们可以采用MATLAB版中的FuzzyLogic工具箱，在模糊逻辑工具箱中建立模糊推理系统后，可以再Simulink中进行仿真分析。

4，进度安排

第一周---第三周查阅资料，社会调研，文献检索，整理材料，完成开题报告及文献综述。

第四周—第六周英文资料翻译，初步确定论文的实现方案

第七周——第九周方案论证：

理论分析论证，确定可行性方案，选择元件，设计原理图，进行计算机仿真和优化设计。

第十周---第十三周完成各单元电路及总体电路硬件及软件编程设计。

第十四周---第十六周撰写论文准备答辩

5文献综述

稳定回路是高精度惯导的关键技术之一，它的性能优劣直接影响着惯导系统的精度。

随着科学技术的发展，对惯导精度的要求越来越高。

相应的就对稳定回路这个控制系统就提出了更高的要求。

这些年来，国内外很多专家都对稳定回路做了许多专门研究，实现的方法也是有很多种，但目前投入使用的最多也是PID控制方式。

其中的模糊PID控制就是我们选择的一种常用控制方式，这种方式比较成熟，易于实现。

对于稳定平台，最根本的任务就是准确的保持加速度计在空间的位置。

惯性稳定平台的主体有陀螺仪，加速器计及安装他们的台体与常平架系统构成。

稳定回路的构成：

对于控制的核心控制器--模糊控制器，模糊控制器主体部分是由计算机或单片机构成，多采用二维模糊控制结构，其控制过程大致为：

计算机采集被测参数的精确值，并将该值与给定值作比较，得出误差e以及误差变化率ec作为模糊控制器的输入语言变量，将e和ec经模糊化得到模糊量E和EC，再由E、EC和模糊控制规则，根据推理的合成规则得到模糊控制量U，U经模糊决策、清晰化得到精确控制量u。

一个模糊控制系统得性能优劣，主要取决于模糊控制器的结构、所采用的模糊规则、合成推理算法，以及模糊决策的方法等因素。

系统输出的观测量y（t）和给定值r（t）比较，经过采样和A/D转换得到一个确定的数字量，操作人员根据获得的信息和自己已有的操作经验进行比较分析、模糊推理，从而判定应该对被控对象作什么样的调整，因此在模糊自动控制中必须将操作人员的经验总结成若干条用自然语言描述的控制规则，利用模糊数学这一工具进行处理，构成一个模糊关系矩阵R存放在计算机的存储中，这些规则称为模糊控制规则。

仿照人脑的模糊推理过程，在模糊自动控制中，应该确定推理法则，做出模糊决策，模糊决策后经过模糊化处理，以便得到一个确切。

这就构成了一个模糊控制器。

模糊控制器通常由模糊化、知识库、模糊推理和非模糊化几部分组成。

模糊化的作用是将参考输入、对象输出等精确量转化成模糊量，实际上就是得到模糊推理中的前提；模糊推理是模糊控制器的核心，具有模拟人的基于模糊概念的推理能力；非模糊化的作用是将模糊推理得到的控制量转化为实际可用的精确量；而知识库则包含了用于模糊化和非模糊化的各语言变量的模糊分割、隶属度函数等数据库信息，以及用于模糊推理的一系列控制规则构成的规则库，知识库构造了模糊推理中的前提。

模糊控制器的基本结构

图中的点画框内是模糊控制器，它主要根据误差信号的大小和变化情况进行推理并给出正确的控制信号。

模糊控制器通过计算机，根据由精确量转化来的模糊输入信息，按照总结人工控制策略而得到的语言控制规则进行模糊推理，并将其转化为精确量，作为反馈控制作用施加到被控对象上。

这反映了人在对被控对象进行控制时，不断将观察到的对象输出精确量转化为模糊量，经过人脑的思维与逻辑推理取得模糊判决后，再将判决的模糊量转化为精确量，去实现人工控制的整个过程。

模糊控制器的各部分中，需解决以下三个方面的问题：

1）精确量的模糊化，采用合适的隶属度函数，把语言变量的语言值转化为某适当论域上的模糊集合。

2）知识库的设计，通过一组模糊条件语句构成模糊控制规则，并计算模糊控制规则决定的模糊关系，实际上就是构造合适的模糊控制算法。

3）非模糊化，把模糊推理的结论通过适当方法转化成实际可用的精确量。

这几个问题目前都没有惟一的求解步骤，具体采用何种方法需要从实际性能要求出发，通过不断调整而来。

可供参考的模糊控制器原则性设计步骤有：

1定义输入输出变量；2定义所有变量的模糊化条件；3设计控制规则库；4设计模糊推理结构；5选择精确化策略的方法。

根据设计原则，我们可以选择采用Mamdani极大极小推理法进行模糊逻辑推理。

针对模糊控制的推广应用，MathWorks公司在其MATLAB软件中添加了FuzzyLogic工具箱，该工具箱以其强大的功能和方便易用的特点得到了广泛应用。

它的模糊逻辑工具箱提供了与SIMULINK的无缝连接功能。

因此，我们在模糊控制逻辑工具箱中建立了模糊推理系统后，可以在Simulink仿真环境中对其进行仿真分析【1】，

参考文献来源：

1，高金源等，计算机控制系统【M】高等教育出版社，2010；

2，刘金琨等，先进PID控制及其MATLAB仿真[M]北京：

电子工业出版社，2003

3，李国勇，智能预测控制及其MATLAB实现【M】北京：

电子工业出版社，2010

4，韦巍等，智能控制技术【M】机械工业出版社，2000

5，陈磊，惯性平台稳定回路的设计【J】西北工业大学，2006

6外文翻译

外文资料

ResearchonFuzzyControlforSteamGeneratorWaterLevel

WeiPengDa-faZhang

I.INTRODUCTION

ThesteamgeneratorisoneofthemaindevicesinPWRnuclearpowerplant,inordertoensurethesafetyofnuclearpowerplantduringoperation;thesteamgenerator’swaterlevelmustbecontrolledinacertainrange.Whenthenuclearpowerplantisrunning,asthesteamfloworthewaterflowchanging,theamountofboilingbubblesinthesteamgeneratorwillchangeduetolocalpressureortemperaturechange,theinstantaneouswaterlevelshowed“falsewaterlevel”phenomenon.Theexistenceof“falsewaterlevel”madeitdifficulttocontrolthewaterlevel.Theintroductionoffeed-forwardcontroltothetraditionalsingle-loopPIDcontrolcan,inacertainextent,overcomethe"falsewaterlevel"phenomenon.ButtheconventionalPIDcontrolmethodintheprocessofsteamgeneratorwaterlevelcontrolhassomeshortcomings.Tothesteamgeneratorthathashighlycomplex,largetime-delayandnonlineartime-varyingcharacteristics,thePIDparameterstuningisatediousjobandthecontroleffectisverypoor.Furthermore,toachievegoodcontrolperformancestillasconditionschanging,itoftenneedstochangethePIDcontrollerparameters.ButtheanalogPIDcontrollerparametersaredifficulttoregulateonline.Fuzzycontrolisakindofnonlinearcontrolstrategybasedonfuzzyreasoning,whichexpressoperatingexperienceofskilledmanipulationmenandcommonsenserulesofinferencethroughvaguelanguage.Fuzzycontroldonotneedtoknowprecisemathematicalmodelofcontrolledobject,isnotsensitivetothechangeofprocessparameters,ishighlyrobustandcanovercomenon-linearfactors,so,fuzzycontrolhasfasterresponseandsmallerultra-tone,cangetbettercontroleffect.Basedonunderstandingabove,thispaperdesignasteamgeneratorwaterlevelfuzzycontroller,thesimulationshowsthatthecontrollerhasgoodcontrolperformanceandpracticalvalue.

II.DYNAMICCHARACTERISTICSOFSTEAMGENERATOR

ThetransferfunctionofPWRsteamgenerator’smathematicalmodelofthegeneralformshowsbelow:

y（s）=GW（s）QW（s）+GS（s）QS（s）

（1）

whereyisthesteamgeneratorwaterlevel;QWforthewaterflow;QSforthesteamflow;GW（s）fortheimpactofthewaterflowtothesteamgeneratorwaterlevel;GS（s）fortheeffectofthesteamflow（load）tothesteamgeneratorwaterlevel.

Thebalanceofthesteamgeneratorwaterlevelismaintainedthroughthematchbetweenthewaterflowandsteamflow.Theprocessthatwaterlevelchangeswiththesteamfloworwaterflowchangingcanberegardedasasimpleintegrationprocess,butimpactofthewaterflowandsteamflow‘schangeonwaterlevelisdifferent.

A.DynamicsCharacteristicsunderWaterFlowDisturbance

SupposesteamflowGSremainsunchanged,andwaterflowGWstepincreases,ontheonehandbecausethetemperatureoffeedwaterismuchlowerthanthetemperatureofsaturatedwaterinthesteamgenerator,sothat,whenfeedwaterentering,itwillabsorbalotofextraheat,thevaporphasebubblecontentswillreduce,resultinginwaterleveldecreasing;ontheotherhand,theincreaseinwaterflowGWmadeitgreaterthansteamload,andcausewaterlevelincreaseslinearly.Comprehensivetwofactors,afterthestepincreaseofthewaterflow,thewaterlevelrisehasatimedelayprocess,showingadownthenup.

B.DynamicCharacteristicsunderSteamLoadDisturbance

SupposefeedwaterflowGWremainsunchanged,andsteamloadGSstepincreases,ontheonehandthewaterlevelwillflowdownbecausethesteamflowrateisgreaterthanthewaterflowrate.Ontheotherhand,asthesteamloadincreased,vaporpressureisreduced;thebubblevolumeontheliquidsurfaceincreases,causingthewaterlevelincreased.Comprehensivetwofactors,afterthestepincreaseofthesteamflowrate,thewaterleveldownhasatimedelayprocess,showingaupthendown.

Theimpactonthewaterlevelofwaterfloworsteamflowsteppingdecreasedhassimilarprincipleasabove.

Asanalysiscanbeseenasabove,whenthewaterfloworsteamloadchange,thewaterleveldidnotfollowthechangeimmediately,butthereisanoppositeprocessatfirst.Thisphenomenoniscalled"falsewaterlevel"phenomenon.

III.DESIGNOFWATERLEVELFUZZYCONTROLLER

TheconventionalPIDcontrollerhasapoorcontrolperformancetothesteamgeneratorthatexist“falsewaterlevel”characteristics,showingagreaterovershootinthetrackingtime.Butawell-designedfuzzycontrollerisabletoovercomethe"falsewaterlevel"phenomenon,andhasgoodcontrolperformance.

A.SstructureofFuzzyController

ThestructureshowedinFigure1.

Figure1.Structureofsteamgeneratorwaterlevelfuzzycontroller

Choosethewaterlevelerror（e）andchangerateoferror（ec）asinputofthefuzzycontroller,theoutputofthefuzzycontrolleristheaddedvalueofthevalveopeningsignalΔu.Meanwhile,usethesteamflowfeed-forwardtoovercomethe"falsewaterlevel"phenomenon,usewaterflowfeedbacktoovercomefluctuationsinwatersupplyside.k1,k2werewaterflowandsteamflowtransmitterconversionfactor.Toensurethewaterflowtomatchthesteamflow,k1andk2valuesshouldbeequalto.

B.Fuzzytheory,fuzzysubsetandMembershipFunction

ThefuzzyAnalectsofe,ecanduare[-6,6],bothwithsevenfuzzysetsNB（negativebig）,NM（negativemiddle）,NS（negativesmall）,ZO（zero）,PS（positivesmall）,PM（positivemiddle）andPB（positivebig）todescribe.e,ecand,Δuareallusingtriangularmembershipfunction（seeFigure2）.

Figure2.Inputandoutputvariablemembershipfunction

C.Fuzzycontrolruletable

Theestablishmentprincipleoffuzzycontrolrulesare:

whentheerrorislarge,theoutputcontrolvolumeshouldgiveprioritytoeliminateerrorassoonaspossible;whentheerrorissmall,theoutputcontrolvolumeshouldgiveprioritytopreventovershoot.Whereecisnegative,itshowsthatwaterlevelhasarisingtrend,ifthewaterlevelishighatthistime,thenweshouldreducethevalveopeningsignal;whereas,weshouldopenthevalvemore.Throughacomprehensiveanalysisofexpertise,theestablishmentofruletableshowninTable1.

Table1.Fuzzycontrolruletable

D.FuzzyReasoning

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