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圖1  平流泵壓力閉環(huán)控制框圖

3  模糊控制器的設(shè)計

    為實現(xiàn)模糊控制，語言變量的概念可作為描述手動控制策略的基礎(chǔ)[3]，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計模糊控制器。在模糊控制中，模糊控制器的作用在于通過單片機，根據(jù)由精確量轉(zhuǎn)化來的模糊輸入信息，按照總結(jié)手動控制策略取得的語言控制規(guī)則進行模糊推理，給出模糊輸出判決，并再將其轉(zhuǎn)化為精確量，作為反饋送到被控對象（或過程）的控制作用。

3.1  模糊控制系統(tǒng)的組成
模糊控制系統(tǒng)組成如圖2所示，模糊控制器主要由89C51單片機完成。

圖2  模糊控制系統(tǒng)組成

3.2  系統(tǒng)模型的建立
根據(jù)系統(tǒng)控制變量和控制的過程要求，建立系統(tǒng)模型為單輸入單輸出模型，如圖3所示。

圖3  系統(tǒng)模型

(1)  觀測量
    用含有模糊性的檔次將柱塞泵出口的壓力偏差的語言值分為七級：1：正大（PB）；2：正中（PM）；3：正小（PS）；4：零（0）；5：負小（NS）；6：負中（NM）；7：負大（NB）。
壓力偏差的范圍設(shè)定在[-64，64]之間連續(xù)變化，將壓力偏差量化為七級，量化因子為0.5，即U=（-32，-8，-2，0，2，8，32），其中元素是觀測值的變化等級，則觀測值的語言值的隸屬度可規(guī)定如表1所示。
表1  觀測量的語言值的隸屬度

(2)  控制量
    系統(tǒng)模型中，頻率信號的偏差量為輸出控制量，用含有模糊性的檔次將頻率信號偏差的語言值分為七級：1：正大（PB）；2：正中（PM）；3：正小（PS）；4：零（0）；5：負小（NS）； 6：負中（PM）； 7：負大（NB）。
設(shè)控制量在[-8，8]范圍內(nèi)連續(xù)變化，將控制量量化為七級，量化因子為0.5，即控制量的論域V=（-4，-2，-1，0，1，2，4），其中元素是控制值的變化等級，則根據(jù)實際應(yīng)用情況控制值的隸屬度可規(guī)定如表2所示。
表2  控制量的語言值的隸屬度

3.3  控制規(guī)則和模糊控制器的建立
 (1)  模糊控制器的建立

圖4  模糊控制器的結(jié)構(gòu)

  按一定規(guī)則建立模糊控制器，要完成一次控制動作，首先應(yīng)將觀測值輸入模糊控制器。觀測值在控制器內(nèi)經(jīng)過模糊化，進入變換器得到模糊響應(yīng)，在經(jīng)過模糊判決后，輸出確切響應(yīng)，然后作用到被控對象上。
(2)  語言控制規(guī)則的建立
按照經(jīng)驗，給出如下規(guī)則：
若e為負大，則v為正大；
若e為負中，則v為正中；
若e為負小，則v為正小；
若e為零，則v為正零；
若e為正小，則v為負小；
若e為正中，則v為負中；
若e為正大，則v為負大；
控制規(guī)則如表3所示。
表3  控制規(guī)則

          
上述控制規(guī)則是一個多級條件語句，它可以表示為從U到V的模糊關(guān)系：

3.4  模糊判決方法
由模糊推理規(guī)則，得出輸出的模糊響應(yīng)
即為模糊變換器，有了，對任一觀測結(jié)果e £（U）可得模糊響應(yīng)：
v=e
按最大隸屬原則判別法，將輸出的模糊響應(yīng)轉(zhuǎn)換成確切響應(yīng)。
    其實，七個級別的非模糊觀測值，引起的模糊響應(yīng)正是由于的各行。按最大隸屬度判決法只須在各行中分別尋找峰域的中心值，就是確切觀測值引起的確切響應(yīng)。
    實際控制時，控制量的模糊量轉(zhuǎn)換為精確量，去控制步進電機轉(zhuǎn)速的PWM信號的頻率的精確值根據(jù)事先確定的范圍可以很容易計算出來，通過這個精確量去控制步進電機的轉(zhuǎn)速，使得柱塞泵出口的壓力朝著減小誤差的方向變化。
在MATLAB環(huán)境下鍵入FUZZY命令進入模糊邏輯工具箱[4]。
    模糊控制器采用Mamdani型，輸入為誤差E，輸出控制量為U，通過交互式圖形界面的模糊推理系統(tǒng)編輯器（如圖5所示）和隸屬函數(shù)編輯器（如圖6所示）設(shè)計輸入、輸出變量的論域范圍，各個語言變量的隸屬函數(shù)形狀等參數(shù)。

圖5  模糊推理系統(tǒng)編輯器

 
圖6  觀測量隸屬函數(shù)

圖7  控制量隸屬函數(shù)

    本系統(tǒng)中的兩個變量的隸屬函數(shù)如圖6和圖7所示，由圖可以看出通過該模糊集合編輯器可以直觀方便地進行各項參數(shù)的設(shè)計和修改。
    通過模糊規(guī)則庫編輯器確定“IF………THEN”形式的模糊控制規(guī)則。本系統(tǒng)有7條控制規(guī)則，每條規(guī)則的加權(quán)值都缺省為1，如圖8所示。

圖8  模糊規(guī)則編輯器

    利用規(guī)則查看器和表面查看器顯示所設(shè)計模糊控制器的輸入、輸出量對應(yīng)關(guān)系，由此進行修改和優(yōu)化。最后將設(shè)計好的模糊控制器保存在一個后綴名為.fis的數(shù)據(jù)文件中，以便仿真運行時調(diào)用。

3.5  系統(tǒng)仿真
    在SIMULINK環(huán)境下，結(jié)合系統(tǒng)提供的其他功能模塊設(shè)計完成模糊控制系統(tǒng)（如圖9所示）。進行仿真前用readfis命令將myexample.fis文件加載到模糊控制模塊中[5]，設(shè)定好仿真時間、步長等各項參數(shù)，即可開始仿真。

圖9  SIMULINK環(huán)境下的模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    用平流泵去驅(qū)替巖芯，當巖芯滲透率較大時，T較小，系統(tǒng)容易穩(wěn)定，當巖芯滲透率較小時，泵頭出口相當于一個積分環(huán)節(jié)，T較大，系統(tǒng)經(jīng)過較長時間達到穩(wěn)定。仿真結(jié)果如圖10所示。
 

T=3s  比例系數(shù)P=1/2

T=8s  比例系數(shù)P=1/4
圖10  仿真結(jié)果

 

4  結(jié)語

    通過在油田兩年多的使用證明該系統(tǒng)安全、方便、可靠，壓力控制精度為±2%，其良好的性能深受廠家的信賴和歡迎，同時也為人們在其他控制系統(tǒng)的設(shè)計中提供了寶貴的經(jīng)驗。