船舶柴油主机转速鲁棒PID控制及安保装置的研究
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摘要
在船舶集控室或者驾驶台通过自动控制设备操作主机的系统称为主机遥控系统。主机调速系统是主机遥控系统的一个重要组成部分。有关调速器的发明也越来越多，至今，调速器已经经历了四代产品。
船舶主机的调速器主要采用比例积分微分(PID)控制规律。PID控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，因而成为应用最为广泛的控制器之一。
在实际情况中，机舱中的大多数控制过程都存在非线性和时变，环境和对象之间一般不存在明确的、能用数学形式精确描述关系，常规PID控制在扰动和对象模型变动的情况下不具有良好的鲁棒性(所谓“鲁棒性”，是指控制对象在一定范围内变化时，它能在某种程度上保持系统的稳定性与动态性能的能力，根据对性能的不同定义，可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性)。20世纪80年代，新的控制策略——先进的控制技术正飞速发展起来，先进的控制技术是以现代控制理论和智能控制理论为基础各种高级控制技术的总称，包括预测控制、鲁棒控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制等。这些控制技术，有一些已经有了很深入的研究，有了大量的理论材料和实践应用，但是有一些在理论上可行，但是应用于实际情况中，可能难以实现，甚至可能根本无法实现。
既然这些理论上比较“完美”的先进控制技术也存在着不足，那么能否将传统的PID控制与先进控制技术相结合，取长补短呢?按照这个思路，人们不断对这种新型的、复合型的控制器进行研究，显然，鲁棒性成为这类控制器优劣的主要衡量指标。
本文首先阐述了将一体化柴油主机的数学模型高阶滞后模型降阶为一阶或者二阶滞后模型的方法——阶跃测试响应法，然后通过二阶非对称Pade近似处理纯延迟环节。
为了得到具有高鲁棒性的PID控制器，本文基于H_2最优控制、H_∞控制和PID控制相结合，分别引出了LQR—PID和LMI—PID控制器，由LQR／LMI反馈系数确定的PID参数具有和LQR／LMI控制一致的强鲁棒性，同时是通过PID的形式体现出来，是对传统PID的一种拓展和改进。
为了针对性解决纯延迟问题，本文引入了内模设计方法，作为鲁棒控制之一的内模控制能同时兼顾系统的鲁棒稳定性和控制性能，然后从内模的角度去设计Smith预估控制系统，又基于Smith预估控制系统设计出Smith—PID控制器，从而推出了具有良好鲁棒性的PID参数，既具有Smith控制器具有的强鲁棒性，又具有简单易行的PID
The system which operates automatic equipments in ship's central control room(CCR) or control console is called Main Engine Remote Control System .As one of the important part of main engine remote control system , main engine speed control system is more and more popular in reality use Today, it's fourth generation product of speed controller.
Most of speed controllers of main engine in ship use PID Control method .As we know , PID Controller has used for 5 decades as earliest and most practical controller ,and also the most widely use in industry field nowadays .especially for easy calculating process. Robustness and stability .
In practice, most of control process in nacelle exist unknown situations such as non-linear, time-change environment and object change .which cannot be accurately described make PID have not enough Robustness (Robustness means a capability to keep the stability and dynamic behavior in a certain degree under domain-limited change of control object According different definite of capability, there are stability Robustness and behavior Robustness).In 1980s, as a new
control strategy-advanced control technology is developing fast, which contains
modern control theory and intelligent control theory, such as forecast control robust control, fuzzy control neural control and expert control, etc. These control method, some have been deeply researched and have a great deal of material and practical application, but others are difficult to use in practical situation, because they are complicated or impossible to achieve.
Since these "perfect" advanced control technology exist deficiency, why not associate with PID Control technology? According this idea, people start to research a new and compound controller, obviously, the capability of Robustness become the main measure of the controller.
At first, the article tell us who to simplify the high-order time-delay model to one-order or two-order time-delay model, named step test response method; Second, approximating the time-delay portion through two-order asymmetric Pade method.
The author advances LQR—PID and LMI—PID Controllers separately, based on
H_2 optimize control H_∞ control and PID Control, which have high Robustness as
船舶主机的调速器主要采用比例积分微分(PID)控制规律。PID控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，因而成为应用最为广泛的控制器之一。
在实际情况中，机舱中的大多数控制过程都存在非线性和时变，环境和对象之间一般不存在明确的、能用数学形式精确描述关系，常规PID控制在扰动和对象模型变动的情况下不具有良好的鲁棒性(所谓“鲁棒性”，是指控制对象在一定范围内变化时，它能在某种程度上保持系统的稳定性与动态性能的能力，根据对性能的不同定义，可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性)。20世纪80年代，新的控制策略——先进的控制技术正飞速发展起来，先进的控制技术是以现代控制理论和智能控制理论为基础各种高级控制技术的总称，包括预测控制、鲁棒控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制等。这些控制技术，有一些已经有了很深入的研究，有了大量的理论材料和实践应用，但是有一些在理论上可行，但是应用于实际情况中，可能难以实现，甚至可能根本无法实现。
既然这些理论上比较“完美”的先进控制技术也存在着不足，那么能否将传统的PID控制与先进控制技术相结合，取长补短呢?按照这个思路，人们不断对这种新型的、复合型的控制器进行研究，显然，鲁棒性成为这类控制器优劣的主要衡量指标。
本文首先阐述了将一体化柴油主机的数学模型高阶滞后模型降阶为一阶或者二阶滞后模型的方法——阶跃测试响应法，然后通过二阶非对称Pade近似处理纯延迟环节。
为了得到具有高鲁棒性的PID控制器，本文基于H_2最优控制、H_∞控制和PID控制相结合，分别引出了LQR—PID和LMI—PID控制器，由LQR／LMI反馈系数确定的PID参数具有和LQR／LMI控制一致的强鲁棒性，同时是通过PID的形式体现出来，是对传统PID的一种拓展和改进。
为了针对性解决纯延迟问题，本文引入了内模设计方法，作为鲁棒控制之一的内模控制能同时兼顾系统的鲁棒稳定性和控制性能，然后从内模的角度去设计Smith预估控制系统，又基于Smith预估控制系统设计出Smith—PID控制器，从而推出了具有良好鲁棒性的PID参数，既具有Smith控制器具有的强鲁棒性，又具有简单易行的PID
The system which operates automatic equipments in ship's central control room(CCR) or control console is called Main Engine Remote Control System .As one of the important part of main engine remote control system , main engine speed control system is more and more popular in reality use Today, it's fourth generation product of speed controller.
Most of speed controllers of main engine in ship use PID Control method .As we know , PID Controller has used for 5 decades as earliest and most practical controller ,and also the most widely use in industry field nowadays .especially for easy calculating process. Robustness and stability .
In practice, most of control process in nacelle exist unknown situations such as non-linear, time-change environment and object change .which cannot be accurately described make PID have not enough Robustness (Robustness means a capability to keep the stability and dynamic behavior in a certain degree under domain-limited change of control object According different definite of capability, there are stability Robustness and behavior Robustness).In 1980s, as a new
control strategy-advanced control technology is developing fast, which contains
modern control theory and intelligent control theory, such as forecast control robust control, fuzzy control neural control and expert control, etc. These control method, some have been deeply researched and have a great deal of material and practical application, but others are difficult to use in practical situation, because they are complicated or impossible to achieve.
Since these "perfect" advanced control technology exist deficiency, why not associate with PID Control technology? According this idea, people start to research a new and compound controller, obviously, the capability of Robustness become the main measure of the controller.
At first, the article tell us who to simplify the high-order time-delay model to one-order or two-order time-delay model, named step test response method; Second, approximating the time-delay portion through two-order asymmetric Pade method.
The author advances LQR—PID and LMI—PID Controllers separately, based on
H_2 optimize control H_∞ control and PID Control, which have high Robustness as
引文
[1] 史忠科等，鲁棒控制理论．北京：国防工业出版社，2003．1
[2] Morari M, Zaifiriou E. Robust Process Control. Prentice Hall, Eaglewood Cliffs, N. J. 1989.
[3] 牛宝来，船舶自动控制系统．大连，大连海运学院出版社，1994．
[4] 王本明，船舶柴油主机遥控系统．青岛，青岛远洋船员学院出版社，2001．
[5] 陈鸿璆，船舶柴油机主机遥控(上册)．北京：人民交通出版社，2001．
[6] 徐善林等，轮机自动化．北京：人民交通出版社，2000．
[7] 孙仁勇，船舶系统智能控制与仿真的研究．大连海事大学 2003．
[8] 朱树文，船舶动力装置原理与设计．上海交通大学出版社，1985．
[9] 胡明江等，柴油机电子调速器的研究现状及发展趋势．河南科技大学学报，第4期，2003。
[10] 陈鸿璆，船舶柴油机主机遥控(下册)．北京：人民交通出版社，2001．
[11] 黄曼磊等，柴油机调速系统数学模型．哈尔滨工程大学学报，第6期，1997．
[12] 邵家禳，发动机转速自动控制．北京：人民交通出版社，1990．
[13] 郭晨，船舶系统智能控制与仿真的研究．硕士学位论文，大连海事大学，2003．
[14] 陈宗海，过程系统建模与仿真．中国科学技术大学出版社，1997．
[15] 吴文得，一种高鲁棒性PID参数整定法的研究．硕士毕业论文，华侨大学，1999．
[16] 邵淼磊，船舶电站原动机(柴油机)及其调速系统的仿真研究．硕士毕业论文，哈尔滨工程大学，2002．
[17] 周春晖，过程控制工程手册．北京：化学工业出版社，1992．
[18] 曾癸铨，计算机反馈系统的鲁棒性设计．北京：科学出版社，1992．
[19] Staff, E. B. and Varga. R. S. Padeand Rational Approximation. NewYork: Academic Press. 1977
[20] 薛定宇，控制系统计算机辅助设计——Matlab语言及应用．北京：清华大学出版社，1996．
[21] 王孟效等，模型降阶的图解法和矩法(Ⅰ)．西北轻工业学院学报，第四期，2001．
[22] Astrom, K. J., Hagglund, T. PIDControllers. USA: 2ndEdition. 1995.
[23] Dahlin, E. B. Designingandtuningdigitalcontrollers. Instr. andContr. Sys. 1968.
[24] 龚晓峰等，时滞系统PID控制器内模整定方法的扩展．控制与决策，第13期，1998．
[25] 周克敏，鲁棒与最优控制．北京：国防工业出版社，2002．
[26] 李少远等，智能控制的新进展．控制与决策，第15期，2000．
[27] 袁亚湘等，最优化理论与方法．北京：科学出版社，1997．
[28] 顾幸生，分布参数控制系统的研究．上海：华东理工大学，1993．
[29] 毛鸿等，一种基于线性二次最优控制的PID参数优化方法．电气传动，第5期2000．
[30] 解学书，最优控制——理论与应用．北京：清华大学出版社，1986．
[31] 黄忠霖，控制系统MATLAB计算及仿真．北京：国防工业出版社．2001．
[32] 魏克新等，MATLAB语言与自动控制系统设计．北京：机械工业出版社．2004．
[33] 何衍庆等，控制系统分析、设计和应用——MATLAB语言的应用．北京：化学工业出版社．2003．
[34] 尹泽明等，精通MATLAB6．北京：清华大学出版社．2002．
[35] 梅生伟等，现代鲁棒控制理论与应用．北京：清华大学出版社．2003．
[36] Peterson I R, Hollot C V. A Riccati equation approach to the stabilization of uncertain linear systems. Automatica, 1986, 22(4).
[37] Xie Lihua, Yeng chai Soh, Carlos E. de Souza. Robust Kalman filtering for uncertain discrete-time systems. IEEE Trams. Automat. Control, 1994, 39(6).
[38] Feng Zhang, Qing-Guo Wang, Tong Heng Lee. On the design of multi-variable PID controllers via LMI approach. Automatica, 2002, 38(3).
[39] 车延博，从多目标角度设计发电机励磁控制器的LMI方法．水电自动化与大坝监测，第26期，2002．
[40] 陈增强等，基于LMI方法的不确定性系统PID控制器设计．吉林大学学报(工学版)，第34期，2004．
[41] BOYDS, EI Ghaoui L, FERONE, BALACKRISHNANV, Linear Matrix Inequalitics in Systems and Control Theory, Philadelphia, PA: SIAM, 1994.
[42] 何强等，MATLAB扩展编程．北京：清华大学出版社．2002．
[43] 黄忠霖等，MATLAB符号运算以及应用．北京：国防工业出版社．2004．
[44] 刘宏友等，MATLAB6.x．北京：机械工业出版社．2003．
[45] Callender, A., Hartee, D. R., andPorter, A., 1936, phil. Trans. R. Soc., 235, 415.
[46] Smith, O. J. M, 1957, Close control of Loops with Dead Time, Chem. Engng Prog., 53, 217
[47] 诸健，过程控制是艺术还是工程应用．化工自动化及仪表。第23期(增刊)1996．
[48] 袁南儿，计算机控制策略的发展、渗透和复合．工业仪表和自动化装置，第6期，1998．
[49] Garcia C E, Morari M. Internal model control; 1 A unifying review and some new results, Ind, Eng, Chem. Process Des Dev, 1982, 21: 308～323.
[50] 舒迪前，预测控制系统以及应用．北京：机械工业出版社，1996．
[51] Riva D E, Morari. Internal model control: 5Extension to Nonlinear Systems, Ind. Eng. Chem Process Des Dev, 1986, 25: 403-411.
[52] 龚剑平等，时滞后过程的IMC—PID控制器的研究．北京化工大学学报．第26期，1992．
[53] 刘金琨，先进PID控制MATLAB仿真(第2版)．北京：电子工业出版社，2004．
[54] 任平平等，计算机仿真技术在逆变焊接电源中的应用．黑龙江：哈尔滨工业大学，2002．
[55] 王晟等，Visual Basic 6.0中文版范例入门与提高．北京：清华大学出版社，2004．
[56] AUTO-CHIEF-4主机自动遥控系统英文说明书及技术资料．挪威：NORCONTROL automation公司．
[57] 肖诩，Visual Basic 6.0及其应用．上海：复旦大学出版社，2002．
[58] 俞立，鲁棒控制——线性矩阵不等式处理方法，北京：清华大学出版社，2002．
[59] 张晴，线性时滞系统频域控制的若干问题研究，博士学位论文，浙江大学，2002．
[60] 陈振毅，不确定时滞系统鲁棒控制若干问题研究，博士论文，浙江大学，2002．
[61] Jun-Juh Yan, Robust stability analysis of uncertain time delay systems with delay-dependance, ELECTRONICS LETTERS 18th January 2001. Vol. 37 NO. 2
[62] S.-J. Chen and J.-L. Lin, Robust stability of discrete time-delay uncertain singular systems, IEE Proc.-Control Theory Appl., Vol. 151, No. 1, January 2004.
[63] Xu Li Da, Chuwang Cheng, Bingyong Tang, A linear matrix inequality approach for robust control of systems with delayed states, European Journal of Operational Research 124(2000) 332-341.
[64] Mao-Lin Ni and Meng Joo Er, Stability of Linear Systems With Delayed Perturbations:An LMI Approach, IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS-I: FUNDAMENTAL THEORY AND APPLICATIONS, VOL. 49, NO. 1, JANUARY 2002
[65] 游浩，内模控制和IMC—PID控制及应用．硕士研究生论文，北京化工大学，2000．
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[38] Feng Zhang, Qing-Guo Wang, Tong Heng Lee. On the design of multi-variable PID controllers via LMI approach. Automatica, 2002, 38(3).
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