基于模糊PID 的智能气幕式围油栏控制系统研究

华秋浩，卢金树

(浙江海洋大学船舶与海运学院，浙江舟山 316022)

船舶运输业和海上石油开发等行业的发展，为经济发展带来积极作用的同时，也增加了溢油事故的发生，对海洋以及周边的生态环境造成了污染。气幕式围油栏由布置在水下，有若干孔的管道持续释放气泡产生，管道连接供气站。发生溢油事故时，气幕管道释放气泡，在水面形成连续不断的“凸起”，防止溢油扩散。

目前普遍认为气幕围油的围油机理与气幕防波堤类似。TAYLOR[1]提出了静止水中气泡幕的工作原理。BULSON[2]推导得到流速与水平流厚度的公式。张成兴[3]通过物理模型试验与数值模拟的方法，对消波性能与影响因素进行了探讨。MCCLIMANS,et al[4]在南加州近海开展海域气幕围油的试验得出结论，在动水环境下能有效围油，关键在于大面积的气泡羽流。进一步验证可行性。LU Jinshu,et al[5]通过数值模拟与水池中模型试验，总结得到了围油效果与通气孔径大小及其间距等参数之间的关系。彭华超[6]进行了岸边真实海况的试验，完成了应用系统的设计。近年来，CHENG Yixuan,et al[7]将气泡幕应用于疏浚工程，表明气泡幕能阻断水中指定区域与其他区域的物质交换，表明气泡幕能在其两侧产生向外的作用。对于围油的效果，目前没有明确的标准。LU Jinshu,et al[5]提出了根据气幕管道与溢油边界的水平最短距离衡量气幕围油的效果，但是测量不易。本文选择了更易获取的溢油边界与气泡幕边界的最短水平距离。同时，人为也能直观观察到围油的效果。

目前，应用气泡幕进行溢油围控还存在着以下缺点：(1)实际海况复杂多变，围油栏无法根据实时变化的风、浪、流的变化引起的围油效果自动调整高度等控制参数，围油效果差；(2)未根据气幕围油效果的影响参数进行建模，无法为下一步围油工作提供指导。前人的研究停留在数值模拟与初步的下水试验，并未结合变化的围油状况进行装置参数的优化控制。基于此，开发能根据围油状况调整气幕围油栏参数的控制系统显得尤为重要。本文根据实际气幕围油的需求，提出模糊控制与PID 控制结合的方法，创新性地应用到气幕围油的过程中。开发气幕式围油栏的控制系统，通过仿真和物理试验，验证此控制方法的优越性。

1 系统结构

本文根据控制要求，以气幕围油距离为控制对象。将围油距离定义为溢油边界与气泡幕边界的水平距离S，如图1 所示。试验可知，围油距离变化的趋势由快到慢，具有非线性、延迟性的特点，难以根据具体的控制方程推导出精确的数学模型。为此，提出了加入PID 和模糊PID的方案，选取气幕管道深度作为控制的输出参数。通过仿真实验，比较2 种方案对于气幕围油效果。

图1 围油距离示意[8]Fig.1 Oil containment distance

图2 为气幕围油装置示意图，摄像机拍摄到溢油与围油效果变化的情况，经处理得到围油效果，输出相应的控制量，控制气幕管道的升降。

图2 气幕围油装置结构Fig.2 Structure of air curtain oil containment device

张成兴[3]证明适当增加管道淹没的深度，消波性能的效果可以得到增强。且在动水环境中，随着气幕管道深度的增加，气泡到达液面的水平漂移距离也会加大，使得围油效果更好。

2 控制器设计

PID 控制器的表达式为：

式中：u(t)为控制信号；e(t)为误差信号；r(t)为输入信号；y(t)为传感器检测到的数据。PID 控制器的结构如图3 所示。

图3 PID 控制器结构Fig.3 Structure of PID controller

模糊PID 控制基于传统PID 控制的思路，运用模糊理论将人的经验转化为机器能理解的模糊控制法则[8]。模糊控制可减小或避免外部环境的不确定性对效果的干扰[9]。首先，将采集到的图片进行处理，得到围油距离S。其次，将S 与设定的S0进行运算比较，得到输入变量的偏差，同时对其进行求导运算得到围油距离偏差的变化特征ec，将e 与ec 作为模糊控制器的输入量。最后，模糊控制器进行模糊运算后，对PID 的控制参数进行微调，输出精确控制量以调节气幕管道的深度，并继续进行实时反馈。

根据实际控制的需求，围油距离偏差e 和偏差变化率ec 输入到控制器，经过模糊推理等过程，计算得到控制参数ΔKp，ΔKi，ΔKd，再与前文PID 的初始值进行线性计算，得到新的控制值。输入量与输出量的论域分别为[-6,6]和[-2,0]，模糊集合为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。

图4 模糊PID 控制系统结构Fig.4 Structure of fuzzy PID control system

2.1 数学模型

本文使用系统辨识工具，建立在气幕围油过程中，围油距离随时间的变化趋势与管道深度阶跃的数学模型。选择了流速为0.1 m·s-1，管道深度由30 cm 阶跃到40 cm 时的实验数据，

可知围油距离对象具有延迟、惯性的特点。在工业生产的控制过程中，延迟系统大部分情况下可以近似为一阶延迟惯性环节[10]，选择用式(3)表达：

式中：K 为系统静态增益，dB；τ 为系统时滞常数；T 为系统时间常数。

得到传递函数为：

2.2 模糊PID 控制的设计

设定围油距离为S0，将测量到的多组围油距离的实际值与设定值进行比较，计算得到偏差e 与偏差的变化率ec。经过模糊的推理得到的输出为控制参数ΔKp、ΔKi、ΔKd。将输出的部分与原先的设定值进行线性计算，得到新的控制量。模糊PID 控制参数的表达式为：

式中：Kp为新的控制量；ΔKp为模糊控制器的输出量，a1为其系数；kp为之前的控制参数。由PID 的控制原理可知，在一定范围内小幅度调整模糊规则，可以改变响应的效果。

本文确定围油距离的偏差与围油距离的偏差变化率的论域分别为[-60，60]cm 和[-10,10]cm·s-1。误差的量化因子为：

误差变化率的量化因子为：

模糊规则根据前期操作积累的经验和专家经验进行制定[11]，对于具体的控制对象，可以进行部分规则的优化。最后，将得到的模糊输出量，通过解模糊得到精确的控制量，如式(10)所示：

式中：v0为输出的精确控制量；μv(v)为模糊控制量对应的权重。

3 试验结果

3.1 气幕围油仿真试验

搭建PID 与模糊PID 控制的仿真模型如图5 所示，激励端选择阶跃信号，代表所期望的围油距离值。输出信号反应系统的响应能力。确定PID 控制的初始值Kp、Ki和Kd分别为-0.155，-0.08 和-0.06。

图5 控制对比系统框图Fig.5 System block diagram of control comparison

仿真结果如图6 所示。图6 中，实线和虚线分别表示的是PID 与模糊PID 算法的控制效果对比图。根据上述仿真模拟可知，PID 控制能基本达到控制的要求。在25 s 后，振荡幅度明显减小。30 s 后，进入稳态区，没有出现明显的震荡。而模糊PID 在15 s 后就趋向稳定，仿真效果较好。且整体看来，模糊PID 控制效果的振荡和超调量都较小，达到预定效果的整体时间短。其主要原因是，模糊PID 具有良好的动态与静态性能[12]。两者在响应速度方面没有明显的差距，均在1.5 s 左右。

图6 气幕围油控制过程仿真曲线Fig.6 Curves of control process of air curtain oil containment

3.2 海况模拟试验

试验选择的水池基本参数为：长10 m，宽3 m，试验水深75 cm。测试中选择的软管内径19 mm，气孔的孔径3 mm，间距4 cm。动水流速为0.05 m·s-1。风机的流量为310 m3·h-1。管道的排列方式为单管布置。每隔4 s 进行1 次图像的采样，气幕管道的初始淹没深度为75 cm。

图7 10 s、20 s、40 s 时的围油效果图Fig.7 Oil containment effect of 10 s,20 s and 40 s

试验结果如图8 所示。可知，在0～40 s 以内，围油距离平稳变化，45 s 开始，在预设值的上下波动。由于气幕围油进行的同时，也会伴随着外部环境风、浪、流的变化，围油的效果出现小范围的振荡，偏差范围不大，基本符合围油的要求。

图8 恒定流速下围油距离变化Fig.8 Variation of oil containment distance at constant flow velocity

4 结论

针对已有气幕围油栏技术存在的围油不及时，无法自动调整控制参数等问题，提出基于模糊PID 算法控制方法自动调节气幕管道在淹没深度。首先，根据气幕围油的特性，拟合出围油距离的变化规律曲线，推导出相关的数学模型。其次，设计模糊PID 控制器，与PID 控制进行仿真对比，有更好的效果，有效减小了整体过程的超调量，且能更早达到稳定期。最后，进行模拟海况试验，可知，在40 s 之后，围油效果在设定值的上下波动，大致达到了要求，验证了模糊PID 控制的有效性。