图1  平流泵压力闭环控制框图

3  模糊控制器的设计

    为实现模糊控制，语言变量的概念可作为描述手动控制策略的基础[3]，并在此基础上设计模糊控制器。在模糊控制中，模糊控制器的作用在于通过单片机，根据由精确量转化来的模糊输入信息，按照总结手动控制策略取得的语言控制规则进行模糊推理，给出模糊输出判决，并再将其转化为精确量，作为反馈送到被控对象（或过程）的控制作用。

3.1  模糊控制系统的组成
模糊控制系统组成如图2所示，模糊控制器主要由89C51单片机完成。

图2  模糊控制系统组成

3.2  系统模型的建立
根据系统控制变量和控制的过程要求，建立系统模型为单输入单输出模型，如图3所示。

图3  系统模型

(1)  观测量
    用含有模糊性的档次将柱塞泵出口的压力偏差的语言值分为七级：1：正大（PB）；2：正中（PM）；3：正小（PS）；4：零（0）；5：负小（NS）；6：负中（NM）；7：负大（NB）。
压力偏差的范围设定在[-64，64]之间连续变化，将压力偏差量化为七级，量化因子为0.5，即U=（-32，-8，-2，0，2，8，32），其中元素是观测值的变化等级，则观测值的语言值的隶属度可规定如表1所示。
表1  观测量的语言值的隶属度

(2)  控制量
    系统模型中，频率信号的偏差量为输出控制量，用含有模糊性的档次将频率信号偏差的语言值分为七级：1：正大（PB）；2：正中（PM）；3：正小（PS）；4：零（0）；5：负小（NS）； 6：负中（PM）； 7：负大（NB）。
设控制量在[-8，8]范围内连续变化，将控制量量化为七级，量化因子为0.5，即控制量的论域V=（-4，-2，-1，0，1，2，4），其中元素是控制值的变化等级，则根据实际应用情况控制值的隶属度可规定如表2所示。
表2  控制量的语言值的隶属度

3.3  控制规则和模糊控制器的建立
 (1)  模糊控制器的建立

图4  模糊控制器的结构

  按一定规则建立模糊控制器，要完成一次控制动作，首先应将观测值输入模糊控制器。观测值在控制器内经过模糊化，进入变换器得到模糊响应，在经过模糊判决后，输出确切响应，然后作用到被控对象上。
(2)  语言控制规则的建立
按照经验，给出如下规则：
若e为负大，则v为正大；
若e为负中，则v为正中；
若e为负小，则v为正小；
若e为零，则v为正零；
若e为正小，则v为负小；
若e为正中，则v为负中；
若e为正大，则v为负大；
控制规则如表3所示。
表3  控制规则

          
上述控制规则是一个多级条件语句，它可以表示为从U到V的模糊关系：

3.4  模糊判决方法
由模糊推理规则，得出输出的模糊响应
即为模糊变换器，有了，对任一观测结果e £（U）可得模糊响应：
v=e
按最大隶属原则判别法，将输出的模糊响应转换成确切响应。
    其实，七个级别的非模糊观测值，引起的模糊响应正是由于的各行。按最大隶属度判决法只须在各行中分别寻找峰域的中心值，就是确切观测值引起的确切响应。
    实际控制时，控制量的模糊量转换为精确量，去控制步进电机转速的PWM信号的频率的精确值根据事先确定的范围可以很容易计算出来，通过这个精确量去控制步进电机的转速，使得柱塞泵出口的压力朝着减小误差的方向变化。
在MATLAB环境下键入FUZZY命令进入模糊逻辑工具箱[4]。
    模糊控制器采用Mamdani型，输入为误差E，输出控制量为U，通过交互式图形界面的模糊推理系统编辑器（如图5所示）和隶属函数编辑器（如图6所示）设计输入、输出变量的论域范围，各个语言变量的隶属函数形状等参数。

图5  模糊推理系统编辑器

 
图6  观测量隶属函数

图7  控制量隶属函数

    本系统中的两个变量的隶属函数如图6和图7所示，由图可以看出通过该模糊集合编辑器可以直观方便地进行各项参数的设计和修改。
    通过模糊规则库编辑器确定“IF………THEN”形式的模糊控制规则。本系统有7条控制规则，每条规则的加权值都缺省为1，如图8所示。

图8  模糊规则编辑器

    利用规则查看器和表面查看器显示所设计模糊控制器的输入、输出量对应关系，由此进行修改和优化。最后将设计好的模糊控制器保存在一个后缀名为.fis的数据文件中，以便仿真运行时调用。

3.5  系统仿真
    在SIMULINK环境下，结合系统提供的其他功能模块设计完成模糊控制系统（如图9所示）。进行仿真前用readfis命令将myexample.fis文件加载到模糊控制模块中[5]，设定好仿真时间、步长等各项参数，即可开始仿真。

图9  SIMULINK环境下的模糊控制系统结构图

    用平流泵去驱替岩芯，当岩芯渗透率较大时，T较小，系统容易稳定，当岩芯渗透率较小时，泵头出口相当于一个积分环节，T较大，系统经过较长时间达到稳定。仿真结果如图10所示。
 

T=3s  比例系数P=1/2

T=8s  比例系数P=1/4
图10  仿真结果

 

4  结语

    通过在油田两年多的使用证明该系统安全、方便、可靠，压力控制精度为±2%，其良好的性能深受厂家的信赖和欢迎，同时也为人们在其他控制系统的设计中提供了宝贵的经验。