基于改进遗传算法优化的气动盾形闸门模糊PID控制研究

解 决 以上 问题 ，但 存 在 控 制 器参 数 试 凑 的 问题 。针 对 这种 情 况 ，文章 提 出一 种 动 态调 整 搜 索
空 间的 改进 遗 传 算 法 ，从 提 高 个体 的 适 应 度和 种 群 的 平 均 适 应 度 方 面 改 选 种 群 的 选择 方 法 ，将 交 叉概 率 和 变异 概
河 道治 理 、大 坝 加 高 、农 田 灌 溉 、引 水 、防 旱 排 涝 、水 力发 电等工 程 。 。已经 成 功 用 于 美 国和 加
上 ，分 别对 遗传算 法 的选择 方法 及交 叉 和变 异 策 略
进 行 了改进 ，并 将改 进后 的遗 传算法 对 模糊 Ｐ Ｉ Ｄ控
制 器进 行参 数 寻优 。仿真 结果 表 明了所 提 控制 策 略 的有效 性 ，为气 动盾 形 闸门在水 利工 程 中更 高 效 的
使 用打 下 了基础 。
拿 大等 地 ．但 其 材 料 和 核 心 技 术 仍 为 国外 专 利 ，
国 内尚无 设 计规 范可 循 。因水 流变 化快 ，冲击 和
１ 问题 描 述
气动 盾形 闸 门结构示 意 图如 图 １所 示 ，Ｂ为 闸 门的宽度 ，Ｌ为 闸 门 的长 度 ， ０为 闸 门 的倾 角 。通 过 空气压 缩机 往气 囊 中充气 或放气 来 调 整 闸 门的 角 度 ，从 而控 制河流 的水 位 。 目前 常 用 的控 制 方 法 为 传 统 Ｐ Ｉ Ｄ 控 制 ，输 出
困难 。
Ｐ ＷＭ 波控 制 电 磁 阀动 作 ，调 节 闸 门 的 高 度 。公 式
如下：
ｅ＝ Ｈｓ 一Ｈ
Ｐ ｍ
（ １ ）
模糊 Ｐ Ｉ Ｄ控制 综 合 了模 糊控 制 和 Ｐ Ｉ Ｄ控 制 的特 点 ，具 有 鲁棒 性 强 、结 构 简单 等 优 点 ［ ７ － ８ ］ 。但 模 糊 Ｐ Ｉ Ｄ的控制 参 数一 般选 用 试 凑法 选 取 ，具 有 一 定局 限性 。遗传 算 法 （ Ｇ ｅ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ Ａ ｌ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ，Ｇ Ａ） 具 有 全 局优 化 能力 ，可对 模糊 Ｐ Ｉ Ｄ控 制器 的参 数 进行 优
压强 大 ，对 闸 门材 料要 求高 ，在 引 进使 用 时 ，出 现 了水 位调 整 时间长 ，控 制偏 差 大等 问题 。
若 能 成功 解 决 气 动 盾 形 闸 门 的 控 制 问题 ，该
闸 门就 可 以 在 国 内 推 广 使 用 。但 由 于水 流 量 的 大 小 、天 气 、地 势 等 经 常 变 化 ，且 气 动 系统 本 身 具 有 很 强 的非 线 性 ，因而 气 动 盾 形 闸 门 系 统 难 以建 立 精 确 的 数 学 模 型 ，实 现 水 位 的 精 确 控 制 比较
２ ０ １ ７ 年第 １ ２ 期
ＤＯＩ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ２ — ２ ４ ６ ９ ． ２ ０ １ ７ ． １ ２ ． ０ ２ ９
水利规划与设计
科研管 理
基 于 改进 遗 传 算 法 优 化 的气 动盾 形 闸 门模 糊 Ｐ Ｉ Ｄ 控 制 研 究
化 ，寻找 最 优 值 ¨ 。 但 基 本 遗 传 算 法 存 在 早 熟
・
： ＫＰ
ｅ ＋ ｆ ｅ ｄ ＋ ｄ
（ ２ ）
收 稿 日期 ：２ ０ １ ７ — １ ｌ 一 ２ ６
基 金 项 目 ：科 技 型 中小 企 业 技术 创 新 基 金 “ 气 动 盾 形 闸 门智 能 协 同 控 制 系统 ” （ １ ２ Ｃ ２ ６ ２ １ ４ ３ ０ ４ ７ ３ ２ ） 。 作 者 简 介 ：冯 磊 华 （ １ ９ ８ ０年 ～ ） ，女 ，讲 师 。
率 改 进 为 可 自适 应 调 整 的算 子 ，采 用 能 兼顾 响应 过 程 和 性 能 指标 的 适 应度 函数 。将 改进 的遗 传 算 法 对 气 动 盾 形 闸 门的 模 糊 Ｐ Ｉ Ｄ控 制 器参 数 进 行 迭 代 寻优 ，仿 真 结 果 表 明 ，采 用 改 进 遗 传 算 法优 化 的 模 糊 Ｐ Ｉ Ｄ控 制 系统 控 制 精 度 和
调 整 时 间均 得 到 较 大 改善 ，收 敛 性 能也 更 好 。该 方 法有 利 于 气动 盾 形 闸 门 的进 一 步推 广 应 用 。
关 键 词 ： 气动 盾 形 闸 门 ；改 进 遗 传 算 法 ；模 糊 Ｐ Ｉ Ｄ控 制 ；优 化 控 制 ； 水位 控 制
中 圈 分 类 号 ：ＴＰ ２ ７ Ｔ Ｖ９ ｌ 文 献标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ： １ ６ ７ ２ — ２ ４ ６ ９（ ２ ０１ ７） １ ２ — ０ ０ ９ ８ — ０ ４
气 动盾 形 闸 门是 我 国引进 的一种 新 型 闸 门 ，它
收敛 、寻 优 能 力 不 强 的问 题 ¨ ，在 应 用 中需 要 对 其 改进 。 本 文对 气动盾 形 闸 门模 糊 Ｐ Ｉ Ｄ控 制 研究 的基 础
结合 了传 统钢 闸 门和橡胶 坝 的优 点 ，是 目前 国际水 利 工程 的发 展趋 势 ，但 在 我 国才 刚起 步 。气动 盾 形 闸门 系统 主要有 钢 闸 门 、气 袋 、埋 件 、空 气压 缩 系 统和控 制 系统组 成 … 。利 用压 缩空气 对 气袋 的充 气 或排气 ，使 闸 门升起 或 倒 伏 ，可 运 用 到 城 市 景 观 、
冯 磊 华 ，杨 锋
（ １ ．长 沙 理 工 大学 能 源 与 动 力 工 程 学 院 ，湖南 长 沙 ４ １ ０ ０ １ ４ ；２ ，湖 南 江 河 机 电 自动 化 工 程 有 限 公 司 ，湖 南 长沙 ４ １ ０ ０ １ ３ ）
摘 要 ： 气动 盾 形 闸 门在 调 节 水位 过 程 中 ，存 在 调 节 时 间 长 、控 制 精 度 差 等 问题 。 气动 盾 形 闸 门 的模 糊 Ｐ Ｉ Ｄ控制 系