提高水阻試驗電流控制精度的研究

鐘 旭

(廣東技術(shù)師范學院電子與信息學院，廣東 廣州 510665)

0 引言

利用水電阻作為可調(diào)節(jié)負載元件對機車柴油機－發(fā)電機組輸出電流加以調(diào)節(jié)，實現(xiàn)機車柴油機加載測試研究，這已成為鐵路機務(wù)部門檢修機車不可缺少的一項重要技術(shù)手段。

近年來，隨著機車檢修技術(shù)的不斷發(fā)展，機車柴油機－發(fā)電機組輸出電流精確控制問題越來越引起人們廣泛關(guān)注。通過將電流偏差預(yù)先分段，再利用PI調(diào)節(jié)與設(shè)置控制死區(qū)相結(jié)合實現(xiàn)電流精確控制，是一種可行的作法[1]。但是，由于控制過程中未充分考慮極板升降產(chǎn)生的巨大慣性及其水溫變化影響，因此電流的控制精度也只能限制在一定程度。將極板固定，利用反向調(diào)節(jié)水位的方式來調(diào)節(jié)電流，是克服系統(tǒng)慣性影響的一項有效措施，因而可獲得較滿意的控制效果[2]。但其不足之處在于進排水量過小，從而令電流調(diào)節(jié)范圍過窄，所以此法只適合小型柴油機試驗場合。

鑒于此，本文提出基于恒定水溫的電流Petri網(wǎng)協(xié)調(diào)級混雜遞階模糊PID控制方案，有效彌補了上述方法的不足，實現(xiàn)了機車試驗負載電流高精度、大范圍控制。

1 系統(tǒng)組成原理與控制方案設(shè)計

現(xiàn)行機車水阻試驗系統(tǒng)由水阻試驗裝置和機車兩部分構(gòu)成。系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Operating principle of the system

其中，水阻試驗裝置包括能量吸收轉(zhuǎn)化裝置和水電阻調(diào)節(jié)裝置兩部分。能量吸收轉(zhuǎn)化裝置由水箱、活動極板、固定極板和電解水溶液等組成;水電阻調(diào)節(jié)裝置一般由電機、渦輪蝸桿減速器和動靜滑輪組等構(gòu)成[3－4]。電機輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)蝸輪蝸桿傳遞后，通過滑輪組驅(qū)動活動極板升降，以改變活動極板組浸入水中的面積即水電阻阻值，起到調(diào)節(jié)機車柴油機-發(fā)電機組輸出電流的作用。

活動極板浸水面積S與負載電流IF的關(guān)系如下：

式中：S=ahNj;PF為主發(fā)電機功率，kW;IF為負載電流，A;ρt為水溫t℃時水電阻率，Ω·cm;l為活動極板與固定極板間距，cm;a為活動極板寬度，cm;h為活動極板浸入水中的深度，cm;Nj為極板組數(shù)。

由式(1)可知，當PF一定時，調(diào)節(jié)h可改變IF。據(jù)此，有兩種方式可達到此目標，一種是令池內(nèi)水位保持不變，通過控制活動極板的入水深度來調(diào)節(jié)電流，反映到電機控制上就是對電機轉(zhuǎn)向及運行時間的控制;另一種是將活動極板固定不動，利用控制池內(nèi)液位的高度來實現(xiàn)對h調(diào)節(jié)。兩者相比，前者調(diào)節(jié)幅度更大，調(diào)節(jié)速度也更快，但存在較大慣性和控制死區(qū)，適合于負載粗調(diào);而后者雖然調(diào)節(jié)幅度小，調(diào)節(jié)速度慢，但卻能夠有效避免因系統(tǒng)慣性帶來的不利影響，因而可獲得更高的控制精度，比較適合電流微調(diào)。為此，本文采取一種折衷的控制方案，即在電流偏差較大時采取極板升降控制;而在電流偏差較小時應(yīng)用水位調(diào)節(jié)，以達到優(yōu)勢互補的目的。

水阻試驗過程是能量轉(zhuǎn)換消耗的過程。試驗時，由于能量的不斷交換使水溫上升，由此引起ρt不斷變化[5]，令I(lǐng)F與h間的關(guān)系變得相對復(fù)雜。這是造成電流調(diào)節(jié)困難的根本原因。為此，設(shè)計了專門的水溫調(diào)節(jié)器，使得水溫在試驗過程中保持基本不變，即ρt基本不變，這樣IF與h之間關(guān)系變得更直接，電流更易控制。

鑒于系統(tǒng)在IF連續(xù)控制過程中伴有水溫調(diào)節(jié)這一離散事件，表現(xiàn)出典型的混合系統(tǒng)特征，因此，負載調(diào)節(jié)問題更適于從混雜系統(tǒng)思想角度加以解決[6]。為降低對整個系統(tǒng)的建模難度，采用遞階控制理論。所建立的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of control system

圖2中，控制系統(tǒng)分為組織層、協(xié)調(diào)層與執(zhí)行層。組織層用于對給定的外部命令和任務(wù)以及現(xiàn)場反饋數(shù)據(jù)進行判斷，找到完成該任務(wù)的各子任務(wù)(或操作)組合，并將具體要求傳送至協(xié)調(diào)級。協(xié)調(diào)層接受上層分派子任務(wù)，產(chǎn)生可供執(zhí)行級執(zhí)行的具體動作序列并送入相應(yīng)控制器。利用Petri網(wǎng)翻譯器建立該層模型，通過指令翻譯器直接驅(qū)動執(zhí)行層控制器。執(zhí)行層則完成負載電流具體控制，它由極板控制器、水位控制器和水溫控制器組成。當負載電流偏差較大時，啟用極板控制器，以縮短過渡過程時間;而當電流偏差較減小時，為避免超調(diào)，切換至水位控制器，以獲得更高的控制精度。與此同時，水溫控制器始終對不同點溫度進行實時監(jiān)測，一旦溫差超限，便及時做出調(diào)整處理，保證水溫與電流同步協(xié)同控制。

為實用起見，各控制器均以單片機AT89C55為核心，構(gòu)成相對獨立的單片機控制子系統(tǒng)。

2 協(xié)調(diào)級Petri網(wǎng)控制

協(xié)調(diào)級功能本質(zhì)上就是決策過程，它通過任務(wù)調(diào)度與翻譯兩個步驟完成，可描述為對于給定的任務(wù)a，找到一個可激發(fā)的遷移t，使σ(t，a)有定義，進而根據(jù)σ(t，a)找到正確的翻譯串。

設(shè) M=(N，∑，Δ，σ，μ，F(xiàn))表示協(xié)調(diào)器，對于任何a∈∑，定義 T(a)={t︱σ(t，a)}，定義 Tλ=T(λ)={t︱σ(t，a)}，它相當于內(nèi)部操作的集合。設(shè)置QT和QD兩個隊列，QT存儲未被執(zhí)行的任務(wù)，QD存儲暫時條件不具備而需要推遲執(zhí)行的任務(wù)。定義函數(shù)F(Q)為取出Q的第一個元素，I(Q，a)將元素a插入到Q的末尾，U(Q1，Q2)置 Q2于 Q1的末尾，N(Q)使 Q 為空，令v=a1，a2，…，aS∈Δ*為要執(zhí)行的任務(wù)串，其中，Δ*表示由Δ中字符組成的字符串集，則M的調(diào)度步驟為：

① QT={a1，a2，…，aS}，QD=Ф(空集);

② 如果QT為空，則退出;

③u=F(QT);

④如果存在一個t∈T(u)且t處于使能激發(fā)狀態(tài)，那么激發(fā)t，并轉(zhuǎn)⑦;

⑥ I(QD，u)，如果 QT為空，則 QT=QD且 N(QD)，轉(zhuǎn)步驟②;

⑦ 若QD不為空，則QT=u(QD，QT)并N(QD)，轉(zhuǎn)②。

依照上述步驟，首先對字符串v中所代表的任務(wù)依次進行檢驗，若任務(wù)能執(zhí)行，則立即執(zhí)行;若不能，則設(shè)法找到一個內(nèi)部操作序列，使依次輪到的任務(wù)能夠執(zhí)行。若這一點也不能實現(xiàn)，則將此任務(wù)移送到等待隊列QD中，一旦M的狀態(tài)發(fā)生了變化，再將QD按原次序送返QT中，并依次進行檢驗。這樣可盡可能按v中原來的次序執(zhí)行任務(wù)。

任務(wù)翻譯由Petri網(wǎng)翻譯器完成。它從組織級接收的字符串放到輸入帶D上開始翻譯，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。翻譯過程中，一旦D中的一個遷移t激發(fā)，Petri網(wǎng)便執(zhí)行一條基元事件a，也就意味著所選擇的控制串z∈σ(t，a)送到了各協(xié)調(diào)器。當各協(xié)調(diào)器都到達各自終了狀態(tài)時，說明已完成了任務(wù)。

圖3 Petri網(wǎng)翻譯器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of Petri net translator

3 電流控制

3.1 電流的極板升降控制

依據(jù)負載特性，選擇模糊控制策略。由于常規(guī)二維模糊控制器是以誤差和誤差變化為輸入變量，因此只具有比例和微分控制作用，而缺少積分作用，故不能消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。為提高模糊控制精度，加入積分環(huán)節(jié)[7－8]，但需考慮加入的時機與條件。改進的模糊PID控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 改進的模糊PID控制器Fig.4 Improved fuzzy PID controller

圖4中，輸入量為電流偏差e、偏差變化ec，輸出量為極板升降時間量 u。e的基本論域為[－4 800，+4 800](單位：A);ec基本論域由 ec(k)=e(k)－e(k－1)經(jīng)現(xiàn)場實測確定，這里k表示電流采樣時刻;u的基本論域為[－200，+200](單位：s)。將實測值 e、ec以及u分別量化至[-6，+6]，再離散化、模糊化。模糊子集E、EC、U的論域均為[-6，－5，－4，－3，－2，－1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6]，在此論域上定義7個等級：負大、負中、負小、零、正小、正中、正大，表示為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。鑒于模糊規(guī)則解析式更利于規(guī)則在線修正和對偏差、偏差變化施加不同權(quán)重，有：U= －[αE+(1－α)EC] (2)式中：U為輸出量;α∈(0，1)為加權(quán)因子。

為了避免積分環(huán)節(jié)過早加入而產(chǎn)生極限環(huán)振蕩現(xiàn)象，需要選擇好積分加入時機。具體采用以下邏輯條件加以判定：當|e|＜δ且 e×ec＞0或 ec=0且 e≠0時，對誤差進行積分，其中δ為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差;當e=0或e×ec＜0時，不對誤差積分。

3.2 電流的水位控制

如前所述，水位控制就是將活動極板固定不動，通過調(diào)節(jié)進排水量來調(diào)節(jié)h，達到調(diào)節(jié)電流的目的。由于進排水量與液位間存在積分關(guān)系，因此通過這一方式可將h的變化控制得非常微小，能有效避免系統(tǒng)慣性帶來的不利影響，因而可以達到很高的控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。但由于水阻池容積太大，要引起h微弱的變化需要足夠的進、排水量，因此該控制方式所需的過渡過程時間較長。針對這種狀況，在實際應(yīng)用中，主要采取盡量縮小水位控制范圍的辦法，即在極板控制進入死區(qū)后方啟動該控制器。此外，采用增加進排水閥口數(shù)量以增大注排水量的方式，取得了一定效果。

為便于實現(xiàn)，水位控制與極板控制采取相同的模糊控制策略，即以電流偏差e和偏差變化率ec為輸入量，注排水電磁閥啟停時間量作為輸出量的模糊PID控制結(jié)構(gòu)。限于篇幅，在此不贅述。

3.3 水溫控制

電流調(diào)節(jié)時，由于水溫的上升，使水電阻降低，負載電流增大，從而令電流調(diào)節(jié)變得不確定。因此，試驗過程中必須設(shè)法保持水溫穩(wěn)定，以確保電流調(diào)節(jié)僅由活動極板浸水面積S這一變量所決定。傳統(tǒng)方式是通過專用冷卻設(shè)備不斷注入循環(huán)冷卻水，將水溫限制在沸點之下，以此維持水溫恒定[9－10]。但由于水溫控制范圍大且受試驗設(shè)備成本高、體積龐大限制，傳統(tǒng)方式推廣起來十分困難。為此，本文采取在水箱不同位置點分別安裝4個溫度傳感器，通過水溫控制器實時采集各點水溫，并計算相互間溫差，然后根據(jù)溫差大小控制進排水閥的啟閉。為增大進、排水量，縮短調(diào)溫時間，現(xiàn)場安裝了3個進水閥門、2個泄水閥門和溢水槽，通過對閥門數(shù)量及啟閉時間的控制來完成進排水量的調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)恒定水溫控制。必須指出的是，在水溫冷卻調(diào)節(jié)過程中，需要保持水箱液面高度不變，以保證極板浸入水中面積基本不發(fā)生變化。

4 應(yīng)用實例

上述方案在國產(chǎn)DF4型內(nèi)燃機車架修中進行了測試。試驗設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)為功率2 059 kW、最大電流4 800 A、最高電壓705 V、活動極板總面積48 m2、水箱容積25 m3、活動極板升降速度0.5(m·min－1)。

極板升降模糊PID控制器相關(guān)參數(shù)為ke=800、kc=12.10、ku=35.00，采樣時間 Ts=1 s、α =0.702、TI=0.037;水位模糊PID控制器相關(guān)參數(shù)為 ke=16、kc=11.54、ku=133.21，采樣時間為 Ts=1 s、α =0.435、TI=0.021;池內(nèi)水溫最大溫差控制在±4 K以內(nèi)。

在機車第16手柄位，利用本文控制器進行了牽引發(fā)電機外特性調(diào)整試驗，不同工況下部分電流的控制數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 部分電流控制數(shù)據(jù)表Tab.1 Partial current control data A

為驗證文中方案的有效性，在機車第16手柄位分別與常規(guī)模糊控制器、PID控制器進行了對比。電流為3 kA時，實際輸出結(jié)果如圖5所示。

圖5 輸出曲線Fig.5 Output curves

從圖5及表1看出，與其他控制器相比，文中設(shè)計的控制器在控制初期雖然有一定量超調(diào)，但后續(xù)調(diào)整速度快且過程平穩(wěn)，整個調(diào)整時間較原來平均縮短35%，電流控制精度也由過去的±50 A提高到±3 A。

5 結(jié)束語

本文闡述方案已應(yīng)用在國內(nèi)某機務(wù)段DF4型內(nèi)燃機車檢修試驗中。結(jié)果表明，采用基于恒定水溫的電流Petri網(wǎng)協(xié)調(diào)級混雜遞階模糊PID控制方案是可行的，且控制快速穩(wěn)定，具有較強魯棒性，真正實現(xiàn)了負載電流高精度大范圍控制。該方案的運用為解決機車試驗中電流精確控制問題提供了一個新的方案。

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