基于PLC的模糊頻載調(diào)節(jié)器設(shè)計

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(1.空軍雷達(dá)學(xué)院 軍械通用裝備系，武漢 430019；2.海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，武漢 430033)

現(xiàn)代船舶電站調(diào)頻調(diào)載裝置普遍采用基于功頻差綜合信號的PI控制策略和脈寬調(diào)制技術(shù)，在負(fù)荷大幅度變動時，首先由原動機調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行一次調(diào)頻，然后再由調(diào)頻調(diào)載裝置進(jìn)行二次調(diào)頻。由于PID控制器本質(zhì)上屬于線性控制器，其控制參數(shù)是針對額定工況點附近而整定的，對于具有大慣性、大滯后以及非線性的被控對象，固定的比例系數(shù)和積分系數(shù)難以滿足不同工況下調(diào)節(jié)過程都達(dá)到優(yōu)化的要求，調(diào)節(jié)過程易出現(xiàn)因參數(shù)設(shè)定不當(dāng)而導(dǎo)致超調(diào)量過大或調(diào)節(jié)時間過長的現(xiàn)象。

本文將模糊控制策略應(yīng)用于船舶汽-柴并車型電站系統(tǒng)的調(diào)頻調(diào)載控制中，采用高可靠性、耐惡劣環(huán)境的可編程控制器PLC，實現(xiàn)一體化的自動調(diào)頻調(diào)載。同時，通過硬件在環(huán)仿真，對PLC模糊頻載調(diào)節(jié)器的有效性進(jìn)行試驗研究。

1 模糊頻載調(diào)節(jié)器設(shè)計方案

目前，調(diào)頻調(diào)載方案絕大多數(shù)為虛有差法[1]。虛有差法可實現(xiàn)原動機外特性線的相應(yīng)平移，使并聯(lián)運行各機組的頻率以及有功功率分配差度保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。

模糊控制可進(jìn)一步提高異型原動機聯(lián)合電站的頻載調(diào)節(jié)效果。作為智能控制分支之一的模糊控制，具有魯棒性強、響應(yīng)快、易修正、不需系統(tǒng)模型的特點，其動態(tài)特性好，上升時間、調(diào)節(jié)時間較短，可以平滑地到達(dá)穩(wěn)態(tài)。然而由于模糊控制器的輸入一般為誤差、誤差的變化率，可認(rèn)為是PD控制器，其抗干擾效果差，同時可能導(dǎo)致較大靜差。為增強抗擾動能力和減小靜差，本文在頻載調(diào)節(jié)中綜合了傳統(tǒng)控制技術(shù)和智能控制技術(shù)的優(yōu)點，采用模糊控制和PI調(diào)節(jié)的共同作用，見圖1。試驗表明，其減小靜差和提高穩(wěn)定性的效果明顯。

圖1 PI-模糊控制器

2 PLC頻載調(diào)節(jié)器硬件

可編程序控制器控制技術(shù)用于船舶電站的自動調(diào)頻調(diào)載，具有可靠性高、抗干擾強、便于維護(hù)、便于改進(jìn)的優(yōu)點[2]。本文所用可編程序控制器選用日本三菱公司生產(chǎn)的FX2N微型PLC，其基本指令執(zhí)行時間高達(dá)0.08 μs，內(nèi)置的用戶存儲器為8 k步，有多種特殊功能模塊或功能擴展板，機內(nèi)有時鐘，PID指令用于模擬量閉環(huán)控制。采用CFX-GP/WIN-C軟件進(jìn)行編程和調(diào)試。

頻率信號測量將轉(zhuǎn)速脈沖進(jìn)行電平變換后送入PLC高速計數(shù)器接口X0、X1，利用定時中斷獲取轉(zhuǎn)速脈沖的讀數(shù)，然后利用定時時間間隔計算出發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

發(fā)電機功率檢測利用了PLC模擬輸入模塊FX2N-4AD，該模塊提供12 bit高精度分辨率，4通道電壓輸入(-10～10 V直流)或電流輸入(-20～20 mA直流)，對每一通道，可以規(guī)定輸入類型。

PLC通過對綜合偏差信號的計算，由高速脈沖輸出口輸出PWM信號調(diào)節(jié)汽輪發(fā)電機、柴油發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，完成頻載調(diào)節(jié)。

3 軟件編程

目前廣泛采用的是二維模糊控制器，這種模糊控制器以偏差e和偏差變化率Δe(Δe=en-en-1)作為輸入變量，以控制量u為輸出變量。通常的作法是把e、Δe和u的精確量轉(zhuǎn)化為模糊量，送給模糊控制器進(jìn)行處理，模糊控制器根據(jù)控制規(guī)則決定的模糊關(guān)系，應(yīng)用模糊推理合成算法得出輸出的模糊量，再經(jīng)過模糊判決，給出輸出控制量的精確值。為克服實時計算量大、耗時多的缺點，PLC模糊控制器首先通過離線計算取得模糊控制表，然后將控制表存放到PLC內(nèi)存中，實際控制時通過軟件查表的方式取得相應(yīng)控制值[3]。

本文的模糊控制器將頻差功差綜合偏差信號e及其變化率Δe作為輸入語言變量。根據(jù)PLC頻率和功率的實測變化結(jié)果，設(shè)系統(tǒng)偏差e的基本論域為[-250，250]，偏差變化率Δe的基本論域為[-50，50]，控制量u的基本論域為[-12，12]，這里的“-”號意思是發(fā)出減速信號，并不是說脈沖的寬度本身為負(fù)值。各論域所分的等級為13檔，即偏差語言變量E、偏差變化率語言變量ΔE和輸出語言變量U的論域均為 {-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

為便于PLC編程，隸屬函數(shù)取三角形函數(shù)。實際運行的在線查表模糊控制器需要進(jìn)行模糊量化取整，一旦實測獲得的誤差E與誤差變化率ΔE不等于模糊語言值(如PPB、PB、PS、ZE、NS、NB、NNB等)，E和ΔE量化取整可采取如下辦法。

2)Xh-d/2≤E

3)E≥Xn-1+d/2時，E量化為Xn。

上述d=(Xh+1-Xh)/2;X為E的論域。

在PLC中，量化取整運算采用觸點比較指令[4]實現(xiàn)。

模糊控制規(guī)則的確定原則是使系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動、靜態(tài)特性達(dá)到最佳。利用典型的頻載調(diào)節(jié)輸出響應(yīng)曲線制定控制規(guī)則，并采用重心法最終求得的控制表見表1。

表1 模糊控制表

跟據(jù)模糊控制表，PLC模糊控制器的控制過程可按以下步驟完成。

1)在每一個控制循環(huán)對系統(tǒng)的輸入進(jìn)行采樣以求出e和Δe；

2)將e和Δe分別乘以各自的量化因子ke、kΔe，取整量化為相應(yīng)論域X、Y中的元素；

3)從控制表中查找X和Y對應(yīng)的控制量u的論域值U；

4)用比例因子ku乘以查表所得的論域值便得到實際的控制量u。

圖2 查詢模糊控制表梯形圖

PLC模糊頻載調(diào)節(jié)的程序運行框圖見圖3。在進(jìn)行初始化及模糊控制表存儲等工作后，PLC在每一個循環(huán)測量機組的頻率和功率信號，并計算綜合偏差信號k1Δf+k2ΔP。當(dāng)出現(xiàn)較大功頻擾動時，PLC頻載調(diào)節(jié)在動作之前延時5 s，等待原動機調(diào)速器動作之后，若仍有較大的偏差時再進(jìn)行調(diào)節(jié)。即應(yīng)判斷偏差信號存在5 s以上才進(jìn)行調(diào)節(jié)，若偏差信號在5 s內(nèi)變化至死區(qū)(不動作區(qū))內(nèi)，則PLC頻載調(diào)節(jié)器不動作。頻載調(diào)節(jié)以綜合偏差信號的PI運算和模糊運算的綜合結(jié)果對調(diào)速脈沖信號的寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)頻率大于50.5 Hz時，綜合信號作用只作減速，而對加速進(jìn)行閉鎖，當(dāng)頻率小于49.5 Hz時，綜合信號只能加速，而對減速進(jìn)行閉鎖。

圖3 PLC模糊頻載調(diào)節(jié)程序框圖

4 硬件在環(huán)仿真試驗

采用硬件在環(huán)仿真方式研究PLC模糊調(diào)頻調(diào)載裝置的工作可靠性及控制策略的調(diào)節(jié)效果。硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)由工控機、數(shù)據(jù)采集卡、PLC模糊頻載調(diào)節(jié)器及電平轉(zhuǎn)換電路等組成。

工控機完成柴油發(fā)電機、汽輪發(fā)電機組數(shù)學(xué)模型的快速仿真計算，得出相應(yīng)工況的轉(zhuǎn)速(頻率)、功率等數(shù)值，通過NI公司多功能數(shù)據(jù)采集卡PCI6221并經(jīng)過信號和電平轉(zhuǎn)換電路將信號電平升高至PLC的輸入電平24 V后，送入PLC模糊調(diào)頻調(diào)載裝置。PCI6221模擬通道將汽輪發(fā)電機/柴油發(fā)電機模型的功率信號輸出至PLC的模擬輸入模塊。PCI 6221數(shù)據(jù)采集卡的計數(shù)器可生成兩路1～60 kHz的方波信號，模擬普通磁電式轉(zhuǎn)速傳感器或數(shù)字編碼器產(chǎn)生的機組轉(zhuǎn)速信號，該轉(zhuǎn)速信號送至PLC高速計數(shù)器接口X0、X1。

PLC計算出頻率和功率的綜合偏差信號，再經(jīng)頻調(diào)載控制算法產(chǎn)生控制柴油機、汽輪機轉(zhuǎn)速的PWM調(diào)節(jié)信號反饋至工控機，對柴油發(fā)電機、汽輪發(fā)電機組并機模型的頻載進(jìn)行調(diào)節(jié)，完成硬件在環(huán)仿真。

利用工控計算機計算提取柴油發(fā)電機、汽輪發(fā)電機組運行特征參數(shù)，并在計算機屏幕上直觀顯示調(diào)試參數(shù)和調(diào)試曲線，使其具備準(zhǔn)確的性能分析和直觀圖示能力，以準(zhǔn)確判定調(diào)頻調(diào)載裝置的性能和控制策略的作用效果。

仿真系統(tǒng)軟件采用美國NI公司的LabVIEW[5]及控制和仿真設(shè)計工具包。采用LabVIEW軟件,能實現(xiàn)虛擬儀器方式的數(shù)據(jù)測試、測量和實時顯示，可定量確定PLC調(diào)頻調(diào)載控制器的工作狀態(tài)。LabVIEW仿真模塊能對線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。將汽輪發(fā)電機和柴油發(fā)電機組數(shù)學(xué)模型置于LabVIEW的仿真循環(huán)中，并建立與板卡硬件的I/O聯(lián)系后，即能利用發(fā)電機組仿真模型考核實際的PLC模糊頻載調(diào)節(jié)裝置。在硬件在環(huán)仿真中，要求硬件I/O的采樣時間與仿真步長一致。

利用某型船舶異型機組的數(shù)學(xué)模型[6]對PLC模糊頻載調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行研究。其中汽輪發(fā)電機組額定功率為1 200 kW，柴油發(fā)電機組額定功率為600 kW。當(dāng)負(fù)荷擾動為1 200 kW時，PLC模糊頻載調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)曲線見圖4～6。

圖4 汽輪發(fā)電機組功率變化曲線

圖5 柴油發(fā)電機組功率變化曲線

圖6 機組頻率變化曲線

由圖可見，負(fù)荷擾動首先由調(diào)速器進(jìn)行調(diào)節(jié)(設(shè)定原動機模型的調(diào)差系數(shù))，為更清楚地觀察兩者的作用效果，在調(diào)速器作用10 s后頻載調(diào)節(jié)裝置投入工作，可見，采用PI-模糊控制策略后，頻載調(diào)節(jié)獲得了較好結(jié)果，超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時間縮短，收斂快，調(diào)節(jié)過程平穩(wěn)。穩(wěn)定時，汽輪機承擔(dān)的負(fù)荷為808.627 kW(見圖4)，柴油機承擔(dān)的負(fù)荷為392.193 kW(見圖5)，頻率得到恢復(fù)(見圖6)。

可見，無論是頻率還是功率，采用模糊控制，其變化都更加穩(wěn)定。

5 結(jié)論

1)在Matlab數(shù)學(xué)仿真的基礎(chǔ)上，利用PLC實現(xiàn)了模糊頻載調(diào)節(jié)模塊，探討了基于FX2N微型PLC的軟硬件實現(xiàn)方案。

2)基于LabVIEW建立了硬件在環(huán)仿真平臺，對PLC智能頻載調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行了試驗研究。結(jié)果表明，所采用的控制方法超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)誤差小，能有效改善船舶電站的頻率穩(wěn)定性和負(fù)荷分配效果。

3)利用PLC實現(xiàn)發(fā)電機組頻載調(diào)節(jié)裝置，能提高裝置的可靠性和一體化水平。但對于更為復(fù)雜的控制策略的實現(xiàn)，則顯得靈活性不足。

[1] 裴 峰,許正喜,羅 偉.艦船電站自動頻載裝置研究[J].船電技術(shù),2003(4):15-19.

[2] 黃麗卿,楊國豪,俞萬能.船舶電站可編程序自動頻載調(diào)節(jié)裝置[J].中國航海, 2002 (3):64-66.

[3] 齊 蓉,林 輝,李玉忍.通用模糊控制器在PLC上的實現(xiàn)[J].工業(yè)儀表與自動化裝置, 2003(4):23-25.

[4] 程子華.PLC原理與編程實例分析[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007.

[5] 楊樂平.LabVIEW程序設(shè)計與應(yīng)用[M].2版.北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[6] 孫 彬,曾凡明.基于模糊控制的船舶電站頻載控制仿真[J].艦船科學(xué)技術(shù),2010(11):130-133.