恒壓供水裝置嵌入式控制MBD方法

常廣暉，李雁飛 ，劉樹勇

(海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院, 湖北 武漢 430033)

隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，變頻恒壓供水技術(shù)在新型艦船上獲得廣泛應(yīng)用，其主要優(yōu)點：裝置高效節(jié)能，質(zhì)量小，體積??；供水壓力穩(wěn)定；自動化程度高等[1-2].由于進口PLC功能完善、配套齊全，艦船上變頻恒壓供水裝置普遍采用進口PLC作為其控制器，目前在復(fù)雜的國際環(huán)境下，為了立足自主保障，研制完全具有自主知識產(chǎn)權(quán)的變頻恒壓供水控制系統(tǒng)勢在必行.通過基于模型設(shè)計(MDB)方法進行嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)是解決以上問題的一條重要途徑，其優(yōu)勢在于控制策略的圖形化設(shè)計、高質(zhì)量的代碼自動生成、靈活的嵌入式硬件部署.

基于可靠性考慮，一般艦船變頻恒壓供水機組采用多臺變頻泵并聯(lián)結(jié)構(gòu)[2]，變頻器同一時刻只驅(qū)動1臺變頻泵，用戶的用水量決定了機組工作泵的數(shù)量，工作泵的每種組合就構(gòu)成機組的一種工況，泵數(shù)量越多機組工況就越復(fù)雜.所以變頻恒壓供水裝置的控制除了考慮壓力的閉環(huán)控制還涉及復(fù)雜的工況切換邏輯控制.不同工況下泵組特性發(fā)生變化，給壓力穩(wěn)定控制也帶來一定難度，隨著計算機仿真技術(shù)的進步，辨識不同工況下變頻泵組模型成為可能，這有助于通過仿真分析系統(tǒng)，在開展物理實驗之前就能設(shè)計出符合要求的控制系統(tǒng).

本文提出了一種應(yīng)用于變頻恒壓供水嵌入式控制的MBD設(shè)計實現(xiàn)方法.首先，通過實驗辨識的方式辨識出系統(tǒng)模型，該模型可以模擬不同工況下、不同出口開度的泵組特性.遵循MBD方法，根據(jù)系統(tǒng)模型設(shè)計了Stateflow有限狀態(tài)工況切換邏輯控制器和模糊自適應(yīng)PID壓力控制器，并在Simulink仿真環(huán)境下動態(tài)模擬了基于閥門開度變化的全流量下的恒壓控制效果.最后，通過自動代碼生成和軟件集成將設(shè)計好的控制算法部署在自行設(shè)計開發(fā)的嵌入式控制電路板上.通過實際供水裝置測試實驗，證明了變頻恒壓供水控制MBD設(shè)計方法的有效性和便捷性.

1 變頻恒壓供水系統(tǒng)建模及仿真

1.1 供水裝置模型辨識

某型船用變頻恒壓供水裝置(以下簡稱泵組)采用3臺變頻泵并聯(lián)結(jié)構(gòu)，為全船提供洗滌、生活用水.基于可靠性，設(shè)計3臺泵，正常工作情況下2用1備，工作原理如圖1所示.

由圖2所示的一般水泵特性曲線[3]可知，在工作點附近可以將泵組模型線性化，管阻ν阻不變時，水泵出口壓力近似水泵轉(zhuǎn)速成正比；泵轉(zhuǎn)速n不變時，水泵出口壓力與管阻近似成反比.不同的出口閥門開度對應(yīng)不同的管阻特性，閥門開度越小管阻越大.選取閥門開度50%對應(yīng)的管阻特性曲線為工作曲線.在某恒定工況下，出口閥門開度50%保持不變，以控制器輸出頻率(與水泵轉(zhuǎn)速成正比)為輸入信號，管網(wǎng)壓力為輸出信號，供水裝置的數(shù)學(xué)模型可近似成一個帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即

式中，G(s)為傳遞函數(shù)，s為拉氏變換算子，K為系統(tǒng)的總增益，tg為泵組的慣性時間常數(shù)，t為系統(tǒng)推遲時間.

圖1 某型恒壓供水裝置工作原理Fig.1 Working principle diagram of a constant pressure water supply device

圖2 水泵揚程及管阻特性曲線Fig.2 Characteristic curve of pump head and pipe resistance

該機組有3臺變頻泵可以選擇，共有6種工況，通過泵組性能測試系統(tǒng)對各工況進行飛升曲線測試，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)辨識得到各工況下系統(tǒng)模型參數(shù)如表1所示.

根據(jù)以上辨識的結(jié)果在Simulink環(huán)境下建立的供水裝置數(shù)學(xué)模型如圖3所示.

表1 各工況下系統(tǒng)模型參數(shù)Tab.1 Parameters of system model under various working conditions

圖3 供水裝置數(shù)學(xué)模型Fig.3 Mathematical model of water supply device

1.2 控制器功能分析及建模

由于該泵組由3臺變頻泵組成所以控制系統(tǒng)任務(wù)除了要保持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定的同時，還要根據(jù)不同用戶負載平滑地進行工況切換(加減泵).供水系統(tǒng)設(shè)有3種工作模式分別是：自動模式、檢修模式、手動模式.自動模式下，泵選擇開關(guān)選定的泵為值班泵，3臺泵在控制器的控制下按序?qū)崿F(xiàn)3泵輪流變頻運行.具體工作過程如下：當(dāng)需要供水時，按下啟動開關(guān)后首先由旋轉(zhuǎn)開關(guān)選定的值班泵變頻啟動，閉環(huán)控制器按控制策略調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，從而保持供水壓力恒定.當(dāng)用水量增加，輸出頻率逐漸增大到工頻后，控制器將值班泵自動切換到工頻運行，同時變頻啟動第2臺泵運行.當(dāng)供水量仍顯不足時，第2臺泵的頻率繼續(xù)增高至工頻，控制器將第2臺泵切換到工頻，同時增加第3臺泵自動變頻啟動運行.當(dāng)用水達到極限，壓力達不到設(shè)定值時3臺泵全部工頻運行.當(dāng)用水量減少時，控制器則按增加泵功能模式相反的順序減少運行泵的數(shù)量，直到系統(tǒng)停機休眠.檢修模式下，泵選擇開關(guān)選定的泵為待檢修泵，該泵不參加工作，剩余的2臺泵在控制器的控制下按序?qū)崿F(xiàn)雙泵輪流變頻運行，運行過程同自動工況.手動模式下通過泵選擇開關(guān)選擇值班泵單泵工頻工作，泵的起停通過壓力繼電器控制，類似壓力水柜模式.除了以上3種模式外，系統(tǒng)還設(shè)有休眠控制、喚醒控制、故障報警等功能.在用水低谷或夜間不用水時，管網(wǎng)壓力達到壓力休眠值，控制器使裝置自動停機休眠，目的是節(jié)能和延長使用壽命；當(dāng)裝置處于休眠時，一旦有用戶用水使管網(wǎng)壓力低于壓力喚醒值時，控制器自動啟動裝置開始變頻供水；當(dāng)水泵電機過載導(dǎo)致熱繼電器工作時，控制器自動進行聲光報警.

從以上控制任務(wù)分析可以看出控制功能可以劃分為壓力的閉環(huán)控制和工況切換的邏輯控制2大部分.考慮到不同工況下機組特性不同，壓力閉環(huán)控制采用模糊自適應(yīng)PID控制實現(xiàn).工況切換的邏輯控制可以通過Stateflow有限狀態(tài)層次化建模方法實現(xiàn).

圖4 自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of adaptive PID control system

模糊自適應(yīng)PID控制基本思路為采用模糊推理的方法確定PID的3個參數(shù)KP、KI、KD與e和ec之間的模糊關(guān)系[4]，在運行中通過不斷檢測e和ec之間的關(guān)系，利用模糊控制規(guī)則在線對PID參數(shù)進行整定，使設(shè)計的控制器具有良好的自適應(yīng)性能.模糊控制器的輸入為壓力差e和壓力差變化率ec.壓力差和壓力變化率的物理論域為[-10，10]和[-0.05，0.05]，通過仿真選取量化因子使控制器的物理論域映射到模糊論域{-3，-2，-1，0，1，2，3}上，隸屬函數(shù)采用Mamdani型函數(shù).綜上設(shè)計變頻恒壓供水系統(tǒng)模糊自適應(yīng)PID控制器的結(jié)構(gòu)如圖4所示.

通過Stateflow圖形開發(fā)環(huán)境可以方便地實現(xiàn)工況切換的邏輯控制.每種工況都可以看成一個狀態(tài)，泵組所有工況就對應(yīng)一個有限狀態(tài)系統(tǒng).創(chuàng)建泵組的有限狀態(tài)模型的基礎(chǔ)是建立層次化的模型[7]，首先泵組的起、停對應(yīng)2個父狀態(tài)，起動情況下每種工況都可以看成其子狀態(tài).子狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移條件主要受變頻器輸出頻率和出口壓力所決定.變頻泵的變頻范圍為30～50 Hz，當(dāng)某泵運行頻率小于30.5 Hz時認為達到頻率下限，作為該泵停止的條件.當(dāng)頻率大于49.5 Hz時認為達到頻率上限，作為該泵由變頻轉(zhuǎn)為工頻運行的條件，以上頻率的判斷可以通過創(chuàng)建Freq狀態(tài)來實現(xiàn).泵組設(shè)定壓力為0.35 MPa，當(dāng)壓力小于0.25 MPa時認為壓力低作為泵組從休眠到喚醒的轉(zhuǎn)換條件，當(dāng)壓力大于0.38 MPa時，認為壓力高，作為從3泵工頻到2工1變狀態(tài)的轉(zhuǎn)換條件，當(dāng)壓力大于0.4 MPa時認為壓力保護，此時立即轉(zhuǎn)換到休眠狀態(tài).以上壓力的判斷可以通過創(chuàng)建Pressure狀態(tài)來實現(xiàn).機組在工作時需要判斷泵的好壞，泵被操作者通過選擇開關(guān)選為檢修泵或者驅(qū)動該泵電機的熱繼電器動作則認為該泵故障需要停止工作，否則認為正常可以工作，這個判斷可以通過創(chuàng)建Pump狀態(tài)來實現(xiàn).RUN子狀態(tài)之間的切換主要是通過Freq、Pressure和Pump 3個狀態(tài)的判斷結(jié)果實現(xiàn)轉(zhuǎn)換.由于頻率、壓力、泵狀態(tài)的判斷和工況切換是需要實時進行的，所以RUN、Freq、Pressure和Pump 4個子狀態(tài)是同時活動的，需要設(shè)為并行的解析關(guān)系.最終建立的層次化有限狀態(tài)如表2所示.

表2 泵組邏輯控制層次化有限狀態(tài)表Tab.2 Hierarchical finite state table of pump unit logic control

1.3 系統(tǒng)仿真

將Stateflow工況切換邏輯控制器、自適應(yīng)PID控制器和泵組模型組合在一起，通過變量模擬工作模式選擇開關(guān)、泵選擇開關(guān)、啟動、停止按鈕的輸入動作和出口閥門開度調(diào)節(jié)，在Matlab 2018b環(huán)境下構(gòu)成完整的系統(tǒng)仿真模型如圖5所示.

圖5 變頻恒壓供水系統(tǒng)仿真模型Fig.5 Simulation model of variable frequency constant pressure water supply system

通過改變出口閥門開度，改變用水量，模擬實際用水情況.仿真設(shè)定如下：出口開度從15%經(jīng)過400 s逐漸增大到65%，然后再通過400 s逐漸減少到15%，如圖6所示.得到的全流量下仿真曲線如圖7所示.從仿真結(jié)果來看Stateflow有限狀態(tài)邏輯控制器實現(xiàn)了預(yù)設(shè)的控制效果，當(dāng)變頻器輸出頻率大于49.5 Hz時，實現(xiàn)了加泵工況切換，頻率小于30.5 Hz時實現(xiàn)了減泵工況切換，同時在PID控制器的作用下出口壓力總體保持穩(wěn)定，在加、減泵工況切換瞬間壓力波動較大誤差主要是因為泵由變頻運行轉(zhuǎn)換為工頻中間存在延時，同時也與泵組辨識模型線性化有關(guān)，其他時刻壓力波動不超過7%符合設(shè)計要求，總體達到了預(yù)定的控制效果.

圖6 閥門開度仿真設(shè)定Fig.6 Valve opening simulation setting

圖7 系統(tǒng)全流量下仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results under full flow

2 嵌入式控制器設(shè)計及控制代碼生成

2.1 嵌入式控制電路板

泵組的嵌入式控制電路板采用核心板加底板結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計方案.核心板采用ST公司的Cortex-M3內(nèi)核ARM STM32F103ZET6作為MCU，在此基礎(chǔ)上集成DM9000BI以太網(wǎng)通信電路和FLASH存儲電路等.以太網(wǎng)接口主要用于通過MODBUS/TCP協(xié)議和觸摸屏進行數(shù)據(jù)通訊.

底板主要由電源電路、電流輸入、輸出通道、開關(guān)量輸入、輸出通道等構(gòu)成.電流輸入通道ADC選用CS5532，它是一款低功耗、低噪聲24位Σ-ΔADC，STM32通過SPI1總線和CS5532相連接，用于采集泵組出口壓力傳感器的電流信號；電流輸出通道以12位的DAC MAX5306為核心，通過SPI2總線和STM32連接，經(jīng)TLV2254運放、達林頓管BCV47構(gòu)成的電流反饋回路精確輸出4～20 mA電流用于控制變頻器的頻率輸出；數(shù)字輸入通道通過光耦隔離后經(jīng)74HC165芯片并串轉(zhuǎn)換向STM32串行傳遞信息，用于采集控制柜面板轉(zhuǎn)換開關(guān)和啟動、停止按鈕的輸入；繼電器輸出通道主要是用于驅(qū)動各個泵的工頻和變頻接觸器線圈.

2.2 控制代碼自動生成及軟件集成

自動生成的控制代碼同底層驅(qū)動代碼數(shù)據(jù)交互采用全局變量的方式實現(xiàn)，將控制器同底層設(shè)備交互的輸入輸出信號置為Test Point,儲存類型設(shè)置為Exported Global,這樣在驅(qū)動程序中就可以方便的調(diào)用這些全局變量了.接下來在Simulink配置對話框中，選用ert.tlc系統(tǒng)目標(biāo)文件，硬件類型選擇ARM Cortex類型[6]，選擇定步長仿真，仿真步長為0.01 s.設(shè)置好之后使用build命令利用Embedded Coder將控制模塊生成高效率的嵌入式C代碼.

泵組的控制軟件采用實時操作系統(tǒng)uCOS-II進行集成設(shè)計，核心是線程設(shè)計.除了上述邏輯及穩(wěn)壓控制自動代碼外控制軟件應(yīng)實現(xiàn)選擇開關(guān)、啟動、停止按鈕等開關(guān)量采集，和電流形式的壓力測量、電流形式的變頻控制信號輸出等功能.因此控制軟件應(yīng)包含4個線程分別是：開關(guān)量采集線程、壓力測量線程、頻率輸出線程、邏輯及穩(wěn)壓控制線程.為了實現(xiàn)自動代碼和控制軟件的集成，將上節(jié)自動生成的代碼中的Controller_pumps_step()函數(shù)在邏輯及穩(wěn)壓控制線程函數(shù)中進行調(diào)用，并將線程的任務(wù)延時設(shè)定為10 ms(與仿真步長一致)，這樣就實現(xiàn)了變頻泵的實時控制.開關(guān)信號、出口壓力、變頻頻率等信號需要在上述4個線程之間共享，為了防止出現(xiàn)沖突，4個線程通過互斥信號量來防止共享沖突.

3 實驗驗證

為了驗證上述基于模型設(shè)計的有效性，將集成后的軟件通過keil5編譯后下載到泵組嵌入式控制器中進行了測試實驗，實驗臺架如圖8所示.為了驗證控制效果通過LabVIEW和NI采集模塊構(gòu)建了測試系統(tǒng)，測試系統(tǒng)可以實時采集機組出口壓力、出口流量、泵組功率等參數(shù).通過手動改變出口閥門開度從0依次增大到65%后再依次減小到0,過程持續(xù)時間為4 300 s，考察機組在全流量變化情況下的泵組切換和壓力控制效果.實驗測試曲線如圖9所示.實驗結(jié)果表明，采用基于模型設(shè)計通過自動代碼生成的控制算法直接移植到嵌入式控制器，取得了預(yù)期控制效果，隨開度變化機組能夠適時進行加泵、減泵切換，壓力波動較小，不超過設(shè)定壓力的5%，在工況切換點壓力波動較大，最大不超過設(shè)定壓力的10%.

圖8 變頻恒壓供水裝置實驗臺架Fig.8 Experimental bench of frequency conversion constant pressure water supply device

圖9 泵組全流量變化下試驗測試曲線Fig.9 Test curve of pump set under full flow variation

4 結(jié)論

本文提出了變頻恒壓供水裝置控制器的MBD設(shè)計方法，實現(xiàn)了某艦用3泵變頻供水裝置的工況切換邏輯控制和穩(wěn)壓控制.首先，通過實驗辨識得到了泵組各工況下的數(shù)學(xué)模型，通過模型Simulink環(huán)境下設(shè)計基于模糊自適應(yīng)PID穩(wěn)壓控制器和基于stateflow有限狀態(tài)工況切換邏輯控制器.然后基于STM32F103ZET6設(shè)計了機組嵌入式控制電路板.設(shè)計完成后通過embedded coder將控制器生成高效率的嵌入式C代碼與底層驅(qū)動代碼以實時操作系統(tǒng)多線程的方式進行集成并最終部署于嵌入式控制電路板中.通過實際機組全流量變化下穩(wěn)壓控制試驗，驗證了使用MBD方法簡化了嵌入式控制器的設(shè)計過程，減少了設(shè)計失敗的風(fēng)險，相比通過手動編寫代碼設(shè)計控制器而言，縮短了設(shè)計時間提高了設(shè)計效率[8].該MBD方法流程為其他復(fù)雜動力系統(tǒng)控制器的設(shè)計提供了很好的借鑒.