輸電線路導(dǎo)線自動(dòng)化壓接系統(tǒng)模糊PID算法設(shè)計(jì)

劉艷梅，張東禹，陳 震，文師華，李振東，李 權(quán)

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，沈陽(yáng) 110136；2.遼寧省電力有限公司 遼寧省送變電工程有限公司，沈陽(yáng) 110021)

導(dǎo)線壓接是輸電線路施工過(guò)程中十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。隨著輸電線路電壓等級(jí)的不斷提高和輸電容量的增大，導(dǎo)線截面也隨之加大，對(duì)導(dǎo)線的壓接技術(shù)和壓接質(zhì)量提出了更高的要求。傳統(tǒng)的導(dǎo)線壓接過(guò)程是靠人工完成，壓接鉗不動(dòng)，手動(dòng)控制液壓泵閥門(mén)推桿帶動(dòng)壓接鉗進(jìn)行壓接，在壓接過(guò)程中需要人工移動(dòng)及測(cè)量導(dǎo)線，壓接后還要人工檢測(cè)壓接管對(duì)邊距尺寸，操作繁瑣，且壓接和測(cè)量尺寸不準(zhǔn)確。因此，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線的自動(dòng)化壓接是提高導(dǎo)線連接質(zhì)量，減少檢修和事故處理次數(shù)的有效途徑。

國(guó)內(nèi)關(guān)于導(dǎo)線壓接技術(shù)的研究取得了諸多可借鑒的研究成果。2017年，國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院與山東送變電工程公司[1]在傳統(tǒng)導(dǎo)線壓鉗的基礎(chǔ)上，以S7-200可編程邏輯控制器為主控器，設(shè)計(jì)了一種智能數(shù)字化導(dǎo)線壓接控制系統(tǒng)，但目前未見(jiàn)應(yīng)用報(bào)道。2019年，山西省[2]、廣東省[3]、寧夏回族自治區(qū)[4-5]等多個(gè)送變電工程有限公司在工程中采用了大噸位液壓設(shè)備以及輔助壓接平臺(tái)和新壓接工藝等技術(shù)措施，在復(fù)雜環(huán)境下完成了大截面導(dǎo)線技術(shù)方案，但采用人工方法較費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

國(guó)外導(dǎo)線壓接工藝的研究大多聚焦在提升導(dǎo)線質(zhì)量方面。2015年，Ocoleanu等[6-7]提出了一種針對(duì)壓接技術(shù)的新的質(zhì)量預(yù)控解決方案，通過(guò)降低接觸電阻和增加接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)連接可靠性，從而提高壓接質(zhì)量，為導(dǎo)線壓接自動(dòng)化方案提供了有益的幫助。但目前控制器采用的嵌入式系統(tǒng)單片機(jī)控制穩(wěn)定性較差，在工業(yè)環(huán)境下極易損壞，維修困難；控制器采用S-700系列PLC又過(guò)于老舊笨重，配套設(shè)施更換困難。

由于導(dǎo)線壓接壓力的調(diào)節(jié)過(guò)程具有非線性、大慣性、時(shí)滯性等特點(diǎn)，在調(diào)節(jié)過(guò)程中要求系統(tǒng)具有良好的反應(yīng)能力。在提升壓力時(shí)要快速，在壓力保持不變時(shí)要有較好的平穩(wěn)性和抗干擾性；而傳統(tǒng)的PID控制策略很難達(dá)到這種壓力控制要求。因此，本設(shè)計(jì)采用控制性能更好的模糊PID算法作為控制策略，以歐姆龍CP1H[8]為主控器，以導(dǎo)線壓接過(guò)程為研究對(duì)象，對(duì)目前人工操作的導(dǎo)線壓接過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)出一種新型導(dǎo)線智能壓接控制系統(tǒng)，以完成導(dǎo)線的自動(dòng)移動(dòng)和壓接[9]。

1 輸電線路導(dǎo)線壓接裝置硬件設(shè)計(jì)

為了更好地壓接輸電線路導(dǎo)線，設(shè)計(jì)出一種輸電線路導(dǎo)線自動(dòng)壓接控制系統(tǒng)[10]控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。輸電線路導(dǎo)線自動(dòng)壓接控制系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)制作移動(dòng)平臺(tái)，平臺(tái)實(shí)現(xiàn)壓鉗的固定及移動(dòng)、壓接管兩側(cè)的導(dǎo)線固定、高度調(diào)整以及導(dǎo)線的自動(dòng)壓接和尺寸實(shí)時(shí)測(cè)量[11-12]。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

其中，PLC選用[13]歐姆龍CP1H PLC，電機(jī)選用57步進(jìn)電機(jī)，前期研究表明，該控制器和電機(jī)具有較好的動(dòng)態(tài)控制性能。其控制流程為：PLC檢測(cè)壓力信號(hào)及紅外傳感器信號(hào)，經(jīng)過(guò)PLC相關(guān)運(yùn)算處理得到相應(yīng)流量壓力值輸送至變頻器，變頻器控制電機(jī)從而驅(qū)動(dòng)液壓泵實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)線的壓接。

控制系統(tǒng)[14]主要包括信號(hào)采集系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。歐姆龍CP1H型PLC具備模擬輸入、輸出功能，內(nèi)置8點(diǎn)模擬輸入，4點(diǎn)模擬輸出；內(nèi)置高速計(jì)數(shù)器0、1、2、3可采集脈沖信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)壓力及紅外傳感器信號(hào)的處理。本實(shí)驗(yàn)使用內(nèi)置高速計(jì)數(shù)器0，采用線性遞增計(jì)數(shù)模式，軟復(fù)位方式復(fù)位。紅外檢測(cè)裝置選用ZX2-LD100L，精度為5～50 mm，AB相位差輸入方式。根據(jù)高速計(jì)數(shù)器0接收脈沖數(shù)量來(lái)計(jì)算導(dǎo)線對(duì)邊距，其計(jì)算公式如式(1)所示

x=n/100

(1)

其中：x為導(dǎo)線對(duì)邊距位移，單位mm；n為脈沖數(shù)。

2 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

2.1 模糊PID與傳統(tǒng)PID對(duì)比

模糊PID的控制策略是智能PID控制的一種，它的主要特點(diǎn)是利用誤差量e和誤差的變化Δe自動(dòng)調(diào)節(jié)PID參數(shù)kp、ki和kd。首先將操作人員或?qū)＜业恼{(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)作為知識(shí)庫(kù)，然后運(yùn)用模糊控制理論的基本方法把知識(shí)庫(kù)轉(zhuǎn)化為模糊推理機(jī)制，使用模糊規(guī)則實(shí)時(shí)在線修改PID參數(shù)，根據(jù)誤差量e和誤差變化率Δe在不同時(shí)刻對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，實(shí)現(xiàn)液壓泵泵輸出量與導(dǎo)線壓接控制需求相匹配，從而達(dá)到高精度位置控制。

傳統(tǒng)PID[15]計(jì)算公式如式(2)所示

(2)

參數(shù)整定后模糊PID計(jì)算公式為

(3)

其中：k′p為初始比例系數(shù)；k′i為初始積分系數(shù)；k′d為初始微分系數(shù)；Δkp、Δki、Δkd為比例、積分、微分參數(shù)整定量；e為位置偏差。

將模糊PID與傳統(tǒng)PID對(duì)比，設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制仿真曲線對(duì)比，如圖2所示。

圖2 對(duì)比仿真結(jié)果

圖2兩種控制算法的對(duì)比仿真結(jié)果表明，加入模糊PID算法的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)比加入傳統(tǒng)PID算法時(shí)控制精度更高，運(yùn)行時(shí)間更短。

模糊PID控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 模糊PID控制系統(tǒng)

導(dǎo)線壓接控制實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)定位移行程為8 mm；模糊控制位置偏差e變化范圍為(-5，5)mm；Δe變化范圍為(-0.1，0.1)mm/s2；Δkp變化范圍為(-1，1)；Δki、Δkd變化范圍均為(-0.001，0.001)。

2.2 語(yǔ)言變量和隸屬度函數(shù)確定

實(shí)驗(yàn)液壓泵時(shí)，偏差e和偏差變化率Δe為輸入，PID參數(shù)調(diào)整量Δkp、Δki、Δkd為輸出。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定e、Δe、Δkp、Δki、Δkd為語(yǔ)言變量，選用NB(負(fù)大)、NM(負(fù)中)、NS(負(fù)小)、Z(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)作為語(yǔ)言值。故論域取值均為{-3，-2，-1，0，1，2，3}。語(yǔ)言變量e、Δe的隸屬度函數(shù)和Δkp、Δki、Δkd的隸屬度函數(shù)均選用三角函數(shù)，如圖4所示。

圖4 語(yǔ)言變量隸屬度函數(shù)

2.3 模糊控制規(guī)則建立

根據(jù)PID控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)輸出的調(diào)節(jié)作用，歸納出kp、ki和kd這3個(gè)控制參數(shù)的調(diào)整規(guī)則。

kp作用是減小系統(tǒng)偏差，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。當(dāng)位置偏差e較大時(shí)，kp應(yīng)較大；當(dāng)e較小時(shí)，kp也應(yīng)較小。kp的模糊控制規(guī)則如表1所示。表1中：e、Δe為位置偏差模糊值和位置偏差變化率模糊值。

表1 kp模糊控制規(guī)則表

ki用來(lái)消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，ki越大，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差消除越快，但過(guò)大的ki會(huì)引起超調(diào)；若ki較小，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)精度。建立ki模糊控制規(guī)則如表2所示。

表2 ki模糊控制規(guī)則表

kd作用是預(yù)測(cè)偏差的變化方向，并提前產(chǎn)生抑制作用。建立kd模糊控制規(guī)則如表3所示。

表3 kd模糊控制規(guī)則表

3 基于CP1H模糊PID算法的實(shí)現(xiàn)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

輸電線路導(dǎo)線壓接自動(dòng)化裝置主程序?qū)崿F(xiàn)的功能與邏輯如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

導(dǎo)線初始位置為人工手動(dòng)放置，之后按下控制箱上的啟動(dòng)按鍵給系統(tǒng)上電，PLC控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滑臺(tái)回到初始位置。當(dāng)上位機(jī)再次發(fā)送開(kāi)始命令，且當(dāng)位移傳感器檢測(cè)到滑臺(tái)處于初始位置后，則PLC通過(guò)一系列元器件控制液壓泵開(kāi)始?jí)航?。紅外傳感器檢測(cè)導(dǎo)線壓接直徑，當(dāng)導(dǎo)線壓接直徑到達(dá)預(yù)期設(shè)定值時(shí)，PLC控制液壓泵停止壓接，開(kāi)始泄壓。當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到壓接鉗完全松開(kāi)后，PLC控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滑臺(tái)移動(dòng)，移動(dòng)到指定距離(即上位機(jī)設(shè)置的每步移動(dòng)距離)之后停止。PLC控制液壓泵再一次開(kāi)始?jí)航?，?shù)據(jù)通過(guò)串口傳到上位機(jī)，上位機(jī)監(jiān)控界面實(shí)時(shí)顯示壓接壓力數(shù)據(jù)、導(dǎo)線3組對(duì)邊距數(shù)據(jù)、滑臺(tái)位移數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)過(guò)程動(dòng)畫(huà)，上位機(jī)界面監(jiān)控圖實(shí)時(shí)顯示這段時(shí)間的數(shù)值變化曲線。程序會(huì)重復(fù)這一過(guò)程直至出現(xiàn)錯(cuò)誤或已完成所有壓接(循環(huán)次數(shù)在上位機(jī)上提前設(shè)定)。當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入急停狀態(tài)并報(bào)警。

3.2 順序功能圖設(shè)計(jì)

根據(jù)圖5所示流程畫(huà)出系統(tǒng)順序功能圖，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)順序功能圖

3.3 模糊PID的算法流程

模糊控制器主要由3個(gè)模塊組成：模糊化、模糊推理和清晰化[15]。輸電線路導(dǎo)線自動(dòng)壓接模糊PID算法控制過(guò)程如下。首先，傳感器會(huì)采集滑臺(tái)位移、壓線距離的相關(guān)數(shù)據(jù)，其采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)算法處理之后得到與中線的偏差e以及當(dāng)前偏差和上次偏差的變化(差值)Δe；其次，要對(duì)這兩個(gè)值進(jìn)行模糊化。以e為例，距離傳感器采集的e是有范圍的，即與預(yù)設(shè)值的偏差是在一個(gè)區(qū)間內(nèi)可行的。因?yàn)閭鞲衅鹘邮盏臄?shù)字量信號(hào)范圍是0～65 536，所以設(shè)定該區(qū)間為0～65 536，即導(dǎo)線與預(yù)設(shè)值的最大距離為65 536。再假設(shè)誤差變化率的可行區(qū)間也為0～65 536。最后進(jìn)行模糊化，首先將e的區(qū)間(0～65 536)分成8個(gè)部分，為了便于分割，將e的區(qū)間改為0～64 000，隨后用7個(gè)數(shù)字將它等分為8個(gè)區(qū)間。把這7個(gè)數(shù)字8 000、16 000、24 000、32 000、40 000、48 000、56 000分別用NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB表示。例如，當(dāng)e=17 000時(shí)，此時(shí)的e屬于NM和NS之間。

根據(jù)采集的e和Δe進(jìn)行模糊化處理，可根據(jù)模糊規(guī)則表找出輸出值所對(duì)應(yīng)的隸屬度，這一過(guò)程被稱為模糊推理。假設(shè)e對(duì)應(yīng)的模糊集合為ZE、PS,e屬于ZE的隸屬度為a(a<1)，則屬于PS的隸屬度為1-a。再假設(shè)Δe對(duì)應(yīng)的模糊集合NM、NS，Δe屬于NS的隸屬度為b，則屬于NM的隸屬度為1-b。再根據(jù)相應(yīng)的模糊規(guī)則表，查詢模糊推理輸出結(jié)果，即模糊結(jié)論。

根據(jù)上一步所得出的模糊結(jié)論，用模糊化方法可得輸出值的解，整個(gè)模糊PID控制過(guò)程結(jié)束，這個(gè)解即為清晰化后的最終解。模糊PID控制流程如圖7所示。

圖7 模糊PID控制流程圖

3.4 模糊PID的算法的梯形圖程序?qū)崿F(xiàn)

根據(jù)各程序段功能的區(qū)別，將程序段分成5個(gè)類別，分別為初始化程序、傳感器數(shù)據(jù)處理程序、邏輯功能程序、算法準(zhǔn)備程序和模糊PID部分。初始化程序?yàn)?～17步，實(shí)現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換單元的開(kāi)啟；傳感器數(shù)據(jù)處理程序?yàn)?9～31步，判斷傳感器數(shù)據(jù)是否符合控制要求；邏輯功能程序?yàn)?3～84步，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)壓接及自動(dòng)移動(dòng)；算法準(zhǔn)備程序?yàn)?6～148步，實(shí)現(xiàn)了模糊PID算法的前期運(yùn)算準(zhǔn)備；模糊PID部分為150～452步，實(shí)現(xiàn)了模糊PID算法，求得了kp、ki和kd；第454步為結(jié)束步。圖8為CX-programmer軟件程序?qū)傩灾械某绦蚨纹鹗疾郊敖Y(jié)束步統(tǒng)計(jì)，以及程序段對(duì)應(yīng)的注釋。

圖8 梯形圖程序總覽

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

輸電線路導(dǎo)線自動(dòng)壓接控制系統(tǒng)上位機(jī)通過(guò)組態(tài)王軟件編寫(xiě)上位機(jī)監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)壓接鉗每次壓接的壓力值、壓模次數(shù)、壓力、液壓鉗部分移動(dòng)距離及時(shí)間的設(shè)定，以及壓力及導(dǎo)線直徑的顯示，如圖9所示。

圖9 控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件界面圖

點(diǎn)擊上位機(jī)數(shù)據(jù)按鈕后，顯示出階段時(shí)間內(nèi)控制結(jié)果變化曲線，實(shí)線代表壓力，虛線代表直徑，具體曲線數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 控制變化曲線

由圖10中曲線數(shù)據(jù)可以看出，在未開(kāi)始前，壓力值為0，對(duì)邊距距離為初始值，如圖10a所示；收到預(yù)設(shè)壓力值后，壓力值不斷增大，距離不斷減小，達(dá)到預(yù)定距離值后，壓力值維持不變一段時(shí)間后逐漸減小，保證了壓接結(jié)果穩(wěn)定準(zhǔn)確，如圖10b～10c所示；之后，自動(dòng)推進(jìn)裝置啟動(dòng)，開(kāi)始進(jìn)行下一段壓接，曲線圖進(jìn)入下一周期，如圖10d所示。

5 結(jié)論

輸電線路導(dǎo)線壓接是實(shí)現(xiàn)電力運(yùn)輸?shù)那疤嶂?，其自?dòng)化操作已成必然趨勢(shì)，采用更智能的算法對(duì)輸電線路導(dǎo)線自動(dòng)壓接系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)具有重要意義。本文設(shè)計(jì)了基于PLC控制的輸電線路導(dǎo)線壓接模糊PID控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件程序，完成了系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)線的自動(dòng)化壓接。相比傳統(tǒng)的人工壓接導(dǎo)線，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)壓接導(dǎo)線、自動(dòng)測(cè)量導(dǎo)線對(duì)邊距、自動(dòng)測(cè)量導(dǎo)線移動(dòng)距離、實(shí)時(shí)顯示壓接鉗壓接壓力等功能，節(jié)省了人力，提高了工作效率，降低了事故率。相比于傳統(tǒng)的PID算法，可以達(dá)到更快、更好的控制效果。