基于PLC與單神經(jīng)元PID算法在變壓器濾油系統(tǒng)中的應(yīng)用

鄭 斐，劉 勇，王睿鵬，鄭 怡

（1.北方民族大學(xué) 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程實(shí)訓(xùn)中心，銀川 750021；2.銀川能源學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，銀川 750100；3.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100020）

某企業(yè)原變壓器注油系統(tǒng)無(wú)法監(jiān)測(cè)罐區(qū)油罐液位，無(wú)法得知變壓器注油油量，存在工人私自取油賣油的行為，影響企業(yè)效益。針對(duì)這些缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一套以西門子S7-300 PLC 為控制器，通過現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus 構(gòu)建的分布式I/O 控制系統(tǒng)。因?yàn)樽儔浩髯⒂鸵罅髁渴? t/h，不能有超調(diào)[1]，傳統(tǒng)的PID 控制器達(dá)不到調(diào)節(jié)目的，所以采用有監(jiān)督Hebb 學(xué)習(xí)規(guī)則的單神經(jīng)元PID 算法控制變壓器注油流量。實(shí)際應(yīng)用表明，這種控制算法具有很強(qiáng)的抗干擾能力，調(diào)節(jié)時(shí)間短，系統(tǒng)超調(diào)量小，可以達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 管道流量控制方案

流量調(diào)節(jié)采用變頻調(diào)速方法。因?yàn)榭刂茖?duì)象是流量，執(zhí)行機(jī)構(gòu)無(wú)需采用特別復(fù)雜的控制方式，所以變頻器采用開環(huán)恒壓頻比（VVVF）方式變頻。采用這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：開環(huán)恒壓頻比調(diào)速結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)極調(diào)速，并具有一定的節(jié)能效應(yīng)。復(fù)雜計(jì)算通過PLC 完成，變頻器執(zhí)行輸出，流量控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。油泵形式選擇為齒輪油泵，型號(hào)是YCB10-0.6，出口壓力0.6 MPa，出口流量15 m3/h；電機(jī)型號(hào)Y132S-4，電機(jī)功率5.5 kW。

圖1 流量控制結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Flow control structure diagram

1.2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

針對(duì)油罐的擺放形式和廠方濾油工藝，采用西門子S7-300 PLC 控制器搭建Profibus 分布式I/O 控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。變壓器油路管道改造系統(tǒng)以CPU315-2DP 為主站，通過現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus 與從站分布式I/O 控制器ET200M 通訊[2]。上位機(jī)監(jiān)控界面由MCGS 軟件開發(fā)，主要包括成品濾油監(jiān)控界面、試驗(yàn)濾油監(jiān)控界面、成品注油監(jiān)控界面、試驗(yàn)注油監(jiān)控界面和油罐實(shí)時(shí)液位監(jiān)控界面。

圖2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Overall structure of the control system

1.3 瞬時(shí)流量檢測(cè)方式

流量計(jì)選用北京寧遠(yuǎn)環(huán)球公司生產(chǎn)的24 V 脈沖輸出式渦輪流量計(jì)。相比其他信號(hào)輸出方式的流量計(jì)，脈沖輸出式流量計(jì)精度高，抗干擾能力強(qiáng)。脈沖輸出式流量計(jì)發(fā)出的脈沖需送入FM350-2 高速計(jì)數(shù)器模塊中通過程序計(jì)算才能測(cè)出瞬時(shí)流量和累計(jì)流量。FM350-2 是具有高精度計(jì)量功能的8 通道32位脈沖計(jì)數(shù)器模塊，計(jì)數(shù)器最大輸入頻率可達(dá)10 kHz，F(xiàn)M350-2 具有多種計(jì)數(shù)方法和多種工作方式。

在STEP7 硬件組態(tài)中將FM350-2 所用通道工作方式設(shè)置為頻率測(cè)量，通過計(jì)算脈沖頻率得出瞬時(shí)流量。FM350-2 頻率測(cè)量是以時(shí)間窗口為基準(zhǔn)，在這段時(shí)間內(nèi)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)計(jì)算脈沖頻率，本文時(shí)間窗口選擇1 s。瞬時(shí)流量計(jì)算公式如下：

式中：F 為瞬時(shí)流量，m3/h； f 為脈沖頻率，脈沖/s；λ為儀表系數(shù)，脈沖/L。

在STEP7 中建立數(shù)據(jù)塊DB，編號(hào)設(shè)為101，變量的數(shù)據(jù)類型為用戶自定義類型UDT1（隨FM350-2 的驅(qū)動(dòng)程序已安裝好）。該數(shù)據(jù)塊可以保存FM350-2 在運(yùn)行過程中需要的參數(shù)，也可以由該數(shù)據(jù)塊輸出各個(gè)測(cè)量值供用戶讀取。FM350-2 的8 個(gè)輸入通道分為2個(gè)部分可以2 次讀取，每次讀取4 個(gè)通道的頻率值和計(jì)數(shù)值。給JOB_RD.NO（地址為DB101.DBB2）賦值100，讀取的是通道（0～3）的測(cè)量值。給JOB_RD.NO 賦值101，讀取的是通道（4～7）的測(cè)量值。程序里安排時(shí)鐘存儲(chǔ)器位M100.0 來(lái)交替發(fā)送作業(yè)號(hào)讀取測(cè)量值。

2 單神經(jīng)元算法設(shè)計(jì)

2.1 單神經(jīng)元學(xué)習(xí)規(guī)則

無(wú)監(jiān)督Hebb 學(xué)習(xí)規(guī)則只是當(dāng)2 個(gè)神經(jīng)元被同時(shí)激活時(shí)才會(huì)加強(qiáng)連接權(quán)值，不會(huì)根據(jù)外界環(huán)境改變連接權(quán)值；有監(jiān)督Delta 學(xué)習(xí)規(guī)則根據(jù)期望輸出和實(shí)際輸出的差值增大或者減小輸入的連接權(quán)值，可以根據(jù)外界的指導(dǎo)信號(hào)改變連接權(quán)值，但連接權(quán)值大小只和某一個(gè)神經(jīng)元的狀態(tài)和另一個(gè)神經(jīng)元期望輸出和實(shí)際輸出的差值有關(guān)；因?yàn)橛斜O(jiān)督的Hebb 學(xué)習(xí)規(guī)則的連接權(quán)值與2 個(gè)神經(jīng)元的激活狀態(tài)和外界的指導(dǎo)信號(hào)都有關(guān)，所以采用有監(jiān)督Hebb 學(xué)習(xí)規(guī)則更好。

2.2 有監(jiān)督Hebb 單神經(jīng)元PID

有監(jiān)督Hebb 學(xué)習(xí)規(guī)則的單神經(jīng)元PID 控制原理如圖3所示。

圖3 有監(jiān)督Hebb 單神經(jīng)元PID 控制結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Supervised Hebb single-neuron PID control structure diagram

流量設(shè)定值r（k）與式（1）計(jì)算的瞬時(shí)流量y（k）計(jì)算得到偏差e（k），e（k）經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成單神經(jīng)元學(xué)習(xí)控制所需要的狀態(tài)量x1（k），x2（k），x3（k），有監(jiān)督Hebb 單神經(jīng)元PID 輸出如式（2）所示，規(guī)范化權(quán)系數(shù)ωi′計(jì)算如式（3）所示，權(quán)系數(shù)ωi如式（4）所示[3]。

式中：x1（k）=e（k）=r（k）-y（k），這里的e（k）作為教師信號(hào)用于指導(dǎo)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)；x2（k）=e（k）-e（k-1）；x3（k）=e（k）-2e（k-1）+e（k-2）；K 是神經(jīng)元的比例系數(shù)，K>0；ηP，ηI，ηD分別為比例、積分、微分的學(xué)習(xí)速率。

2.3 被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型

因?yàn)槿喈惒诫妱?dòng)機(jī)具有多變量耦合等特點(diǎn)，所以大部分的學(xué)者采用坐標(biāo)變換法建立異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型[4]。但這種方式建立的數(shù)學(xué)模型極其復(fù)雜，不便在Simulink 中仿真。本文根據(jù)文獻(xiàn)[5]中所述方法，將變頻器和齒輪泵作為比例環(huán)節(jié)，根據(jù)實(shí)際使用的電機(jī)參數(shù)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如式（5）。因?yàn)楦咚儆?jì)數(shù)器每1 s 讀取脈沖頻率，所以讀取反饋流量值時(shí)存在滯后時(shí)間。PID 輸出到齒輪泵轉(zhuǎn)速改變也存在滯后時(shí)間，式（5）中的滯后環(huán)節(jié)包含整個(gè)系統(tǒng)的滯后時(shí)間。將流量計(jì)和高速計(jì)數(shù)器整體作為一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，其數(shù)學(xué)模型如式（6）。

3 仿真與分析

3.1 單神經(jīng)元PID 仿真

因?yàn)閱紊窠?jīng)元PID 在Simulink 中沒有相應(yīng)模塊，所以采用S 函數(shù)建立有監(jiān)督Hebb 單神經(jīng)元PID 算法，系統(tǒng)框圖如圖4所示。初始權(quán)值隨機(jī)選取ω1=ω2=ω3=0.1，學(xué)習(xí)效率ηP=0.4，ηI=0.35，ηD=0.4，K=0.05，采樣時(shí)間1 ms。在第0.5 s 時(shí)加入單位階躍信號(hào)作為干擾源，有監(jiān)督Hebb 單神經(jīng)元PID 干擾曲線如圖5所示。

圖4 單神經(jīng)元PID 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of single-neuron PID system

圖5 有監(jiān)督Hebb 算法干擾曲線Fig.5 Supervised Hebb algorithm interference curve

有監(jiān)督Hebb 單神經(jīng)元PID 算法比普通PID 算法具有系統(tǒng)響應(yīng)快，無(wú)超調(diào)的特點(diǎn)并且具有較好的抑制干擾能力。

3.2 PLC 中實(shí)現(xiàn)單神經(jīng)元PID 控制算法

在PLC 中實(shí)現(xiàn)單神經(jīng)元PID 控制算法必須將設(shè)定量和反饋量轉(zhuǎn)換為0～1 之間的浮點(diǎn)數(shù)，以西門子S7-300 PLC 為例。單神經(jīng)元算法寫入功能FC18中，在組織塊OB35 里調(diào)用FC18。因?yàn)樗矔r(shí)流量采樣時(shí)間是1 s 一次，所以定時(shí)中斷OB35 時(shí)間設(shè)置為2 s，即每2 s 執(zhí)行一次單神經(jīng)元PID 運(yùn)算。在FC18中編寫單神經(jīng)元PID 算法流程如圖6所示[8]。

圖6 有監(jiān)督Hebb 單神經(jīng)元PID 算法流程Fig.6 Supervised Hebb single-neuron PID algorithm flow chart

實(shí)際調(diào)節(jié)流量過程如圖7所示，可以看出應(yīng)用單神經(jīng)元PID 控制策略，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間大致在23 s，管道流量還是存在微小的超調(diào)，但這種超調(diào)在允許范圍內(nèi)。在實(shí)際調(diào)節(jié)過程中，K 值的大小對(duì)系統(tǒng)影響很大，K 值過大則系統(tǒng)超調(diào)量大，K 值過小則系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)。初始權(quán)值ωi和學(xué)習(xí)效率ηP，ηI和ηD的值對(duì)系統(tǒng)的影響不大，可以先給出K，ηI和ηP的值，然后調(diào)節(jié)K 值，當(dāng)系統(tǒng)超調(diào)量較小時(shí)再調(diào)整ηD。實(shí)際中K=2.6，ηP=ηI=2，ηD=0.8。

圖7 流量調(diào)節(jié)界面Fig.7 Flow adjustment interface

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一種以西門子CPU315-2DP 為主站，ET200M 為從站，通過現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus 實(shí)現(xiàn)通訊的變壓器油路控制系統(tǒng)。有監(jiān)督Hebb 學(xué)習(xí)規(guī)則的單神經(jīng)元PID 算法輸出的控制信號(hào)進(jìn)入變頻器中，通過恒頻壓比（VVVF）的方式控制電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩刂票玫某隹诹髁?，最終達(dá)到控制管路中油液流量的目的。由于三相異步電動(dòng)機(jī)具有多變量耦合等特點(diǎn)，本文采用一種較簡(jiǎn)單的建模方法，尋找變頻器輸入控制電壓和電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系建立電機(jī)模型，并根據(jù)建立的電機(jī)模型運(yùn)用Simulink 軟件仿真分析單神經(jīng)元PID 和的控制效果。通過仿真可以看出，單神經(jīng)元PID 具有無(wú)超調(diào)，響應(yīng)快和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在西門子PLC 的編程軟件STEP7 中通過梯形圖和語(yǔ)句表語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)單神經(jīng)元PID 控制算法。實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，單神經(jīng)元PID 控制器具有系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間短，超調(diào)量小的優(yōu)點(diǎn)。