基于PLC的模糊頻載調節器設計

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

現代船舶電站調頻調載裝置普遍采用基于功頻差綜合信號的PI控制策略和脈寬調制技術，在負荷大幅度變動時，首先由原動機調速系統進行一次調頻，然后再由調頻調載裝置進行二次調頻。由于PID控制器本質上屬于線性控制器，其控制參數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，固定的比例系數和積分系數難以滿足不同工況下調節過程都達到優化的要求，調節過程易出現因參數設定不當而導致超調量過大或調節時間過長的現象。

本文將模糊控制策略應用于船舶汽-柴并車型電站系統的調頻調載控制中，采用高可靠性、耐惡劣環境的可編程控制器PLC，實現一體化的自動調頻調載。同時，通過硬件在環仿真，對PLC模糊頻載調節器的有效性進行試驗研究。

1 模糊頻載調節器設計方案

目前，調頻調載方案絕大多數為虛有差法[1]。虛有差法可實現原動機外特性線的相應平移，使并聯運行各機組的頻率以及有功功率分配差度保持在規定的范圍內。

模糊控制可進一步提高異型原動機聯合電站的頻載調節效果。作為智能控制分支之一的模糊控制，具有魯棒性強、響應快、易修正、不需系統模型的特點，其動態特性好，上升時間、調節時間較短，可以平滑地到達穩態。然而由于模糊控制器的輸入一般為誤差、誤差的變化率，可認為是PD控制器，其抗干擾效果差，同時可能導致較大靜差。為增強抗擾動能力和減小靜差，本文在頻載調節中綜合了傳統控制技術和智能控制技術的優點，采用模糊控制和PI調節的共同作用，見圖1。試驗表明，其減小靜差和提高穩定性的效果明顯。

圖1 PI-模糊控制器

2 PLC頻載調節器硬件

可編程序控制器控制技術用于船舶電站的自動調頻調載，具有可靠性高、抗干擾強、便于維護、便于改進的優點[2]。本文所用可編程序控制器選用日本三菱公司生產的FX2N微型PLC，其基本指令執行時間高達0.08 μs，內置的用戶存儲器為8 k步，有多種特殊功能模塊或功能擴展板，機內有時鐘，PID指令用于模擬量閉環控制。采用CFX-GP/WIN-C軟件進行編程和調試。

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

發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信號調節汽輪發電機、柴油發電機的轉速，完成頻載調節。

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的精確量轉化為模糊量，送給模糊控制器進行處理，模糊控制器根據控制規則決定的模糊關系，應用模糊推理合成算法得出輸出的模糊量，再經過模糊判決，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內存中，實際控制時通過軟件查表的方式取得相應控制值[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PLC頻率和功率的實測變化結果，設系統偏差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“-”號意思是發出減速信號，并不是說脈沖的寬度本身為負值。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，隸屬函數取三角形函數。實際運行的在線查表模糊控制器需要進行模糊量化取整，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。

模糊控制規則的確定原則是使系統輸出響應的動、靜態特性達到最佳。利用典型的頻載調節輸出響應曲線制定控制規則，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)在每一個控制循環對系統的輸入進行采樣以求出e和Δe；

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

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

圖3 PLC模糊頻載調節程序框圖

4 硬件在環仿真試驗

采用硬件在環仿真方式研究PLC模糊調頻調載裝置的工作可靠性及控制策略的調節效果。硬件在環仿真系統由工控機、數據采集卡、PLC模糊頻載調節器及電平轉換電路等組成。

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

PLC計算出頻率和功率的綜合偏差信號，再經頻調載控制算法產生控制柴油機、汽輪機轉速的PWM調節信號反饋至工控機，對柴油發電機、汽輪發電機組并機模型的頻載進行調節，完成硬件在環仿真。

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

仿真系統軟件采用美國NI公司的LabVIEW[5]及控制和仿真設計工具包。采用LabVIEW軟件,能實現虛擬儀器方式的數據測試、測量和實時顯示，可定量確定PLC調頻調載控制器的工作狀態。LabVIEW仿真模塊能對線性系統、非線性系統、離散系統和連續系統進行仿真。將汽輪發電機和柴油發電機組數學模型置于LabVIEW的仿真循環中，并建立與板卡硬件的I/O聯系后，即能利用發電機組仿真模型考核實際的PLC模糊頻載調節裝置。在硬件在環仿真中，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學模型[6]對PLC模糊頻載調節裝置進行研究。其中汽輪發電機組額定功率為1 200 kW，柴油發電機組額定功率為600 kW。當負荷擾動為1 200 kW時，PLC模糊頻載調節的調節曲線見圖4～6。

圖4 汽輪發電機組功率變化曲線

圖5 柴油發電機組功率變化曲線

圖6 機組頻率變化曲線

由圖可見，負荷擾動首先由調速器進行調節(設定原動機模型的調差系數)，為更清楚地觀察兩者的作用效果，在調速器作用10 s后頻載調節裝置投入工作，可見，采用PI-模糊控制策略后，頻載調節獲得了較好結果，超調量小，調節時間縮短，收斂快，調節過程平穩。穩定時，汽輪機承擔的負荷為808.627 kW(見圖4)，柴油機承擔的負荷為392.193 kW(見圖5)，頻率得到恢復(見圖6)。

可見，無論是頻率還是功率，采用模糊控制，其變化都更加穩定。

5 結論

1)在Matlab數學仿真的基礎上，利用PLC實現了模糊頻載調節模塊，探討了基于FX2N微型PLC的軟硬件實現方案。

2)基于LabVIEW建立了硬件在環仿真平臺，對PLC智能頻載調節裝置進行了試驗研究。結果表明，所采用的控制方法超調量小，穩態誤差小，能有效改善船舶電站的頻率穩定性和負荷分配效果。

3)利用PLC實現發電機組頻載調節裝置，能提高裝置的可靠性和一體化水平。但對于更為復雜的控制策略的實現，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,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節裝置[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[J].工業儀表與自動化裝置, 2003(4):23-25.

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

[5] 楊樂平.LabVIEW程序設計與應用[M].2版.北京:電子工業出版社,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].艦船科學技術,2010(11):130-133.