基于模糊自適應(yīng)PID的低溫氦透平控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃金霖，張 莉，史 然

低溫技術(shù)是國(guó)家現(xiàn)代化建設(shè)中不可或缺的技術(shù)，低溫氦透平系統(tǒng)是低溫制冷控制系統(tǒng)，需要保證溫度在受到干擾時(shí)能夠快速回到用戶所需要的溫度［1］.上世紀(jì)80年代美國(guó)開(kāi)始研制制冷機(jī)，并于1998年用在望遠(yuǎn)鏡上［2］.國(guó)內(nèi)對(duì)于制冷機(jī)的研究起步較晚，研究人員著重研究了透平機(jī)械性能，中科院對(duì)透平膨脹機(jī)作了大量研究，獲得大量數(shù)據(jù)［3］.而溫度控制是透平膨脹機(jī)的重要控制參數(shù)，同時(shí)溫度具有非線性、滯后性等特點(diǎn)，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，本研究考慮將模糊自適應(yīng)控制與PID控制結(jié)合起來(lái)，對(duì)溫度進(jìn)行優(yōu)化控制.

本文以氦透平系統(tǒng)中溫度控制為核心，提出采用模糊自適應(yīng)PID算法進(jìn)行優(yōu)化控制，以西門子S7-300為核心，進(jìn)行硬件配置并設(shè)計(jì)STEP7程序.

1 低溫氦透平控制系統(tǒng)

低溫氦透平控制系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、過(guò)濾器、純度檢測(cè)儀、真空度檢測(cè)儀、透平機(jī)、冷氣設(shè)備等組成［4］.氦氣在壓縮機(jī)啟動(dòng)后經(jīng)過(guò)過(guò)濾器對(duì)雜質(zhì)進(jìn)行清除，隨后進(jìn)行純度和真空度檢測(cè)，滿足要求后經(jīng)換熱器實(shí)現(xiàn)初步遇冷.再進(jìn)入透平機(jī)制冷，溫度檢測(cè)合格后供給用氣系統(tǒng)，使用完成后若透平機(jī)還在運(yùn)行，則氣體在系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)實(shí)現(xiàn)回收利用［5］，其工藝流程如圖1所示.

圖1 氦透平控制系統(tǒng)工藝流程圖

2 模糊自適應(yīng)PID控制器設(shè)計(jì)

PID調(diào)節(jié)器將偏差的比例、積分、微分通過(guò)線性組合成控制量［6］，表達(dá)式為

式中：U(t)為控制器輸出，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，TD為微分時(shí)間常數(shù).

對(duì)式（1）進(jìn)行離散化處理，微分方程被數(shù)字形式的差分方程代替［7］，可得

增量式PID控制算法是使用最多的，算式為

式中k為采樣序號(hào)，Ki=KpT/Ti，Kd=KpTd/T.

傳統(tǒng)PID參數(shù)調(diào)節(jié)方法確定的參數(shù)值修改不方便，自適應(yīng)PID控制能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)在線自整定.本文將模糊算法加入到自適應(yīng)算法中，以用戶最終需要的溫度偏差e和偏差變化率ec作為輸入量，在線檢測(cè)數(shù)據(jù)后，經(jīng)模糊控制算法得到PID參數(shù)值，從而適應(yīng)e和ec的變化.控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 模糊自適應(yīng)PID控制器結(jié)構(gòu)圖

e和ec的模糊語(yǔ)言變量分別為E和EC，模糊集為｛NB（負(fù)大），NM（負(fù)中），NS（負(fù)小），ZO（零），PS（正?。?，PM（正中），PB（正大）｝，E、EC和整定后的參數(shù)Kp、Ki、Kd的模糊論域定義為｛-3，-2，-1，0，1，2，3｝.隸屬度函數(shù)選擇三角函數(shù).E、EC的賦值如表1所示.

表1 E、EC的語(yǔ)言變量賦值

ΔKp、ΔKi、ΔKd的賦值表如表2所示.

表2 ΔKp、ΔKi、ΔKd的賦值表

總結(jié)模糊控制規(guī)則，可得模糊控制規(guī)則如表3所示.

模糊推理選用Madani推理法，反模糊方法采用最大隸屬度法，若幾個(gè)元素都出現(xiàn)最大值，取平均值并取整作為精確值.

表3 Kp/Ki/Kd模糊控制規(guī)則表

3 氦透平控制系統(tǒng)硬件配置

氦透平控制系統(tǒng)以S7-300 PLC為控制核心.選用帶有現(xiàn)場(chǎng)總線擴(kuò)展功能的CPU315-2DP，接口模塊選用IM153-1，用于主機(jī)架與2個(gè)擴(kuò)展機(jī)架的通訊.通訊模塊選用CP341實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊.信號(hào)模塊分別選用 SM321、SM322、SM331、SM332.硬件配置如圖3所示.

圖3 PLC硬件配置圖

4 軟件方案設(shè)計(jì)

氦透平控制系統(tǒng)的軟件方案設(shè)計(jì)包括西門子S7-300 PLC程序設(shè)計(jì)和監(jiān)控組態(tài)界面的設(shè)計(jì)兩大部分.

PLC程序設(shè)計(jì)采用STEP7 V5.5編程軟件［8］，完成氦透平控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)、符號(hào)編輯、地址分配、通訊設(shè)置等，并根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，編寫(xiě)模擬量數(shù)據(jù)（包括真空度、純度、氣體流量）采集模塊FC1、氣動(dòng)閥門控制模塊（FB1）、PID控制程序（FB41，在標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中調(diào)用）、壓縮機(jī)控制程序FB3，以及主程序OB1等.

模糊自適應(yīng)PID控制算法采用模塊化編程.數(shù)據(jù)塊DB1的功能是設(shè)置量化因子、比例因子；FC8用來(lái)計(jì)算透平的偏差e和偏差率ec，同時(shí)在硬件組態(tài)時(shí)需要將CPU屬性對(duì)話款中OB35的Execution設(shè)置為1 000（1 s）.FC9將精確量偏差e和偏差率ec轉(zhuǎn)化成模糊量E和EC.FC10編寫(xiě)模糊控制表，F(xiàn)C11用來(lái)計(jì)算Kp，并將結(jié)果放入FB41的背景數(shù)據(jù)塊中.OB35則通過(guò)循環(huán)中斷實(shí)現(xiàn)模糊自適應(yīng)PID控制.

監(jiān)控界面采用WinCC V6.2進(jìn)行設(shè)計(jì).監(jiān)控系統(tǒng)主界面顯示整個(gè)系統(tǒng)工藝流程、主要設(shè)備及過(guò)程參數(shù).連鎖回路界面用于顯示對(duì)系統(tǒng)有影響的參數(shù)，包括溫度過(guò)高過(guò)低、氣壓過(guò)高過(guò)低、系統(tǒng)急停等.工藝參數(shù)畫(huà)面顯示主要工藝參數(shù).操作參數(shù)畫(huà)面則對(duì)用戶設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行集中管理.主界面如圖4所示.

圖4 監(jiān)控主界面圖

5 系統(tǒng)調(diào)試

把程序下載到PLC后，可對(duì)程序進(jìn)行仿真調(diào)試.西門子CPU5611卡是安裝在上位機(jī)中的通訊網(wǎng)卡，它能夠?qū)LC與上位機(jī)監(jiān)控軟件連接起來(lái)，利用WinCC監(jiān)控軟件即可進(jìn)行PLC的相關(guān)操作.

在監(jiān)控軟件中可以應(yīng)用趨勢(shì)控件對(duì)溫度的趨勢(shì)圖進(jìn)行保存，圖5為帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)參數(shù)曲線.

圖5 帶負(fù)載運(yùn)行系統(tǒng)參數(shù)曲線

6 結(jié)束語(yǔ)

本文采用SIMATIC S7-300實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制，采用現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式，安裝調(diào)試較為方便容易，故障率低且容易查找.應(yīng)用模糊自適應(yīng)PID控制算法在線調(diào)整PID值，使系統(tǒng)能夠快速穩(wěn)定.通過(guò)WinCC組態(tài)軟件設(shè)計(jì)監(jiān)控界面，在STEP7中編程調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了基于模糊自適應(yīng)控制的氦透平系統(tǒng)的控制，提高了企業(yè)的自動(dòng)化程度，從而提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和管理效益.