船舶交流電機PLC 調速系統設計分析

劉向辰，陳 磊，喬世英

（1.甘肅建筑職業技術學院，甘肅 蘭州 730050；2.國家電網甘肅省武威市電力局 電建實業有限公司，甘肅 武威 733000；3.中國航天科技集團航天五院蘭州510 研究所，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

作為新一代的工業控制設備，PLC 在自動化控制與生產過程中具有實用性強、使用方便、可靠性高、抗干擾能力強等諸多優點，將PLC 應用到船舶用交流電機控制系統中也逐漸成為國內外研究的焦點。

在傳統鍋爐控制過程中，存在資源利用率低、設備運行不可靠等問題，文獻[1]基于西門子PLCS7-200[2-3]設計了PLC 模糊控制方法，該方法能在很大程度上減少設備維護人員的工作量。為了提高鉆井平臺的自動化能力，文獻[4]設計一種基于PLC 控制的機械手臂控制系統，通過對系統邏輯、PLC 控制電路進行分析與設計，實現了鉆井平臺操作簡單、運行可靠、定位精度高等諸多要求的智能鉆井平臺控制系統。

本文在PI 控制的基礎上，提出一種基于改進型Fuzzy-PI控制策略的船舶交流電機PLC 調速系統，該方法將引入積分重置環節的Fuzzy-PI 控制策略與PLC 相結合，既能保證電機轉速調節的快速性和穩定性，又避免了PI 控制過程中的積分飽和問題；同時，PLC 又具有操作簡單、實用性強、擴展性和可靠性高、處理并發能力強等優點。充分發揮兩者之間各自的優勢，達到船舶交流電機快速、可靠運行的目的。

1 系統設計思路

船舶交流電機控制系統采用的是轉速閉環系統，通過霍爾傳感器檢測到電機的實際轉速并反饋至輸入端，與輸入端的參考給定轉速做差后，按照一定的控制規律控制變頻器，實現對交流電機轉速的控制，交流電機轉速調節控制系統原理如圖1 所示。

2 改進型Fuzzy-PI 控制策略

根據被控對象的實際變化，通過計算機的模糊推理對PI參數進行實時調節，Fuzzy-PI 控制策略的原理如圖2 所示。

圖2 Fuzzy-PI 控制原理圖

Fuzzy-PI 控制策略首先要設定一組初始PI 參數（即KP0、KI0）；接著，建立誤差信號e、誤差信號變化率ec 與之間的模糊推理關系；最后，對誤差信號e、誤差信號變化率ec 進行實時觀測，并根據相應的模糊規則實現模糊推理，在通過查詢模糊規則矩陣來對KP、KI進行實時整定，來滿足系統對動態特性的要求。

經過Fuzzy-PI 控制策略整定后的KP、KI可以寫成

Fuzzy-PI 控制策略的基礎仍然是PI 控制，PI 控制在離散狀態下的表達式可以寫成

通過分析公式（2）可以看出，PI 控制的輸出與0 到m之間的所有采樣時刻的狀態量均相關，考慮誤差的累積之后，積分環節比較容易出現飽和，隨著時間的延長，之前的累積效應對系統造成的影響越來越明顯，導致電機調速過程中出現超調和震蕩。為了消除積分飽和對系統造成的不利影響，本文在Fuzzy-PI 控制策略中加入一個積分重置環節，即系統若檢測到參考轉速發生變化時，將m 歸零，也就是將積分環節從本時刻起重新進行累積計算，有效避免了之前累積量過大給系統造成的不利影響。

3 改進型Fuzzy-PI 控制策略Simulink 分析

圖3 曲面分布圖

本文所采用的改進型Fuzzy-PI 控制策略應用于速度環，輸入量和輸出量的計算機語言統一為NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB；歸一化論域為 [-3、-2、-1、0、1、2、3]。

當模糊變量、歸一化論域、轉速誤差e 及轉速誤差的變化率ec 都確定后，搭建控制模型，為了分析改進型Fuzzy-PI控制策略的性能，在Matlab/Simulink 中做出及的曲面圖，觀察參數及隨輸入量的變化，比較明顯的展現改進型Fuzzy-PI 控制策略的特性，曲面如圖3 所示。

通過以上分析，首先可以得到PI 初始參數KP0和KP0，由模糊規則得到KP及KI，最后由公式得到KP和KI。

為了驗證改進型Fuzzy-PI 控制策略的動態控制性能，通過采用階躍輸入信號為系統仿真模型激勵，改進型Fuzzy-PI控制策略的動態特性如圖4 所示。

圖4 動態特性曲線

可以看出，相比于PI 控制策略和傳統Fuzzy-PI 控制策略，改進型Fuzzy-PI 控制策略具有良好的動態特性。

4 仿真分析

為了驗證所提方案的正確性，對以上方案進行仿真分析。

控制器選用S7-1500 系列PLC，用于完成邏輯信號的采集、處理、指令的下發以及與外部設備通訊等功能，PLC 通過Profibus-DP 總線用于與外部通訊或下載/上傳PLC 程序，人機顯示界面選用KTP 600 Basic。

船舶交流電機的額定功率為2.2 kW、額定電壓380 V、額定電流5 V、額定轉矩15 N·m、額定轉速1440 r/min、定子電阻參數為5.5、轉子電阻參數為6.5、定子和轉子之間的互感為 160 mH。

為了驗證改進型控制方案能否改善船舶交流電機的轉速動態特性，令參考給定轉速為1000 r/min。則電機空載啟動仿真波形如圖5 所示。

可以看出，當參考給定轉速為1000r/min 時，基于PI 控制策略下的船舶交流電機空載啟動轉速超調17.5%，從啟動至穩定運行時的時間為0.15 s；基于改進型Fuzzy-PI 控制策略下的船舶交流電機空載啟動轉速幾乎無超調，從啟動至穩定運行時的時間為0.1 s。

由此證明了改進型Fuzzy-PI 控制策略能夠改善船舶交流電機的動態響應速度。

圖5 船舶交流電機空載啟動轉速仿真波形

為了驗證改進型控制方案能否改善船舶交流電機的運行穩定性，當電機轉速穩定運行至1000 r/min 時，交流電機的a相定子電流仿真波形如圖6 所示。

可以看出，當船舶交流電機轉速穩定運行在參考給定轉速1000 r/min 時，基于PI 控制策略下的船舶交流電機的a 相定子電流正弦穩定性較差，諧波畸變率較高；而基于改進型Fuzzy-PI 控制策略下的船舶交流電機的a 相定子電流正弦穩定性明顯提升，諧波畸變率也降低。

由此驗證了基于改進型Fuzzy-PI 控制策略能夠提高船舶交流電機的控制穩定性。

5 結語

由于傳統PI 控制策略下的船舶交流電機存在轉速動態特性差、控制性能不好的問題，該問題在電機中低速運行過程中更加明顯。為了提高電機的轉速動態特性，改善控制性能。本文在模糊PI 控制的基礎上提出一種基于改進型Fuzzy-PI 控制策略的船舶交流電機PLC 調速系統。

圖6 船舶交流電機a 相定子電流仿真波形

通過Matlab/Simulink 算法分析和PLC 仿真，驗證了該策略能夠提高船舶交流電機的轉速動態特性和穩態控制特性，具有響應速度快、穩定性好、無超調量等優點；同時兼備了PLC 操作簡單、實用性強、處理并發能力強等優點。