鐘 旭

(廣東技術(shù)師范學(xué)院電子與信息學(xué)院，廣東 廣州 510665)

0 引言

利用水電阻作為可調(diào)節(jié)負(fù)載元件對(duì)機(jī)車柴油機(jī)－發(fā)電機(jī)組輸出電流加以調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車柴油機(jī)加載測(cè)試研究，這已成為鐵路機(jī)務(wù)部門檢修機(jī)車不可缺少的一項(xiàng)重要技術(shù)手段。

近年來，隨著機(jī)車檢修技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)車柴油機(jī)－發(fā)電機(jī)組輸出電流精確控制問題越來越引起人們廣泛關(guān)注。通過將電流偏差預(yù)先分段，再利用PI調(diào)節(jié)與設(shè)置控制死區(qū)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)電流精確控制，是一種可行的作法[1]。但是，由于控制過程中未充分考慮極板升降產(chǎn)生的巨大慣性及其水溫變化影響，因此電流的控制精度也只能限制在一定程度。將極板固定，利用反向調(diào)節(jié)水位的方式來調(diào)節(jié)電流，是克服系統(tǒng)慣性影響的一項(xiàng)有效措施，因而可獲得較滿意的控制效果[2]。但其不足之處在于進(jìn)排水量過小，從而令電流調(diào)節(jié)范圍過窄，所以此法只適合小型柴油機(jī)試驗(yàn)場(chǎng)合。

鑒于此，本文提出基于恒定水溫的電流Petri網(wǎng)協(xié)調(diào)級(jí)混雜遞階模糊PID控制方案，有效彌補(bǔ)了上述方法的不足，實(shí)現(xiàn)了機(jī)車試驗(yàn)負(fù)載電流高精度、大范圍控制。

1 系統(tǒng)組成原理與控制方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)行機(jī)車水阻試驗(yàn)系統(tǒng)由水阻試驗(yàn)裝置和機(jī)車兩部分構(gòu)成。系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Operating principle of the system

其中，水阻試驗(yàn)裝置包括能量吸收轉(zhuǎn)化裝置和水電阻調(diào)節(jié)裝置兩部分。能量吸收轉(zhuǎn)化裝置由水箱、活動(dòng)極板、固定極板和電解水溶液等組成;水電阻調(diào)節(jié)裝置一般由電機(jī)、渦輪蝸桿減速器和動(dòng)靜滑輪組等構(gòu)成[3－4]。電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)蝸輪蝸桿傳遞后，通過滑輪組驅(qū)動(dòng)活動(dòng)極板升降，以改變活動(dòng)極板組浸入水中的面積即水電阻阻值，起到調(diào)節(jié)機(jī)車柴油機(jī)-發(fā)電機(jī)組輸出電流的作用。

活動(dòng)極板浸水面積S與負(fù)載電流IF的關(guān)系如下：

式中：S=ahNj;PF為主發(fā)電機(jī)功率，kW;IF為負(fù)載電流，A;ρt為水溫t℃時(shí)水電阻率，Ω·cm;l為活動(dòng)極板與固定極板間距，cm;a為活動(dòng)極板寬度，cm;h為活動(dòng)極板浸入水中的深度，cm;Nj為極板組數(shù)。

由式(1)可知，當(dāng)PF一定時(shí)，調(diào)節(jié)h可改變IF。據(jù)此，有兩種方式可達(dá)到此目標(biāo)，一種是令池內(nèi)水位保持不變，通過控制活動(dòng)極板的入水深度來調(diào)節(jié)電流，反映到電機(jī)控制上就是對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向及運(yùn)行時(shí)間的控制;另一種是將活動(dòng)極板固定不動(dòng)，利用控制池內(nèi)液位的高度來實(shí)現(xiàn)對(duì)h調(diào)節(jié)。兩者相比，前者調(diào)節(jié)幅度更大，調(diào)節(jié)速度也更快，但存在較大慣性和控制死區(qū)，適合于負(fù)載粗調(diào);而后者雖然調(diào)節(jié)幅度小，調(diào)節(jié)速度慢，但卻能夠有效避免因系統(tǒng)慣性帶來的不利影響，因而可獲得更高的控制精度，比較適合電流微調(diào)。為此，本文采取一種折衷的控制方案，即在電流偏差較大時(shí)采取極板升降控制;而在電流偏差較小時(shí)應(yīng)用水位調(diào)節(jié)，以達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的目的。

水阻試驗(yàn)過程是能量轉(zhuǎn)換消耗的過程。試驗(yàn)時(shí)，由于能量的不斷交換使水溫上升，由此引起ρt不斷變化[5]，令I(lǐng)F與h間的關(guān)系變得相對(duì)復(fù)雜。這是造成電流調(diào)節(jié)困難的根本原因。為此，設(shè)計(jì)了專門的水溫調(diào)節(jié)器，使得水溫在試驗(yàn)過程中保持基本不變，即ρt基本不變，這樣IF與h之間關(guān)系變得更直接，電流更易控制。

鑒于系統(tǒng)在IF連續(xù)控制過程中伴有水溫調(diào)節(jié)這一離散事件，表現(xiàn)出典型的混合系統(tǒng)特征，因此，負(fù)載調(diào)節(jié)問題更適于從混雜系統(tǒng)思想角度加以解決[6]。為降低對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的建模難度，采用遞階控制理論。所建立的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of control system

圖2中，控制系統(tǒng)分為組織層、協(xié)調(diào)層與執(zhí)行層。組織層用于對(duì)給定的外部命令和任務(wù)以及現(xiàn)場(chǎng)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，找到完成該任務(wù)的各子任務(wù)(或操作)組合，并將具體要求傳送至協(xié)調(diào)級(jí)。協(xié)調(diào)層接受上層分派子任務(wù)，產(chǎn)生可供執(zhí)行級(jí)執(zhí)行的具體動(dòng)作序列并送入相應(yīng)控制器。利用Petri網(wǎng)翻譯器建立該層模型，通過指令翻譯器直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行層控制器。執(zhí)行層則完成負(fù)載電流具體控制，它由極板控制器、水位控制器和水溫控制器組成。當(dāng)負(fù)載電流偏差較大時(shí)，啟用極板控制器，以縮短過渡過程時(shí)間;而當(dāng)電流偏差較減小時(shí)，為避免超調(diào)，切換至水位控制器，以獲得更高的控制精度。與此同時(shí)，水溫控制器始終對(duì)不同點(diǎn)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦溫差超限，便及時(shí)做出調(diào)整處理，保證水溫與電流同步協(xié)同控制。

為實(shí)用起見，各控制器均以單片機(jī)AT89C55為核心，構(gòu)成相對(duì)獨(dú)立的單片機(jī)控制子系統(tǒng)。

2 協(xié)調(diào)級(jí)Petri網(wǎng)控制

協(xié)調(diào)級(jí)功能本質(zhì)上就是決策過程，它通過任務(wù)調(diào)度與翻譯兩個(gè)步驟完成，可描述為對(duì)于給定的任務(wù)a，找到一個(gè)可激發(fā)的遷移t，使σ(t，a)有定義，進(jìn)而根據(jù)σ(t，a)找到正確的翻譯串。

設(shè) M=(N，∑，Δ，σ，μ，F(xiàn))表示協(xié)調(diào)器，對(duì)于任何a∈∑，定義 T(a)={t︱σ(t，a)}，定義 Tλ=T(λ)={t︱σ(t，a)}，它相當(dāng)于內(nèi)部操作的集合。設(shè)置QT和QD兩個(gè)隊(duì)列，QT存儲(chǔ)未被執(zhí)行的任務(wù)，QD存儲(chǔ)暫時(shí)條件不具備而需要推遲執(zhí)行的任務(wù)。定義函數(shù)F(Q)為取出Q的第一個(gè)元素，I(Q，a)將元素a插入到Q的末尾，U(Q1，Q2)置 Q2于 Q1的末尾，N(Q)使 Q 為空，令v=a1，a2，…，aS∈Δ*為要執(zhí)行的任務(wù)串，其中，Δ*表示由Δ中字符組成的字符串集，則M的調(diào)度步驟為：

① QT={a1，a2，…，aS}，QD=Ф(空集);

② 如果QT為空，則退出;

③u=F(QT);

④如果存在一個(gè)t∈T(u)且t處于使能激發(fā)狀態(tài)，那么激發(fā)t，并轉(zhuǎn)⑦;

⑥ I(QD，u)，如果 QT為空，則 QT=QD且 N(QD)，轉(zhuǎn)步驟②;

⑦ 若QD不為空，則QT=u(QD，QT)并N(QD)，轉(zhuǎn)②。

依照上述步驟，首先對(duì)字符串v中所代表的任務(wù)依次進(jìn)行檢驗(yàn)，若任務(wù)能執(zhí)行，則立即執(zhí)行;若不能，則設(shè)法找到一個(gè)內(nèi)部操作序列，使依次輪到的任務(wù)能夠執(zhí)行。若這一點(diǎn)也不能實(shí)現(xiàn)，則將此任務(wù)移送到等待隊(duì)列QD中，一旦M的狀態(tài)發(fā)生了變化，再將QD按原次序送返QT中，并依次進(jìn)行檢驗(yàn)。這樣可盡可能按v中原來的次序執(zhí)行任務(wù)。

任務(wù)翻譯由Petri網(wǎng)翻譯器完成。它從組織級(jí)接收的字符串放到輸入帶D上開始翻譯，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。翻譯過程中，一旦D中的一個(gè)遷移t激發(fā)，Petri網(wǎng)便執(zhí)行一條基元事件a，也就意味著所選擇的控制串z∈σ(t，a)送到了各協(xié)調(diào)器。當(dāng)各協(xié)調(diào)器都到達(dá)各自終了狀態(tài)時(shí)，說明已完成了任務(wù)。

圖3 Petri網(wǎng)翻譯器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of Petri net translator

3 電流控制

3.1 電流的極板升降控制

依據(jù)負(fù)載特性，選擇模糊控制策略。由于常規(guī)二維模糊控制器是以誤差和誤差變化為輸入變量，因此只具有比例和微分控制作用，而缺少積分作用，故不能消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。為提高模糊控制精度，加入積分環(huán)節(jié)[7－8]，但需考慮加入的時(shí)機(jī)與條件。改進(jìn)的模糊PID控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 改進(jìn)的模糊PID控制器Fig.4 Improved fuzzy PID controller

圖4中，輸入量為電流偏差e、偏差變化ec，輸出量為極板升降時(shí)間量 u。e的基本論域?yàn)閇－4 800，+4 800](單位：A);ec基本論域由 ec(k)=e(k)－e(k－1)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)確定，這里k表示電流采樣時(shí)刻;u的基本論域?yàn)閇－200，+200](單位：s)。將實(shí)測(cè)值 e、ec以及u分別量化至[-6，+6]，再離散化、模糊化。模糊子集E、EC、U的論域均為[-6，－5，－4，－3，－2，－1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6]，在此論域上定義7個(gè)等級(jí)：負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大，表示為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。鑒于模糊規(guī)則解析式更利于規(guī)則在線修正和對(duì)偏差、偏差變化施加不同權(quán)重，有：U= －[αE+(1－α)EC] (2)式中：U為輸出量;α∈(0，1)為加權(quán)因子。

為了避免積分環(huán)節(jié)過早加入而產(chǎn)生極限環(huán)振蕩現(xiàn)象，需要選擇好積分加入時(shí)機(jī)。具體采用以下邏輯條件加以判定：當(dāng)|e|＜δ且 e×ec＞0或 ec=0且 e≠0時(shí)，對(duì)誤差進(jìn)行積分，其中δ為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差;當(dāng)e=0或e×ec＜0時(shí)，不對(duì)誤差積分。

3.2 電流的水位控制

如前所述，水位控制就是將活動(dòng)極板固定不動(dòng)，通過調(diào)節(jié)進(jìn)排水量來調(diào)節(jié)h，達(dá)到調(diào)節(jié)電流的目的。由于進(jìn)排水量與液位間存在積分關(guān)系，因此通過這一方式可將h的變化控制得非常微小，能有效避免系統(tǒng)慣性帶來的不利影響，因而可以達(dá)到很高的控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。但由于水阻池容積太大，要引起h微弱的變化需要足夠的進(jìn)、排水量，因此該控制方式所需的過渡過程時(shí)間較長(zhǎng)。針對(duì)這種狀況，在實(shí)際應(yīng)用中，主要采取盡量縮小水位控制范圍的辦法，即在極板控制進(jìn)入死區(qū)后方啟動(dòng)該控制器。此外，采用增加進(jìn)排水閥口數(shù)量以增大注排水量的方式，取得了一定效果。

為便于實(shí)現(xiàn)，水位控制與極板控制采取相同的模糊控制策略，即以電流偏差e和偏差變化率ec為輸入量，注排水電磁閥啟停時(shí)間量作為輸出量的模糊PID控制結(jié)構(gòu)。限于篇幅，在此不贅述。

3.3 水溫控制

電流調(diào)節(jié)時(shí)，由于水溫的上升，使水電阻降低，負(fù)載電流增大，從而令電流調(diào)節(jié)變得不確定。因此，試驗(yàn)過程中必須設(shè)法保持水溫穩(wěn)定，以確保電流調(diào)節(jié)僅由活動(dòng)極板浸水面積S這一變量所決定。傳統(tǒng)方式是通過專用冷卻設(shè)備不斷注入循環(huán)冷卻水，將水溫限制在沸點(diǎn)之下，以此維持水溫恒定[9－10]。但由于水溫控制范圍大且受試驗(yàn)設(shè)備成本高、體積龐大限制，傳統(tǒng)方式推廣起來十分困難。為此，本文采取在水箱不同位置點(diǎn)分別安裝4個(gè)溫度傳感器，通過水溫控制器實(shí)時(shí)采集各點(diǎn)水溫，并計(jì)算相互間溫差，然后根據(jù)溫差大小控制進(jìn)排水閥的啟閉。為增大進(jìn)、排水量，縮短調(diào)溫時(shí)間，現(xiàn)場(chǎng)安裝了3個(gè)進(jìn)水閥門、2個(gè)泄水閥門和溢水槽，通過對(duì)閥門數(shù)量及啟閉時(shí)間的控制來完成進(jìn)排水量的調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)恒定水溫控制。必須指出的是，在水溫冷卻調(diào)節(jié)過程中，需要保持水箱液面高度不變，以保證極板浸入水中面積基本不發(fā)生變化。

4 應(yīng)用實(shí)例

上述方案在國產(chǎn)DF4型內(nèi)燃機(jī)車架修中進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)為功率2 059 kW、最大電流4 800 A、最高電壓705 V、活動(dòng)極板總面積48 m2、水箱容積25 m3、活動(dòng)極板升降速度0.5(m·min－1)。

極板升降模糊PID控制器相關(guān)參數(shù)為ke=800、kc=12.10、ku=35.00，采樣時(shí)間 Ts=1 s、α =0.702、TI=0.037;水位模糊PID控制器相關(guān)參數(shù)為 ke=16、kc=11.54、ku=133.21，采樣時(shí)間為 Ts=1 s、α =0.435、TI=0.021;池內(nèi)水溫最大溫差控制在±4 K以內(nèi)。

在機(jī)車第16手柄位，利用本文控制器進(jìn)行了牽引發(fā)電機(jī)外特性調(diào)整試驗(yàn)，不同工況下部分電流的控制數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 部分電流控制數(shù)據(jù)表Tab.1 Partial current control data A

為驗(yàn)證文中方案的有效性，在機(jī)車第16手柄位分別與常規(guī)模糊控制器、PID控制器進(jìn)行了對(duì)比。電流為3 kA時(shí)，實(shí)際輸出結(jié)果如圖5所示。

圖5 輸出曲線Fig.5 Output curves

從圖5及表1看出，與其他控制器相比，文中設(shè)計(jì)的控制器在控制初期雖然有一定量超調(diào)，但后續(xù)調(diào)整速度快且過程平穩(wěn)，整個(gè)調(diào)整時(shí)間較原來平均縮短35%，電流控制精度也由過去的±50 A提高到±3 A。

5 結(jié)束語

本文闡述方案已應(yīng)用在國內(nèi)某機(jī)務(wù)段DF4型內(nèi)燃機(jī)車檢修試驗(yàn)中。結(jié)果表明，采用基于恒定水溫的電流Petri網(wǎng)協(xié)調(diào)級(jí)混雜遞階模糊PID控制方案是可行的，且控制快速穩(wěn)定，具有較強(qiáng)魯棒性，真正實(shí)現(xiàn)了負(fù)載電流高精度大范圍控制。該方案的運(yùn)用為解決機(jī)車試驗(yàn)中電流精確控制問題提供了一個(gè)新的方案。

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