， ，

(1.空軍雷達(dá)學(xué)院 軍械通用裝備系，武漢 430019；2.海軍工程大學(xué) 船舶與動(dòng)力學(xué)院，武漢 430033)

現(xiàn)代船舶電站調(diào)頻調(diào)載裝置普遍采用基于功頻差綜合信號(hào)的PI控制策略和脈寬調(diào)制技術(shù)，在負(fù)荷大幅度變動(dòng)時(shí)，首先由原動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行一次調(diào)頻，然后再由調(diào)頻調(diào)載裝置進(jìn)行二次調(diào)頻。由于PID控制器本質(zhì)上屬于線性控制器，其控制參數(shù)是針對(duì)額定工況點(diǎn)附近而整定的，對(duì)于具有大慣性、大滯后以及非線性的被控對(duì)象，固定的比例系數(shù)和積分系數(shù)難以滿足不同工況下調(diào)節(jié)過程都達(dá)到優(yōu)化的要求，調(diào)節(jié)過程易出現(xiàn)因參數(shù)設(shè)定不當(dāng)而導(dǎo)致超調(diào)量過大或調(diào)節(jié)時(shí)間過長(zhǎng)的現(xiàn)象。

本文將模糊控制策略應(yīng)用于船舶汽-柴并車型電站系統(tǒng)的調(diào)頻調(diào)載控制中，采用高可靠性、耐惡劣環(huán)境的可編程控制器PLC，實(shí)現(xiàn)一體化的自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載。同時(shí)，通過硬件在環(huán)仿真，對(duì)PLC模糊頻載調(diào)節(jié)器的有效性進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 模糊頻載調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方案

目前，調(diào)頻調(diào)載方案絕大多數(shù)為虛有差法[1]。虛有差法可實(shí)現(xiàn)原動(dòng)機(jī)外特性線的相應(yīng)平移，使并聯(lián)運(yùn)行各機(jī)組的頻率以及有功功率分配差度保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。

模糊控制可進(jìn)一步提高異型原動(dòng)機(jī)聯(lián)合電站的頻載調(diào)節(jié)效果。作為智能控制分支之一的模糊控制，具有魯棒性強(qiáng)、響應(yīng)快、易修正、不需系統(tǒng)模型的特點(diǎn)，其動(dòng)態(tài)特性好，上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間較短，可以平滑地到達(dá)穩(wěn)態(tài)。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(rèn)為是PD控制器，其抗干擾效果差，同時(shí)可能導(dǎo)致較大靜差。為增強(qiáng)抗擾動(dòng)能力和減小靜差，本文在頻載調(diào)節(jié)中綜合了傳統(tǒng)控制技術(shù)和智能控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，采用模糊控制和PI調(diào)節(jié)的共同作用，見圖1。試驗(yàn)表明，其減小靜差和提高穩(wěn)定性的效果明顯。

圖1 PI-模糊控制器

2 PLC頻載調(diào)節(jié)器硬件

可編程序控制器控制技術(shù)用于船舶電站的自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載，具有可靠性高、抗干擾強(qiáng)、便于維護(hù)、便于改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)[2]。本文所用可編程序控制器選用日本三菱公司生產(chǎn)的FX2N微型PLC，其基本指令執(zhí)行時(shí)間高達(dá)0.08 μs，內(nèi)置的用戶存儲(chǔ)器為8 k步，有多種特殊功能模塊或功能擴(kuò)展板，機(jī)內(nèi)有時(shí)鐘，PID指令用于模擬量閉環(huán)控制。采用CFX-GP/WIN-C軟件進(jìn)行編程和調(diào)試。

頻率信號(hào)測(cè)量將轉(zhuǎn)速脈沖進(jìn)行電平變換后送入PLC高速計(jì)數(shù)器接口X0、X1，利用定時(shí)中斷獲取轉(zhuǎn)速脈沖的讀數(shù)，然后利用定時(shí)時(shí)間間隔計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

發(fā)電機(jī)功率檢測(cè)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(duì)每一通道，可以規(guī)定輸入類型。

PLC通過對(duì)綜合偏差信號(hào)的計(jì)算，由高速脈沖輸出口輸出PWM信號(hào)調(diào)節(jié)汽輪發(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，完成頻載調(diào)節(jié)。

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(zhuǎn)化為模糊量，送給模糊控制器進(jìn)行處理，模糊控制器根據(jù)控制規(guī)則決定的模糊關(guān)系，應(yīng)用模糊推理合成算法得出輸出的模糊量，再經(jīng)過模糊判決，給出輸出控制量的精確值。為克服實(shí)時(shí)計(jì)算量大、耗時(shí)多的缺點(diǎn)，PLC模糊控制器首先通過離線計(jì)算取得模糊控制表，然后將控制表存放到PLC內(nèi)存中，實(shí)際控制時(shí)通過軟件查表的方式取得相應(yīng)控制值[3]。

本文的模糊控制器將頻差功差綜合偏差信號(hào)e及其變化率Δe作為輸入語言變量。根據(jù)PLC頻率和功率的實(shí)測(cè)變化結(jié)果，設(shè)系統(tǒng)偏差e的基本論域?yàn)閇-250，250]，偏差變化率Δe的基本論域?yàn)閇-50，50]，控制量u的基本論域?yàn)閇-12，12]，這里的“-”號(hào)意思是發(fā)出減速信號(hào)，并不是說脈沖的寬度本身為負(fù)值。各論域所分的等級(jí)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(shù)取三角形函數(shù)。實(shí)際運(yùn)行的在線查表模糊控制器需要進(jìn)行模糊量化取整，一旦實(shí)測(cè)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(shí)，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(yùn)算采用觸點(diǎn)比較指令[4]實(shí)現(xiàn)。

模糊控制規(guī)則的確定原則是使系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動(dòng)、靜態(tài)特性達(dá)到最佳。利用典型的頻載調(diào)節(jié)輸出響應(yīng)曲線制定控制規(guī)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(jù)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(gè)控制循環(huán)對(duì)系統(tǒng)的輸入進(jìn)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(yīng)論域X、Y中的元素；

3)從控制表中查找X和Y對(duì)應(yīng)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(shí)際的控制量u。

圖2 查詢模糊控制表梯形圖

PLC模糊頻載調(diào)節(jié)的程序運(yùn)行框圖見圖3。在進(jìn)行初始化及模糊控制表存儲(chǔ)等工作后，PLC在每一個(gè)循環(huán)測(cè)量機(jī)組的頻率和功率信號(hào)，并計(jì)算綜合偏差信號(hào)k1Δf+k2ΔP。當(dāng)出現(xiàn)較大功頻擾動(dòng)時(shí)，PLC頻載調(diào)節(jié)在動(dòng)作之前延時(shí)5 s，等待原動(dòng)機(jī)調(diào)速器動(dòng)作之后，若仍有較大的偏差時(shí)再進(jìn)行調(diào)節(jié)。即應(yīng)判斷偏差信號(hào)存在5 s以上才進(jìn)行調(diào)節(jié)，若偏差信號(hào)在5 s內(nèi)變化至死區(qū)(不動(dòng)作區(qū))內(nèi)，則PLC頻載調(diào)節(jié)器不動(dòng)作。頻載調(diào)節(jié)以綜合偏差信號(hào)的PI運(yùn)算和模糊運(yùn)算的綜合結(jié)果對(duì)調(diào)速脈沖信號(hào)的寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)頻率大于50.5 Hz時(shí)，綜合信號(hào)作用只作減速，而對(duì)加速進(jìn)行閉鎖，當(dāng)頻率小于49.5 Hz時(shí)，綜合信號(hào)只能加速，而對(duì)減速進(jìn)行閉鎖。

圖3 PLC模糊頻載調(diào)節(jié)程序框圖

4 硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)

采用硬件在環(huán)仿真方式研究PLC模糊調(diào)頻調(diào)載裝置的工作可靠性及控制策略的調(diào)節(jié)效果。硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、PLC模糊頻載調(diào)節(jié)器及電平轉(zhuǎn)換電路等組成。

工控機(jī)完成柴油發(fā)電機(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型的快速仿真計(jì)算，得出相應(yīng)工況的轉(zhuǎn)速(頻率)、功率等數(shù)值，通過NI公司多功能數(shù)據(jù)采集卡PCI6221并經(jīng)過信號(hào)和電平轉(zhuǎn)換電路將信號(hào)電平升高至PLC的輸入電平24 V后，送入PLC模糊調(diào)頻調(diào)載裝置。PCI6221模擬通道將汽輪發(fā)電機(jī)/柴油發(fā)電機(jī)模型的功率信號(hào)輸出至PLC的模擬輸入模塊。PCI 6221數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)數(shù)器可生成兩路1～60 kHz的方波信號(hào)，模擬普通磁電式轉(zhuǎn)速傳感器或數(shù)字編碼器產(chǎn)生的機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)，該轉(zhuǎn)速信號(hào)送至PLC高速計(jì)數(shù)器接口X0、X1。

PLC計(jì)算出頻率和功率的綜合偏差信號(hào)，再經(jīng)頻調(diào)載控制算法產(chǎn)生控制柴油機(jī)、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的PWM調(diào)節(jié)信號(hào)反饋至工控機(jī)，對(duì)柴油發(fā)電機(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)組并機(jī)模型的頻載進(jìn)行調(diào)節(jié)，完成硬件在環(huán)仿真。

利用工控計(jì)算機(jī)計(jì)算提取柴油發(fā)電機(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特征參數(shù)，并在計(jì)算機(jī)屏幕上直觀顯示調(diào)試參數(shù)和調(diào)試曲線，使其具備準(zhǔn)確的性能分析和直觀圖示能力，以準(zhǔn)確判定調(diào)頻調(diào)載裝置的性能和控制策略的作用效果。

仿真系統(tǒng)軟件采用美國(guó)NI公司的LabVIEW[5]及控制和仿真設(shè)計(jì)工具包。采用LabVIEW軟件,能實(shí)現(xiàn)虛擬儀器方式的數(shù)據(jù)測(cè)試、測(cè)量和實(shí)時(shí)顯示，可定量確定PLC調(diào)頻調(diào)載控制器的工作狀態(tài)。LabVIEW仿真模塊能對(duì)線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。將汽輪發(fā)電機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型置于LabVIEW的仿真循環(huán)中，并建立與板卡硬件的I/O聯(lián)系后，即能利用發(fā)電機(jī)組仿真模型考核實(shí)際的PLC模糊頻載調(diào)節(jié)裝置。在硬件在環(huán)仿真中，要求硬件I/O的采樣時(shí)間與仿真步長(zhǎng)一致。

利用某型船舶異型機(jī)組的數(shù)學(xué)模型[6]對(duì)PLC模糊頻載調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行研究。其中汽輪發(fā)電機(jī)組額定功率為1 200 kW，柴油發(fā)電機(jī)組額定功率為600 kW。當(dāng)負(fù)荷擾動(dòng)為1 200 kW時(shí)，PLC模糊頻載調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)曲線見圖4～6。

圖4 汽輪發(fā)電機(jī)組功率變化曲線

圖5 柴油發(fā)電機(jī)組功率變化曲線

圖6 機(jī)組頻率變化曲線

由圖可見，負(fù)荷擾動(dòng)首先由調(diào)速器進(jìn)行調(diào)節(jié)(設(shè)定原動(dòng)機(jī)模型的調(diào)差系數(shù))，為更清楚地觀察兩者的作用效果，在調(diào)速器作用10 s后頻載調(diào)節(jié)裝置投入工作，可見，采用PI-模糊控制策略后，頻載調(diào)節(jié)獲得了較好結(jié)果，超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，收斂快，調(diào)節(jié)過程平穩(wěn)。穩(wěn)定時(shí)，汽輪機(jī)承擔(dān)的負(fù)荷為808.627 kW(見圖4)，柴油機(jī)承擔(dān)的負(fù)荷為392.193 kW(見圖5)，頻率得到恢復(fù)(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(wěn)定。

5 結(jié)論

1)在Matlab數(shù)學(xué)仿真的基礎(chǔ)上，利用PLC實(shí)現(xiàn)了模糊頻載調(diào)節(jié)模塊，探討了基于FX2N微型PLC的軟硬件實(shí)現(xiàn)方案。

2)基于LabVIEW建立了硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，對(duì)PLC智能頻載調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，所采用的控制方法超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)誤差小，能有效改善船舶電站的頻率穩(wěn)定性和負(fù)荷分配效果。

3)利用PLC實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組頻載調(diào)節(jié)裝置，能提高裝置的可靠性和一體化水平。但對(duì)于更為復(fù)雜的控制策略的實(shí)現(xiàn)，則顯得靈活性不足。

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