馮　鑫，何新霞

(中國石油大學(xué)(華東)信息與控制工程學(xué)院，山東 青島　266580)

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基于模糊PID的海洋立管疲勞試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮鑫，何新霞

(中國石油大學(xué)(華東)信息與控制工程學(xué)院，山東 青島266580)

海洋立管作為海洋油氣開發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備，在運(yùn)行期間面臨疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)立管進(jìn)行疲勞試驗(yàn)；針對(duì)海洋立管共振彎曲疲勞試驗(yàn)法，提出基于 S7-300 PLC實(shí)現(xiàn)海洋立管共振彎曲疲勞試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想；采用黃金分割法，尋找確定試件共振頻率點(diǎn)；同時(shí)，為保障系統(tǒng)能夠在該共振頻率點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，采用S7-300 PLC作為核心控制器，結(jié)合參數(shù)自調(diào)節(jié)模糊PID控制算法，設(shè)計(jì)完成疲勞試驗(yàn)裝置中轉(zhuǎn)速模糊PID控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的精確控制，使得海洋立管疲勞試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)在具有PLC控制靈活、可靠性高等特點(diǎn)的同時(shí)，大大提高了其自動(dòng)化程度。

立管；疲勞試驗(yàn)裝置；共振彎曲；黃金分割法；模糊控制；PLC

0　引言

立管是海洋油氣開發(fā)的關(guān)鍵裝備，在運(yùn)行期間，會(huì)因波浪、海流等因素的作用，在立管兩側(cè)形成脫離頻率與立管固有頻率相同的漩渦[1]，引起立管的強(qiáng)烈震動(dòng)，使得立管面臨疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)。

為了精確地預(yù)報(bào)和提高立管疲勞壽命，需要對(duì)立管進(jìn)行疲勞試驗(yàn)[2]。目前，國內(nèi)外立管結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)方法主要包括四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)法、旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)法和共振彎曲疲勞試驗(yàn)法。本文選用的共振彎曲疲勞試驗(yàn)法優(yōu)點(diǎn)在于試驗(yàn)頻率高，可大大減少試驗(yàn)時(shí)間，在試驗(yàn)時(shí)只需控制立管試件在其固有頻率振動(dòng)。鑒于此，本文以西門子S7-300PLC為核心控制器[3]，變頻器和異步電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)建立疲勞試驗(yàn)平臺(tái)，首先采用黃金分割法搜尋立管共振頻率，然后利用參數(shù)自調(diào)節(jié)模糊PID控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制，完成對(duì)試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)的高效、精確控制。

1　共振彎曲疲勞試驗(yàn)原理

圖1為海洋立管共振彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)控制結(jié)構(gòu)示意圖。由計(jì)算機(jī)、PLC、變頻器、連有旋轉(zhuǎn)編碼器的異步電機(jī)、偏心質(zhì)量塊、動(dòng)載室、靜載室和支撐座構(gòu)成。PLC為核心控制器，電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，帶動(dòng)偏心質(zhì)量塊旋轉(zhuǎn)，動(dòng)載室將偏心質(zhì)量塊引起的離心力傳遞至立管試件，通過不斷地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，測(cè)得各個(gè)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值，認(rèn)為應(yīng)變值最大對(duì)應(yīng)的頻率為立管試件共振頻率，并控制電機(jī)在此共振頻率點(diǎn)恒速穩(wěn)定運(yùn)行[4]。

在確定立管試件時(shí)，需先進(jìn)行模態(tài)分析，確保試件的一階固有頻率在20～40 Hz。若試件固有頻率過低，試驗(yàn)時(shí)間將會(huì)延長(zhǎng)，失去了該方法的優(yōu)勢(shì)；若立管試件固有頻率過高，超過50 Hz，由于電機(jī)與試件之間沒有加、減速裝置，立管共振頻率即為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率,這時(shí)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求就超過了3 000 r/min，異步電機(jī)型號(hào)難以確定。

圖1　共振疲勞試驗(yàn)機(jī)控制結(jié)構(gòu)圖

2　黃金分割法尋優(yōu)

由于立管試件結(jié)構(gòu)和材料的不同，每根立管的固有頻率也是不同的，因此在試驗(yàn)時(shí)都需要先確定試件的固有頻率，為疲勞試驗(yàn)裝置提供一個(gè)明確的控制目標(biāo)。

黃金分割法是控制尋優(yōu)的典型算法，適用于區(qū)間[a,b]上的一維單谷函數(shù)求極小值問題，該方法以尋優(yōu)速度快，算法簡(jiǎn)單，效果明顯著稱。其基本原理是：按照“去劣存優(yōu)”原則、對(duì)稱原則、以及等比收縮原則來逐步收縮搜索區(qū)間[5-6]。本文將其改進(jìn)，運(yùn)用黃金分割法尋找函數(shù)極大值，用以判斷海洋立管的共振頻率點(diǎn)。具體流程圖如圖2所示。

圖2　黃金分割法控制流程圖

初始頻率分割區(qū)間為[fa0,fb0]，根據(jù)黃金分割法基本思想，在該區(qū)間上取兩個(gè)點(diǎn)X10和X20，使?jié)M足：

測(cè)量這兩點(diǎn)的應(yīng)變值S1和S2，通過比較應(yīng)變值S1和S2的大小確定出新的頻率區(qū)間。如此反復(fù)進(jìn)行，每次搜索后區(qū)間將按照黃金比例0.618來縮小，而應(yīng)變最大值都會(huì)包含在新區(qū)

間內(nèi)。這樣不斷的優(yōu)化，直到滿足預(yù)先設(shè)置好的精度，選擇最后一個(gè)頻率區(qū)間的中點(diǎn)作為最優(yōu)值，即為立管的共振頻率點(diǎn)。

3　疲勞試驗(yàn)裝置模糊PID控制的PLC實(shí)現(xiàn)

立管試件固有頻率確定后，需控制試驗(yàn)裝置帶動(dòng)試件在該頻率點(diǎn)穩(wěn)定振動(dòng)。由于交流電機(jī)是一個(gè)非線性時(shí)變的控制對(duì)象，很難獲得準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，常規(guī)閉環(huán)PID控制不能獲得極佳的控制效果。

為此，本設(shè)計(jì)選用型號(hào)為CPU314C-2DP的西門子PLC為核心控制器，與模糊PID控制算法相結(jié)合，采用直接查表方式(即先通過MATLAB進(jìn)行模糊PID控制器離線設(shè)計(jì)，獲得模糊控制查詢表，再利用PLC在線查詢的方式)來實(shí)現(xiàn)參數(shù)自調(diào)節(jié)模糊PID控制器的設(shè)計(jì)。

3.1模糊PID控制器設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速參數(shù)自調(diào)節(jié)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，選定的模糊控制器采用二維模糊控制器[7]，輸入變量均為轉(zhuǎn)速誤差e和轉(zhuǎn)速誤差的變化率ec，輸出變量分別為PID控制器比例系數(shù)Kp的調(diào)節(jié)量ΔKp、積分系數(shù)Ki的調(diào)節(jié)量ΔKi和微分系數(shù)Kd的調(diào)節(jié)量ΔKd。與PID各參數(shù)的初值相加，得到一個(gè)控制變頻器輸出控制量，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速。

圖3　參數(shù)自調(diào)節(jié)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖

設(shè)定模糊語言變量E和EC的模糊論域均為[-6,6]，輸出模糊語言變量dKp、dKi和dKd的模糊論域均為[-10，10]?？紤]到實(shí)現(xiàn)的快速性，模糊語言的子集E、EC、dKp、dKi和dKd均為{負(fù)大(NP),負(fù)中(NM),負(fù)小(NS),零(ZO)，正小(PS),正中(PM), 正大(PB)}。根據(jù)控制要求,按照上述模糊變量論域量化等級(jí)，建立模糊控制規(guī)則表[8-9]，如表1所示。進(jìn)而可得到模糊控制查詢表，如表2所示。

利用MATLAB建立系統(tǒng)仿真模型，常規(guī)PID控制與參數(shù)自調(diào)節(jié)模糊PID控制進(jìn)行對(duì)比仿真研究。電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 000 r/min，t=2.5 s系統(tǒng)受到擾動(dòng)。轉(zhuǎn)速仿真波形如圖4所示。

表1　模糊控制規(guī)則表

表2　模糊控制查詢表

圖4　系統(tǒng)仿真模型圖

結(jié)果表明，采用參數(shù)自調(diào)節(jié)模糊PID控制比常規(guī)PID控制超調(diào)小，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)間短，且魯棒性得到明顯增強(qiáng)。

3.2PLC程序設(shè)計(jì)

在整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，PLC模糊控制器程序的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。其控制程序流程圖如圖5所示。

可以看出模糊控制器程序設(shè)計(jì)[10]包含以下5個(gè)步驟：①編碼器等測(cè)量部件將轉(zhuǎn)速反饋值和設(shè)定值傳給PLC，PLC定時(shí)的計(jì)算出誤差e和誤差變化率ec。②將誤差e和誤差變化率ec分段模糊化為E和EC。③根據(jù)MATLAB仿真得到輸出模糊語言變量dKp、dKi和dKd的查詢表，建立共享數(shù)據(jù)塊存儲(chǔ)模糊數(shù)據(jù)。④由E和EC查詢共享數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)，確定當(dāng)前的輸出模糊語言變量dKp、dKi和dKd的值，并乘以各自的量化因子得到PID控制器各參數(shù)的調(diào)節(jié)量。⑤最后通過西門子S7-300的PID控制模塊輸出控制值，實(shí)現(xiàn)對(duì)疲勞試驗(yàn)裝置的控制。

3.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

調(diào)試過程中，PLC分別采用常規(guī)PID控制算法和模糊PID控制算法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行對(duì)比控制。模糊控制器的誤差量化因子Ke=6/1 410，誤差變化率量化因子Kec=6/30，輸出的比例量化因子KU1=0.03，輸出的積分量化因子KU2=50，輸出的微分量化因子KU3=10；PID控制器的各初始值分別為p=0.7，i=2 000，d=200。利用WINCC監(jiān)控，其試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，其中圖(a)采用了常規(guī)PID控制算法，圖(b)采用了模糊PID控制算法。

圖6　WINCC監(jiān)控圖

從圖6可以看出：(1)采用常規(guī)PID控制算法的電機(jī)需要1分鐘的時(shí)間到達(dá)設(shè)定轉(zhuǎn)速；而在模糊PID控制下的電機(jī)只需40多秒就能達(dá)到設(shè)定值，響應(yīng)速度明顯比常規(guī)PID控制的快。(2)在電機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速直線上升，這個(gè)過程模糊PID控制算法和常規(guī)PID控制算法的控制效果基本一致。(3)在4～10 s時(shí)，采用常規(guī)PID控制的電機(jī)，轉(zhuǎn)速存在微弱的波動(dòng)；而模糊PID算法控制下的電機(jī)不存在這種現(xiàn)象。(4)在10 s之后的時(shí)間段，采用模糊PID控制的電機(jī)轉(zhuǎn)速上升速度明顯比常規(guī)PID控制的快。綜其原因在于模糊PID控制的系統(tǒng)可以在線實(shí)時(shí)修改參數(shù),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要對(duì)PID各參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，使得系統(tǒng)控制更加靈活高效，更好地滿足了共振彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)穩(wěn)定，快速的性能要求。

4　結(jié)論

本文結(jié)合海洋立管共振彎曲疲勞試驗(yàn)法，采用黃金分割法快速尋找到試件共振頻率點(diǎn)，有效的提高了試驗(yàn)裝置的效率。同時(shí)，將模糊控制與PLC技術(shù)相結(jié)合，采用MATLAB離線設(shè)計(jì)和PLC在線查詢的方法實(shí)現(xiàn)模糊PID控制器的設(shè)計(jì)，使得立管共振彎曲疲勞試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)既具有了PLC控制靈活、可靠、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，又大大提高系統(tǒng)自動(dòng)化程度。

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Design of Marine Riser Fatigue Testing Machine Control System Based on Fuzzy PID

Feng Xin, He Xinxia

(College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum(East China),Qingdao266580,China)

During operation marine riser is susceptible to fatigue failure, so riser fatigue tests should be carried out. The design concept of realizing marine riser resonant bending fatigue testing machine control system by using S7-300 are fully described. Golden section method is used to find the resonance frequencies of the specimen. Meanwhile, in order to make the system running at resonant frequencies, the S7-300 PLC is taken as the core controller and combined with the parameters self- adjusting fuzzy PID algorithm to design Fuzzy PID controller. It is not only own the control characteristics of flexible and reliable of PLC, but also greatly improved the automation level of the marine riser testing machine control system.

riser; fatigue testing machine; resonant bending; golden section; fuzzy control; PLC

2015-07-27；

2015-09-17。

國家科技重大專項(xiàng)課題(2011ZX05026-001-05)。

馮鑫(1991-)，男，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，主要從事電力電子與電力傳動(dòng)方向的研究。

何新霞(1966-)，女，河南滑縣人，副教授，碩士，主要從事油氣測(cè)控技術(shù)、電力傳動(dòng)及控制系統(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2016)01-0119-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.033

TP273+.4

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