基于模糊自适应PID的换流阀冷却控制系统.pdf

骞 、 I 訇 a ／ , 化 基于模糊 自适应P I D的换流阀冷却控制系统 Con ver t er r al v e cool i ng cont r ol sy s t em b ased on f uz z y adapt i ve PI D 刘大铭 ，马克军 L I U Da mi n g ． MA K e - j u n 宁夏大学 物理电气信息学院，银川 7 5 0 0 2 1 摘要 针对直流换流阀在使用的过程中出现因其发热量大，导致温度过高而造成器件性能恶化以 致损坏的问题，本文提出了基于参数自适应模糊P I D 的直流换流阀水冷系统的设计。通过从 热平衡理论的角度建立了直流换流阀冷却系统的数学建模；并对比常规P I D 控制和模糊自适 应P I D 控制对系统进行了仿真研究。理论分析和仿真结果表明 基于模糊自适应P I D 的直流 换流阀冷却系统比常规P I D 系统响应速度快，稳定性好。 关键词直流换流阀；模糊自适应P ID；数学模型 中图分类号T P 2 7 3 文献标识码B 文章编号1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 0 1 2 1 2 上 -o l 3 3 -0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ 1 ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 2 ． 1 2 卜 ． 4 2 0 引言 换 流阀是直流输 电工程的核心设备 ⋯，而 晶 闸管是换 流阀的核心部件 ，其功率密 度高，发热 量大 ，并且 电热耦合特性较 强，为 了保持温度均 衡和稳定 ，保证换流 阀稳定可靠 的工 作，在换流 阀控制 系统 中都使用 了制冷 和加热装置 ，从而保 证其高效率 、安全的运行。 从直流换流阀冷却 系统的温度控制 结构来看， 由于存在制冷和加热两个 不同的过程 ，所 以必然 是一个非线性时变 系统 ，采用常规 P I D难于适应 其控制要求。本文基 于模糊控制理论对 P I D控制 参数 进行 自整 定，建 立模糊 自适 应 P I D控制器 ， 进而对换流 阀的冷却水 的温度进行控制 ，能够克 服其非线性 的影 响，使 系统 的响应速度加快 ，稳 定性变好，并提高了整个 系统的鲁棒性 。 1 直流换流阀冷却系统数学模型的 建立 直流换流阀冷却系统是由换流 阀 晶闸管阀 、 加热器、散热器 以及连 接这三部分 的管路和管路 中冷却 水共 同构成的水循环温度控制 系统 ，当换 流阀 出口温度高于设定温 度时 ，散热器启动 ，开 始降温过程。当换 流阀 出口温度低于给定时 ，则 加热 器启动 ，开 始升 温过程 。最终就使得换流 阀 的温度 稳定在一个有利于其高效、安全运行 的范 围 内。 1 ． 1加热器的数学模型 假设 加热器 内部水的质 量为 m 。 k g ；水 的热 比容为 C J ／ K g - ℃ ；进出加热器的水流速为 a k g ／ s ；加热器散热 系数 为 k ；加热器外 表面面 积为 A ；加热器加热功率为P。 J ， 为环境温度。 则 经过时 间 时，加热 器 内的水吸 收的热量为 m。 c a 一 T o ，流经加热器的水带走的热量为 J c T 一 ’ ，加热器表面散失的热量为 k t A 一 T o a t ，加 热器加热量为 P d t 。 由电加热器的热平衡方程得 m 0 c a r , 一 T o j c T , 一 T 3 d t 4 一 T o d r P l d t 1 当环境温度相对稳 定时，对上式进行拉普拉 斯变换得到加热器的数学模型为 丝 2 mo c sJc E 1 A1 且令 P l K j U 1 其中 为加热器的功率； U 为控制量 。 1 ．2 散热器的数学模型 假设散热器中水的质量为 m k g ； 岛为散热器 的散系数 ； 为散热器的外表面面积。 则时间 后， 散热器内的水吸收的热量 为 m c d 一 ，流经散 热器的水带走的热量为 J dh一 ’ d t ，散热器的散 热量为 3 一 T o d r 。 由管式换热器的热平衡方程 m 1 c d T 3 一 t o J T 3 一 a t r 3 一 T o d t 0 3 收稿日期2 0 1 2 - 0 9 -1 7 基金项目宁夏 自然科学基金项 目基于神经网络的离心式压缩机节能优化控制研究 NZ l l 5 1 作者简介刘大铭 1 9 6 9 一，男，宁夏中卫人，副教授 ，硕士，主要从事智能仪器与过程控制工程研究。 第3 4 卷第1 2 期2 0 1 2 1 2 上 [ 1 3 3 l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务I 訇 化 当环境温 度相对 稳定时，对上式进行拉普拉 斯变换后 ，得到散热器的数学模型为 J c T 2 s A 3 T o s m cS Jc k1 A 4 且 A 3 BK2 u 1 其中， 为常数 ； 为比例 系数 ； U 为控制量。 1 ．3换流阀数学模型 假设 可换流 阀的热功 率为P J ，换流 阀的 散热系数 为 ，换流 阀的外表面面积为 。则时 间 后 ，换热器内部的水吸收的热量为 m， c d ． ，流经换热器的水带走的热量为 J c r - ’ ，换 热器外表面散失的热量为 一 T o d t ，换流阀产 生的热量为 P 2 d t 。 由换热器的热平衡方程得 m 2 c V o J T 2 一 。 d t Jj} 2 一 7 “o d t P 2 d t 5 当环境温度相对稳定时 ，则换 流阀的拉 普拉 斯变化式应为 互 6 m c s k A2 、 1 ． 4 管路数学模型【 3 】 在实 际系统 中管路 与外界 的热交换q l d , ，并 且管路 内水量也相对较少 ，所 以管路的热量消耗 可 以忽略不计。因此管路 的数学模型可近似为一 个纯滞后环节。即 ’ 1 ⋯ e 7 其中 ，r 与管路长度和水的流速有关。 2 模糊自适应P I D 控制 】 2 ． 1输入输出量的模糊化 本 系统 中，被控对象是冷却水流经换流阀的 出口时的温度，当温度偏差大于零时 ，控制器控 制加热器动作 ；当偏差小于零时 ，控制器控制散 热器动作。因此，设 E为温度误差 e的语言变量 ， E C为温度误差变化率 e c的语言变量。KP为比例 系数 的语言变量 ，KI 为积分系数 岛的语言变 量 ，K D 为微分系数 的语言变量 。采用 NB 负 大 ，NM负 中 ，NS 负 小 ，z o 零 ，P S 正 小 ，P M 正中 ，P B 正大 7个语 言变量值来描 述 E、 E C、K P 、KI 、K D。隶属度函数均为三角形 ， 清晰化算法采用的是加权平均法。 实 际 中 温 度 误 差 变 化 范 围 为 [ 一 1 0 ，1 0 ] ， 误 差 e的 论 域 取 [ 一 6 ，6 ] ， 则 其 量 化 因 子 为 一 一 。 ／ e m 一 e m 。 ， 即 Ke 6 ／ 1 0 0 ． 6； 误 差 变 化 率 e c的 变 化 范 围 为 [ 一 2 0 ，2 0 ] ，其 论 域 为 [ 一 6 ，6 ] ， 则 偏 差 变 化 率 e c的 量 化 因 子 K 6 ／ 2 0 0 _ 3 ；输出 、 z l k t 、 的论域均取 [ 0 ， 6 ] ； 的变化 范 围 [ 一 2 ． 0 ，2 ． 0 ] ； d k l 和 的变 化 范围为 [ 一 0 ． 2 ，0 ． 2 ] 。 2 ．2模糊控制算法设计 在模糊控制规则表 的设计过程 中，首先从 系 统 的稳定性 、响应速度、超调量和稳态精度等方 面考虑模糊控制器输入输 出之间的关系，同时根 据 P I D调节规律的参数整定规则和实际经验总结， 可得到关 于 ，A k , ， 的模糊控制规则如表 1 所示 。 模 糊 的 自调 算 式 为 ‘ ； 岛 ’ 岛； ％’ 。其 中 ‘ 、岛 、 ‘ 是模糊 P I D控制 器 的初值 ，该初值是根据常规 P I D中，经过整定后 得到 的 P I D参数 。而 、 岛 、 为 P I D参数的 校正值 。在线运行过程 中，控制 系统通过查模糊 规则表，不断地修正 P I D参数，从而实现 P I D控 制器参数 自整定及模糊 自调整。 表1 岛 的模糊规则表 e k p l dk k p NB NM NS Z0 PS PM PB NB PB， NB／ PS P B／ NB／ NS P M／ NB／ NB P M M／ NB PS ／ NS ， NB Z0／ ZO／ NM ZO／ Z0／ P S NM PB B／ PS PBNB／ NS PM ／ N NB P S ／ NS M PS ／ NS M Zof zo烈 s NS ， Z o／ Z O N S P M B， Z O P M ， NM ／ NS P M ， NS ， NM P S ／ NS ／ NM ZO／ ZO／ NS NS ／ P S ／ NS NS ／ P S／ Z 0 8 Z0 P M， NM， Z 0 P M／ NM， NS P S ／ NS ， NS ZO／ ZO， NS NS ／ PS ， NS NM／ P M／ NS NM／ P M／ ZO PS PS ／ NM／ Z0 PS ／ NS／ Z0 ZO／ Z0， ZO NS ／ PS I Z0 NS ／ P S ／ ZO NM／ P M／ Z0 NM／ P M， Z O PM PS／ Z0／ PB ZO／ ZO， NS NS ／ P S／ P S NM／ PS ／ P S NM／ P M／ P S NM ／ P B／ PS NB／ PB／ PB PB Z0， ZO B ZO／ Z0／ PM NM／ PS ／ P M NM／ P M／ P M NM／ P M／ P S NB／ P B／ P S NB／ PB／ PB [ 1 3 4 ] 第3 4 卷第1 2 期2 0 1 2 1 2 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、 l 訇 图1 模糊P I D换流阀冷却 系统 的仿真总 图 3 直流换流阀冷却系统的仿真 3 ． 1仿真模型的建立 分析 系统 中各个组 成部 分非 线性数 学模型 ， 在 Ma t l a b ／ s i mu l i n k环境 下建立换 流阀冷却 系统 的 仿真图如图 1 所示。 图中的被控对象选择是的换流 阀的出口温度 T 2 ，整个 系统构成一 个闭环 回路，P I D控制器对 T 2的给定值与反馈值 的偏差进行调节 ，从 P I D控 制器出来的控制信号 U ，通过 2个 s wi t c h开关分别 连接加热器和散热器。当控制信号 u O时，上面 的开关 s wi t c h的 1 号输入接通 ，则控制信号送往加 热器 ，控制加 热器加热 ；此时下面的开估 s wi t c h l 的 1号输入 也接通 ，送往 散热器 的信号是 0 ，也 即此时 散热器不动作。 当控制信号 u 0时，开关 s wi t c h的 3号输入接通 ，则送往加热器的信号是 0 ， 也即此时加热器不动作。同时开关 s wi t c h l的 3号 输入也接通 ，将控制信号 U送往散热器，散热器开 始动作。散热器和加热器的动作都影响到换流阀的 温度 T 2 ，从而达到调节 T 2的目的。 3 ． 2仿真结果分析【8 J 在课题研 究过程 中，分 别进行 了常规 P I D控 制 和 模 糊 自适 应 P I D控 制 的仿 真 ，P I D 比例 系 数 、 积 分 时 间 常 数 T i 、微 分 时 间 常 数 T D经 Z i e g l a r - Ni c h o l s 方法进行参数整定后，其值分别为 k } -- 1 0 0 ， k i 0 ．0 1 ， l 。仿真时， ， 岛 ， 作为 常规 P I D控制器的参数和模糊 P I D的初始化参数 ， 仿真 结果如 l 0所示。 从仿真 图 1 0可以看出，常规 P I D控制仿真得 到的 系统 的上升时 间为 2 0 0 s ；系统稳定时间为 5 0 0 S； 系统超调量为 5 0 ％。而模糊自适应 P I D控 制所得到的系统上升时间为 2 0 0 s ；系统稳定时间 为 4 0 0 s ；系统 超调 量为 0 ％。 系统最 终稳 定在 3 0 ． 2 ℃，很平稳 ，无波动。故常规 P I D控制器仿真 结果和模糊 自适应 P I D仿真结果相较而言 ，模糊 图2 仿 真结果对比 P I D控 制的直流换流 阀冷却 系统 要比常规 P I D控 制的直流换流 阀冷却 系统超调量小、响应速度快 、 稳定时间短、控制结果更平稳。 4 结束语 本 文从机理角度建立 了直流换流阀冷却系统 各个模 块 的数 学 模型 包括 加热 器，散 热器 ， 换流阀 ，管路 ；并在此基础上使用 s i mu l i n k软件 建立了系统的仿真模型 ，对 比分析了采用常规 P I D 和模糊 自适 应 P I D两种不 同的控制算法的仿真 结 果。从仿真结果表 明基于模糊 自适应 P I D控制的 直流换 阀流冷却 控制系统，其响应速度较快 ，减 小了系统的超调量，提高 了系统 的稳定性 ，具 有 更好的动态控制性能。 参考文献 [ 1 】韩冬， 何闻． 基于A NS YS 的大功率晶体管散热器的研究[ J ] ． 机电工程， 2 0 0 7 ． 1 2 4 ． [ 2 ]支淼川． 电力电子设备水冷散热器 的数值 模拟[ D ] ． 华北 电力大学， 2 0 0 6 ． [ 3 】孙洪程， 李大字， 等． 过程控制工程[ M】 ． 高等教育出版社 2 0 0 6 ． [ 4 ]董红生． 模糊 自适应尸旧控制器的设计[ J ] ． 仪器仪表用 户， 2 0 0 5 3 1 8 2 0 ． [ 5 ]李春光， 孙朝霞． 模糊 自适应P I D控制方法研究与仿真 【 下转 第1 4 1 页】 第3 4 卷第1 2 期2 0 1 2 1 2 上 [ 1 3 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l lI8 化 带式输送机程序流程 ，结合定义好的功能块 ，编写 带式输送机梯形 图程序 ，并编译生成 目标代码，通 过以太 网下载到 3 C 2 4 1 0微处理器中。 图3主程序流程图 2 ．3带式输送机软P L C 运行系统软件设计 软 P L C具 有 传统 P L C的 特 点，按 照 输入 采 用 、程序执行和输 出刷新三个阶段 周期扫描。软 P L C运 行系统被作 为 v x wo r k s 操作 系统 上的一个 任务来执 行。所 以运行 系统设计过程 中，先需完 成 v x wo r k s 操作 系统 在 3 C 2 4 1 0微处理器 中的移 植 ，然后编写功能模块 的驱动程序。在编程 系统 中定义的某些地址的物理 I ／ O变量 ，可以通过 I ／ O 过程映像 ，映射到段表 的某一个地址 ，这样实现 外 围硬件 与映像 区的数 据存取 。具体通过修改 函 数 E n v R e a d P r o c I mg 和函数 E n v Wr i t e P r o c I mg 。 A D7 8 7 4功能模块的实现 i f d e f L ZS DS AL I G NME N￡2 d e fi n e O UT P UT 1 0 x 0 6 ／ ／ 温度 d e fi n e O UT P UT 1 0 x 0 b ／ ／ 速度 d e fi n e O UT P UT 1 0 x 0 b ／ ／ 电流 d e fi n e O UT P UT 1 0 x 1 4 ／ ／ 煤位 e n d i f L Z S B YT E AD7 8 7 4 F B F u n c t i o n v o i d ／ ／ 功 能块 函数 { ⋯⋯ ． R e a d f d l ， b u ff e r , s e 1 ； ／ ／ 读取采集数据 S E T DI NT OU T P UT 1 ， b u ff e r ； ／ ／ 把数 据放入 I ／ O映像表输 出段 S E T DI NT O UT P UT 2 ， b u f f e r 4 ； S E T DI NT O UT P UT 3 ， b u ff e r 8 ； S E T DI NT O UT P UT 4 ， b u ff e r 1 2 ； R e t u m k l e c o k ； } 3 测试结果 基 于嵌入式软 P L C的带式输送机控制 系统在 实验室完成功能模块测试 后，又在煤矿现场对该 控制 系统中的每个模块进行验证。在验证测试中， AD7 8 7 4采集 到的温 度、速度 、电流、煤 位所 对 应的电压信 号，经过 以太 网通信传输到编程系统 的调试 与输 出窗 口，其显示的数据与传感器输 出 的实际电压值是一致 的。在通讯模块验证试验中， 收发的数据 都很正常。 目前 ，带 式输 送机控 制系 统现已在龙江煤矿投入使用 ，运行效果良好。 4 结束语 基于嵌入式软 P L C的带式输送机控制 系统 由 于采用 了高性能 的 3 C 2 4 1 0微处理器以及使用了 I E C 6 1 1 3 1 3标准的编程语言 ，其 系统具 有较 高的 开放性和兼容性 ，跟传统的 P L C比较具有较高的 性价 比。该控制 系统 已经在煤矿、矿 山等企业中 得到较好应用。 参考文献 [ 1 】宋伟刚． 通用带式输送机设计[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ． 2 0 0 6 ． [ 2 ]杨凌霄， 崔永涛 ． 基于C AN总线 的带 式输送机实时 综合 检测和保护系统[ J ] ． 制造业自动化， 2 0 1 0 ， 4 ． [ 3 ]贺无 名， 余 强国． 基于嵌 入式软P L C的矿井 提升机控 制 系统设 计[ J ] _ 煤矿机械， 2 0 1 1 ． 6 2 4 4 2 4 6 ． [ 4 ]江连海 ． 嵌入 式挖制 系统 开发平 台上软P L C的实现[ D] ． 武汉 华 中科技大 学， 2 0 0 5 ． 童‘ 岛‘ 岛‘ ，{出 {盘‘ 重‘ 曼● {量I 蠢‘ 矗‘ ‘ ． 岛‘ 蠡‘ {矗‘ 出 {蠢‘ 矗{盘● 重‘ {岛‘ ， ．． } 【 上接第1 3 5 页】 [ J ] _ 长 春师范学院学报 自然科学版 ， 2 0 1 1 ， 2 4 5 4 7 ． [ 6 ]朱军伟， 基于模糊 自适应P I D算法的饮料灌装温度与液 位控制 【 D】 ． 东华大学， 2 0 1 1 ． [ 7 ]陶永华， 尹怡欣， 葛芦生． 新型P I D控制及其应用[ M】 ． 北 京 机械工业 出版社 ， 1 9 9 8 ． [ 8 ]王 正林 ， 郭 阳宽． 过程控制 与S i mu l i n k 应用 [ M】 ． 电子工业 出版社 ． 2 0 0 6 ． [ 9 ]T h e a d a p t i v e c o n t r o l o f n o n l i n e a r s y s t e m u s i n g t h e T - S K f u z z y l o g i c k r a t mu e l l e r , M a r t i n ACT A P OL YT ECH N I CA HUNGARI C A ． ， 第3 4 卷第1 2 期2 0 1 2 1 2 上 1 1 4 1 1 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m