基于模糊自适应PID的低温氦透平控制系统设计

黄金霖，张 莉，史 然

低温技术是国家现代化建设中不可或缺的技术，低温氦透平系统是低温制冷控制系统，需要保证温度在受到干扰时能够快速回到用户所需要的温度［1］.上世纪80年代美国开始研制制冷机，并于1998年用在望远镜上［2］.国内对于制冷机的研究起步较晚，研究人员着重研究了透平机械性能，中科院对透平膨胀机作了大量研究，获得大量数据［3］.而温度控制是透平膨胀机的重要控制参数，同时温度具有非线性、滞后性等特点，难以建立精确的数学模型，本研究考虑将模糊自适应控制与PID控制结合起来，对温度进行优化控制.

本文以氦透平系统中温度控制为核心，提出采用模糊自适应PID算法进行优化控制，以西门子S7-300为核心，进行硬件配置并设计STEP7程序.

1 低温氦透平控制系统

低温氦透平控制系统主要由压缩机、过滤器、纯度检测仪、真空度检测仪、透平机、冷气设备等组成［4］.氦气在压缩机启动后经过过滤器对杂质进行清除，随后进行纯度和真空度检测，满足要求后经换热器实现初步遇冷.再进入透平机制冷，温度检测合格后供给用气系统，使用完成后若透平机还在运行，则气体在系统中循环流动实现回收利用［5］，其工艺流程如图1所示.

图1 氦透平控制系统工艺流程图

2 模糊自适应PID控制器设计

PID调节器将偏差的比例、积分、微分通过线性组合成控制量［6］，表达式为

式中：U(t)为控制器输出，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，TD为微分时间常数.

对式（1）进行离散化处理，微分方程被数字形式的差分方程代替［7］，可得

增量式PID控制算法是使用最多的，算式为

式中k为采样序号，Ki=KpT/Ti，Kd=KpTd/T.

传统PID参数调节方法确定的参数值修改不方便，自适应PID控制能够实时调整参数，实现对参数在线自整定.本文将模糊算法加入到自适应算法中，以用户最终需要的温度偏差e和偏差变化率ec作为输入量，在线检测数据后，经模糊控制算法得到PID参数值，从而适应e和ec的变化.控制器结构如图2所示.

图2 模糊自适应PID控制器结构图

e和ec的模糊语言变量分别为E和EC，模糊集为｛NB（负大），NM（负中），NS（负小），ZO（零），PS（正小），PM（正中），PB（正大）｝，E、EC和整定后的参数Kp、Ki、Kd的模糊论域定义为｛-3，-2，-1，0，1，2，3｝.隶属度函数选择三角函数.E、EC的赋值如表1所示.

表1 E、EC的语言变量赋值

ΔKp、ΔKi、ΔKd的赋值表如表2所示.

表2 ΔKp、ΔKi、ΔKd的赋值表

总结模糊控制规则，可得模糊控制规则如表3所示.

模糊推理选用Madani推理法，反模糊方法采用最大隶属度法，若几个元素都出现最大值，取平均值并取整作为精确值.

表3 Kp/Ki/Kd模糊控制规则表

3 氦透平控制系统硬件配置

氦透平控制系统以S7-300 PLC为控制核心.选用带有现场总线扩展功能的CPU315-2DP，接口模块选用IM153-1，用于主机架与2个扩展机架的通讯.通讯模块选用CP341实现点对点的通讯.信号模块分别选用 SM321、SM322、SM331、SM332.硬件配置如图3所示.

图3 PLC硬件配置图

4 软件方案设计

氦透平控制系统的软件方案设计包括西门子S7-300 PLC程序设计和监控组态界面的设计两大部分.

PLC程序设计采用STEP7 V5.5编程软件［8］，完成氦透平控制系统的硬件组态、符号编辑、地址分配、通讯设置等，并根据系统的设计要求，编写模拟量数据（包括真空度、纯度、气体流量）采集模块FC1、气动阀门控制模块（FB1）、PID控制程序（FB41，在标准库中调用）、压缩机控制程序FB3，以及主程序OB1等.

模糊自适应PID控制算法采用模块化编程.数据块DB1的功能是设置量化因子、比例因子；FC8用来计算透平的偏差e和偏差率ec，同时在硬件组态时需要将CPU属性对话款中OB35的Execution设置为1 000（1 s）.FC9将精确量偏差e和偏差率ec转化成模糊量E和EC.FC10编写模糊控制表，FC11用来计算Kp，并将结果放入FB41的背景数据块中.OB35则通过循环中断实现模糊自适应PID控制.

监控界面采用WinCC V6.2进行设计.监控系统主界面显示整个系统工艺流程、主要设备及过程参数.连锁回路界面用于显示对系统有影响的参数，包括温度过高过低、气压过高过低、系统急停等.工艺参数画面显示主要工艺参数.操作参数画面则对用户设定的参数进行集中管理.主界面如图4所示.

图4 监控主界面图

5 系统调试

把程序下载到PLC后，可对程序进行仿真调试.西门子CPU5611卡是安装在上位机中的通讯网卡，它能够将PLC与上位机监控软件连接起来，利用WinCC监控软件即可进行PLC的相关操作.

在监控软件中可以应用趋势控件对温度的趋势图进行保存，图5为带负载运行时系统参数曲线.

图5 带负载运行系统参数曲线

6 结束语

本文采用SIMATIC S7-300实现现场控制，采用现场总线通信方式，安装调试较为方便容易，故障率低且容易查找.应用模糊自适应PID控制算法在线调整PID值，使系统能够快速稳定.通过WinCC组态软件设计监控界面，在STEP7中编程调试，实现了基于模糊自适应控制的氦透平系统的控制，提高了企业的自动化程度，从而提高企业的经济效益和管理效益.