基于PLC 直流调速系统在带式输送机的应用

马贝贝，陈云麒

(1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093;2.上海工业自动化仪表研究院，上海 200233)

在煤矿生产过程中，带式输送机控制系统能否安全顺利运行，直接影响矿井安全生产［1］。本文设计的基于S7－200PLC 和590+直流数字调速器组成的直流调速系统煤炭自动化生产方案，采用模糊控制理论，具有常规PID 控制精度高、模糊控制灵活且适应性强、调速精确、调速范围广等优点，在工业控制中应用广泛［2］。

1 模糊自适应PID 控制算法

1.1 模糊PID 控制算法

模糊自适应PID 控制算法是在PID 控制算法的基础上，通过工程人员实际操作经验，找出PID 参数与误差e 和ec之间的模糊关系，建立合适的模糊规则［3］。运行中不断地检测和运算误差e 和误差变化率ec，再利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行PID 参数自调整，以满足不同e 和ec对控制参数的不同要求，使被控对象有良好的动、静态性能。

普通增量型PID 控制算法为［4］

其中，ΔKP、ΔKI、ΔKD为比例积分微分系数;e(k)、e(k－1)、e(k－2)为第k、k－1、k－2 次采样偏差值;u(k)为第k 次采样时控制器输出值;TI、TD、T 分别为积分时间常数、微分时间常数、采样周期。

模糊PID 控制器以偏差e 和偏差变化率ec输入量，ΔKP、ΔKI、ΔKD为输出量，在线调整PID 参数。K1、K2、K3、K4、K5为比例因子。模糊PID 控制器调整PID参数计算为［5］

其中，K'P、K'I、K'D为初始设定的PID 参数;，ΔKP、ΔKI、ΔKD为模拟控制器的3 个输出，可以根据被控对象的状态自动调整PID 的3 个控制参数。图1 为模糊PID 带式输送机控制原理图［6－7］。

1.2 模糊PID 参数调整

图1 模糊PID 带式输送机控制原理图

转速偏差e 和偏差变化率ec作为该控制器输入量，u 为模糊输出量。在本系统中，偏差e 和偏差变化率ec的变化范围为［－6，6］，u 的变化范围为［－10，10］。将偏差e 和偏差变化率ec模糊化为E 和EC。E和EC的模糊论域均为{－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6}，u 的模糊论域规则排列与E 和EC类似。E、EC、u 的模糊子集均为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}其中NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB 分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。隶属度函数形状均采用三角形如图2，图3 所示。

图2 e 和ec 的隶属度函数

图3 u 的隶属度函数

1.3 建立模糊规则表

模糊控制设计的核心是基于专家知识或控制工程师长期积累的技术知识和实际操作经验，从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面总结出的模糊推理规则［8］。当e 较大时，为使系统具有较好的跟踪性能，应取较大的KP与较小的KD，同时为避免系统响应出现较大的超调，应对积分作用加以限制，通常取KI=0。当e 处于中等大小时，为使系统响应具有较小的超调，KP应取得小些。KD的取值对系统响应的影响较大，KI的取值要适当。当e 较小时，为使系统具有较好的稳定性能，KP与KI均应取得大些，同时为避免系统在设定值附近出现振荡，KD值选择根据值的大小而确定［9］。

综合上诉控制规律以及专家和工程技术人员的经验，建立u 与e 和ec模糊控制规则表，如表1 所示。

表1 模糊控制规则表

2 硬件系统设计

2.1 系统方案设计

直流调速系统部分硬件如图4 所示，由S7－200PLC 作为主控器，上位机、键盘、显示屏作为人机界面监控和操作系统，选用590+直流调速器作为直流电机驱动器。S7－200PLC 的模拟量输出信号0 ～10 V 作为直流调速器的模拟量输入，开控制调速器输出电压0 ～220 V 的变化，从而控制电机转速0 ～1 500 r/min 的变化;电机转速由光电编码器检测并反馈到PLC 的高速计数口I0.0和I0.1，构成转速闭环直流调速系统，从而对自动煤炭生产系统实现精确控制。

表2 PLC 地址表

2.2 590+直流数字调速器原理

590+直流数字调速器结构如图5 所示，由主电路、数字控制器、检测电路、负载系统等组成，霍尔传感器检测电压电流值，转速检测则采用测速发电机或则光电编码器，构成双闭环直流调速系统。其中诊断模块包括速度给定、速度反馈、电流给定、电流反馈、模拟量输入等。设定参数模块包括输入/输出、操作面板、电流环、速度环等。590+直流数字调速器具有高性能化、智能化、网络化、小型化等优点，在直流调速系统中应用广泛。

图4 部分硬件接线图

图5 590+直流数字调速器结构

3 PLC 模糊控制算法实现

PLC 的模糊运算程序分为主程序OB1、初始化子程序0、中断子程序0、子程序0、子程序1、子程序2、子程序3、回路表数据块DB0、查询表数据块DB1［10］。

扫描周期开始，程序执行主程序模块OB1，首次扫描调用初始化子程序。初始化子程序装载模糊控制参数、连接模糊控制终端服务程序。中断发生后，转到模糊计算的中断子程序0。中断子程序0 调用子程序0完成模糊控制运算的初始化。然后依次调用子程序1、子程序2、子程序3 完成偏差及偏差变化率计算、模糊化、插值模糊计算、输出量计算等控制运算。程序结构如图6 所示。

图6 PLC 程序结构图

PLC 模糊自适应PID 控制程序的算法流程如图7所示。

图7 模糊自适应PID 参数流程图

4 上位监控与控制效果

组态软件具有远程监控、数据采集、数据分析、过程控制等强大功能，还具有二次开发简便、开发周期短、通用性强、可靠性高等优点。系统采用组态王(Kingview)监控平台，设计基于PLC 的直流调速煤炭调速上位监控系统。在组态软件对分别对系统进行测试

(1)模糊PID 调谐面板监控。给定转速750 r/min，采样时间为1 s，采样显示时间2 s，模糊控制PID 参数整定为P=0.2，I=0.03，D=0，通过S7－200PLC 调谐监控面板测得转速闭环系统曲线如图8 所示。

图8 模糊PID 控制曲线

(2)多段可逆调速运行。电机给定转速百分比0%～25%～40%～60%递增正向运行;再按－60%～－40%～－25%～0%递减反向电动运行。打开组态王上位监控系统，监控系统运行数据与趋势如图9所示。

图9 多段可逆调速曲线

(3)空载加扰动运行与带负载运行。空载运行时，给定转速750 r/min，通过组态王上位监控系统加随机扰动，系统克服扰动的历史曲线如图10 所示。带载运行时，同样给定转速750 r/min，通过组态软件给定负载，测试的转速闭环历史曲线如图11 所示。

图10 空载加扰动时的转速曲线

图11 带负载时的转速闭环曲线

由图8 ～图11 可看出，系统控制的上升时间短、超调得到改善、稳态性能良好。调速范围广且精确。系统抗扰动及带载能力强等优点，系统控制性能得到大幅提高。

5 结束语

通过对PLC 直流调速系统控制的应用，结合模糊PID 的控制方法，减小了系统调节时间和超调量，系统动态性能得到较大的改善。能够有效地对煤矿输送机生产系统的需求进行解决，并在实现功能的过程中对系统可能出现的故障进行了综合性保护，本文所设计的基于PLC 的直流调速模糊控制系统，控制性能优越，从而在对系统复杂程度降低的过程中对系统的可靠生进行了提高，为提高工业精确控制性能提供了一种有效的控制方法。

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［2］ 李敏远，都延丽，姜海鹏.智能自整定PID 在药剂温度控制系统中的应用［J］.控制理论与应用，2003，20(5):805－808.

［3］ 顾树生，平力.模糊控制系统稳定性分析及控制器设计［J］.控制与决策，1991，6(3):178－183.

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［6］ 孙增圻.智能控制理论与技术［M］.北京:清华大学出版社，1997.

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