输电线路导线自动化压接系统模糊PID算法设计

刘艳梅，张东禹，陈 震，文师华，李振东，李 权

(1.沈阳航空航天大学 自动化学院，沈阳 110136；2.辽宁省电力有限公司 辽宁省送变电工程有限公司，沈阳 110021)

导线压接是输电线路施工过程中十分关键的环节。随着输电线路电压等级的不断提高和输电容量的增大，导线截面也随之加大，对导线的压接技术和压接质量提出了更高的要求。传统的导线压接过程是靠人工完成，压接钳不动，手动控制液压泵阀门推杆带动压接钳进行压接，在压接过程中需要人工移动及测量导线，压接后还要人工检测压接管对边距尺寸，操作繁琐，且压接和测量尺寸不准确。因此，实现导线的自动化压接是提高导线连接质量，减少检修和事故处理次数的有效途径。

国内关于导线压接技术的研究取得了诸多可借鉴的研究成果。2017年，国网山东省电力公司电力科学研究院与山东送变电工程公司[1]在传统导线压钳的基础上，以S7-200可编程逻辑控制器为主控器，设计了一种智能数字化导线压接控制系统，但目前未见应用报道。2019年，山西省[2]、广东省[3]、宁夏回族自治区[4-5]等多个送变电工程有限公司在工程中采用了大吨位液压设备以及辅助压接平台和新压接工艺等技术措施，在复杂环境下完成了大截面导线技术方案，但采用人工方法较费时费力。

国外导线压接工艺的研究大多聚焦在提升导线质量方面。2015年，Ocoleanu等[6-7]提出了一种针对压接技术的新的质量预控解决方案，通过降低接触电阻和增加接触来实现连接可靠性，从而提高压接质量，为导线压接自动化方案提供了有益的帮助。但目前控制器采用的嵌入式系统单片机控制稳定性较差，在工业环境下极易损坏，维修困难；控制器采用S-700系列PLC又过于老旧笨重，配套设施更换困难。

由于导线压接压力的调节过程具有非线性、大惯性、时滞性等特点，在调节过程中要求系统具有良好的反应能力。在提升压力时要快速，在压力保持不变时要有较好的平稳性和抗干扰性；而传统的PID控制策略很难达到这种压力控制要求。因此，本设计采用控制性能更好的模糊PID算法作为控制策略，以欧姆龙CP1H[8]为主控器，以导线压接过程为研究对象，对目前人工操作的导线压接过程进行自动化实现，设计出一种新型导线智能压接控制系统，以完成导线的自动移动和压接[9]。

1 输电线路导线压接装置硬件设计

为了更好地压接输电线路导线，设计出一种输电线路导线自动压接控制系统[10]控制系统结构设计如图1所示。输电线路导线自动压接控制系统需要设计制作移动平台，平台实现压钳的固定及移动、压接管两侧的导线固定、高度调整以及导线的自动压接和尺寸实时测量[11-12]。

图1 控制系统结构设计图

其中，PLC选用[13]欧姆龙CP1H PLC，电机选用57步进电机，前期研究表明，该控制器和电机具有较好的动态控制性能。其控制流程为：PLC检测压力信号及红外传感器信号，经过PLC相关运算处理得到相应流量压力值输送至变频器，变频器控制电机从而驱动液压泵实现对导线的压接。

控制系统[14]主要包括信号采集系统和通信系统。欧姆龙CP1H型PLC具备模拟输入、输出功能，内置8点模拟输入，4点模拟输出；内置高速计数器0、1、2、3可采集脉冲信号，从而实现压力及红外传感器信号的处理。本实验使用内置高速计数器0，采用线性递增计数模式，软复位方式复位。红外检测装置选用ZX2-LD100L，精度为5～50 mm，AB相位差输入方式。根据高速计数器0接收脉冲数量来计算导线对边距，其计算公式如式(1)所示

x=n/100

(1)

其中：x为导线对边距位移，单位mm；n为脉冲数。

2 模糊PID控制器设计

2.1 模糊PID与传统PID对比

模糊PID的控制策略是智能PID控制的一种，它的主要特点是利用误差量e和误差的变化Δe自动调节PID参数kp、ki和kd。首先将操作人员或专家的调节经验作为知识库，然后运用模糊控制理论的基本方法把知识库转化为模糊推理机制，使用模糊规则实时在线修改PID参数，根据误差量e和误差变化率Δe在不同时刻对PID参数进行整定，实现液压泵泵输出量与导线压接控制需求相匹配，从而达到高精度位置控制。

传统PID[15]计算公式如式(2)所示

(2)

参数整定后模糊PID计算公式为

(3)

其中：k′p为初始比例系数；k′i为初始积分系数；k′d为初始微分系数；Δkp、Δki、Δkd为比例、积分、微分参数整定量；e为位置偏差。

将模糊PID与传统PID对比，设计步进电机传统PID控制和模糊PID控制仿真曲线对比，如图2所示。

图2 对比仿真结果

图2两种控制算法的对比仿真结果表明，加入模糊PID算法的步进电机系统比加入传统PID算法时控制精度更高，运行时间更短。

模糊PID控制系统如图3所示。

图3 模糊PID控制系统

导线压接控制实验时，设定位移行程为8 mm；模糊控制位置偏差e变化范围为(-5，5)mm；Δe变化范围为(-0.1，0.1)mm/s2；Δkp变化范围为(-1，1)；Δki、Δkd变化范围均为(-0.001，0.001)。

2.2 语言变量和隶属度函数确定

实验液压泵时，偏差e和偏差变化率Δe为输入，PID参数调整量Δkp、Δki、Δkd为输出。根据实际工程经验，设定e、Δe、Δkp、Δki、Δkd为语言变量，选用NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、Z(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)作为语言值。故论域取值均为{-3，-2，-1，0，1，2，3}。语言变量e、Δe的隶属度函数和Δkp、Δki、Δkd的隶属度函数均选用三角函数，如图4所示。

图4 语言变量隶属度函数

2.3 模糊控制规则建立

根据PID控制参数对系统输出的调节作用，归纳出kp、ki和kd这3个控制参数的调整规则。

kp作用是减小系统偏差，提高系统响应速度。当位置偏差e较大时，kp应较大；当e较小时，kp也应较小。kp的模糊控制规则如表1所示。表1中：e、Δe为位置偏差模糊值和位置偏差变化率模糊值。

表1 kp模糊控制规则表

ki用来消除系统稳态误差，ki越大，系统稳态误差消除越快，但过大的ki会引起超调；若ki较小，系统稳态误差难以消除，影响系统精度。建立ki模糊控制规则如表2所示。

表2 ki模糊控制规则表

kd作用是预测偏差的变化方向，并提前产生抑制作用。建立kd模糊控制规则如表3所示。

表3 kd模糊控制规则表

3 基于CP1H模糊PID算法的实现

3.1 主程序设计

输电线路导线压接自动化装置主程序实现的功能与逻辑如图5所示。

图5 主程序流程图

导线初始位置为人工手动放置，之后按下控制箱上的启动按键给系统上电，PLC控制步进电机带动滑台回到初始位置。当上位机再次发送开始命令，且当位移传感器检测到滑台处于初始位置后，则PLC通过一系列元器件控制液压泵开始压接。红外传感器检测导线压接直径，当导线压接直径到达预期设定值时，PLC控制液压泵停止压接，开始泄压。当压力传感器检测到压接钳完全松开后，PLC控制步进电机带动滑台移动，移动到指定距离(即上位机设置的每步移动距离)之后停止。PLC控制液压泵再一次开始压接，数据通过串口传到上位机，上位机监控界面实时显示压接压力数据、导线3组对边距数据、滑台位移数据以及实时过程动画，上位机界面监控图实时显示这段时间的数值变化曲线。程序会重复这一过程直至出现错误或已完成所有压接(循环次数在上位机上提前设定)。当出现错误时，系统会进入急停状态并报警。

3.2 顺序功能图设计

根据图5所示流程画出系统顺序功能图，如图6所示。

图6 系统顺序功能图

3.3 模糊PID的算法流程

模糊控制器主要由3个模块组成：模糊化、模糊推理和清晰化[15]。输电线路导线自动压接模糊PID算法控制过程如下。首先，传感器会采集滑台位移、压线距离的相关数据，其采集到的数据经过算法处理之后得到与中线的偏差e以及当前偏差和上次偏差的变化(差值)Δe；其次，要对这两个值进行模糊化。以e为例，距离传感器采集的e是有范围的，即与预设值的偏差是在一个区间内可行的。因为传感器接收的数字量信号范围是0～65 536，所以设定该区间为0～65 536，即导线与预设值的最大距离为65 536。再假设误差变化率的可行区间也为0～65 536。最后进行模糊化，首先将e的区间(0～65 536)分成8个部分，为了便于分割，将e的区间改为0～64 000，随后用7个数字将它等分为8个区间。把这7个数字8 000、16 000、24 000、32 000、40 000、48 000、56 000分别用NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB表示。例如，当e=17 000时，此时的e属于NM和NS之间。

根据采集的e和Δe进行模糊化处理，可根据模糊规则表找出输出值所对应的隶属度，这一过程被称为模糊推理。假设e对应的模糊集合为ZE、PS,e属于ZE的隶属度为a(a<1)，则属于PS的隶属度为1-a。再假设Δe对应的模糊集合NM、NS，Δe属于NS的隶属度为b，则属于NM的隶属度为1-b。再根据相应的模糊规则表，查询模糊推理输出结果，即模糊结论。

根据上一步所得出的模糊结论，用模糊化方法可得输出值的解，整个模糊PID控制过程结束，这个解即为清晰化后的最终解。模糊PID控制流程如图7所示。

图7 模糊PID控制流程图

3.4 模糊PID的算法的梯形图程序实现

根据各程序段功能的区别，将程序段分成5个类别，分别为初始化程序、传感器数据处理程序、逻辑功能程序、算法准备程序和模糊PID部分。初始化程序为0～17步，实现了A/D转换单元的开启；传感器数据处理程序为19～31步，判断传感器数据是否符合控制要求；逻辑功能程序为33～84步，实现了自动压接及自动移动；算法准备程序为86～148步，实现了模糊PID算法的前期运算准备；模糊PID部分为150～452步，实现了模糊PID算法，求得了kp、ki和kd；第454步为结束步。图8为CX-programmer软件程序属性中的程序段起始步及结束步统计，以及程序段对应的注释。

图8 梯形图程序总览

4 实验结果

输电线路导线自动压接控制系统上位机通过组态王软件编写上位机监控界面，实现压接钳每次压接的压力值、压模次数、压力、液压钳部分移动距离及时间的设定，以及压力及导线直径的显示，如图9所示。

图9 控制系统监控软件界面图

点击上位机数据按钮后，显示出阶段时间内控制结果变化曲线，实线代表压力，虚线代表直径，具体曲线数据如图10所示。

图10 控制变化曲线

由图10中曲线数据可以看出，在未开始前，压力值为0，对边距距离为初始值，如图10a所示；收到预设压力值后，压力值不断增大，距离不断减小，达到预定距离值后，压力值维持不变一段时间后逐渐减小，保证了压接结果稳定准确，如图10b～10c所示；之后，自动推进装置启动，开始进行下一段压接，曲线图进入下一周期，如图10d所示。

5 结论

输电线路导线压接是实现电力运输的前提之一，其自动化操作已成必然趋势，采用更智能的算法对输电线路导线自动压接系统进行设计具有重要意义。本文设计了基于PLC控制的输电线路导线压接模糊PID控制系统的硬件结构和软件程序，完成了系统的上位机监控界面设计，并实现了导线的自动化压接。相比传统的人工压接导线，可实现自动压接导线、自动测量导线对边距、自动测量导线移动距离、实时显示压接钳压接压力等功能，节省了人力，提高了工作效率，降低了事故率。相比于传统的PID算法，可以达到更快、更好的控制效果。