基于PLC的模糊控制在船舶主机调速系统的应用

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(海军工程大学 船舶与动力学院，武汉 430033)

由于船用机舱设备使用环境恶劣、实时性和可靠性要求高，而PLC有可靠性高、耗能低、抗干扰能力强、控制精确及系统功能可拓展性强等特点，因此各种型号的PLC也广泛应用于各种船舶的机舱设备监控。

随着微电子技术、计算机技术和模糊逻辑等相关技术的进一步发展，PLC逐步向智能产品转化[1-2]。各大PLC生产公司也不断研制专门的软件或硬件模糊控制器。模糊控制在PLC上的实现方式基本分两种[3]：一是通过专用的硬件实现，但其价格昂贵，并且需要使用专用编程设备；另一种实际采用较多的是通过软件实现，把模糊控制程序作为整个PLC控制程序的一个子程序，包括数据的读取、模糊推理和控制信号输出，通过中断调用子程序完成模糊控制。

本文运用第二种方法采用模糊控制方案，设计了一种通用的模糊控制器，利用STEP7软件，采用模块化编程方法，使用梯形图及语句表编制程序实现模糊控制算法，使模糊控制策略在S7-300 PLC上得以较好地实现。并将之运用到船舶主机调速系统当中进行研究分析。

1 主机遥控系统组成

系统主要由驾驶室、集控室遥控操纵台、主控制箱、机旁操纵箱等组成。

PLC接受车钟指令，检测主机(燃油切断、盘车机合上、主起动阀开、滑油温度低、主机转速等)和齿轮箱(正车、倒车)的相关状态信息，经相关程序计算输出，并通过调速器接口和开关量实现对主机的调速及齿轮箱的操作控制，同时进行报警及状态显示。系统可通过设在集控室、驾驶室的人机界面进行参数修改及显示，结构见图1[5]。

PLC在主机遥控系统中的主要程序模块主要有调速控制、换向控制、故障监测和诊断控制等几个部分，本文主要针对调速控制模块的程序运用模糊控制进行改进。

图1 PLC在主机遥控系统的应用结构

2 主机调速系统模糊控制策略

传统PLC调速控制均采用传统的PI或PID的控制方法，对模型的依赖性较强。通常主机在不同的工况，不同的工作环境、不同的寿命周期内，其模型参数会有较大变化，而且非线性、时变性对传统控制器品质有较大影响。传统的PID方法用于船舶柴油机主机调速回路有其不足之处，它很难保证所设定的调节器参数在整个系统变化范围内达到最优。因此，为了提高运行的可靠性、平稳性，在调速系统中采用模糊控制。原理见图2[6]。

图2 主机调速系统模糊控制原理

2.1 定义各变量隶属度函数

在模糊化设计中，可用状态词正大、正中、正小、正零、负零、负小、负中、负大来表示E变量的变化。其语言变量为{PB、PM、PS、PZ、NZ、NS、NM、NB}。Ec和u语言变量为{PB、PM、PS、ZE、NS、NM、NB}。E(即e)和Ec(即ec)的论域定义为[-6，6]之间，输出控制量u的论域定义为[-7，7]之间。采用三角形函数作为隶属确定模糊语言变量的隶属度，可分别得到模糊变量E、Ec、u的隶属度赋值表，见表1、2、3。

表1 E的隶属度

表2 Ec的隶属度

表3 u的隶属度

2.2 建立模糊控制规则表

模糊量转为执行机构可执行的精确量，采用最大隶属度法，即μ(u*)≥μ(u),μ是u的隶属度函数，u*是与最大隶属度对应的模糊控制量值。

知识库由数据库和规则库组成。控制规则采用基于IF-THEN(条件-结果)的产生式规则，其结构简单，易于修改和掌握，比较适合PLC编程。如：ifE=NBandEc=NBthenu=PB表示为：R1=NBE×NBEc×PBU。总结控制经验，共有56(7×8)条控制规则。总的模糊关系为：R=R1∪R2∪…∪R56,R是模糊关系矩阵，∪表示取大。采用合成推理法：U=E×EC∘R。×表示求值积，∘是合成运算符，这里采用最大-最小合成法。整个模糊推理过程后得到模糊控制量查询表，见表4。

表4 模糊控制规则表

2.3 模糊控制程序流程图

模糊控制程序流程见图3[2]。

图3 模糊控制程序流程图

3 STEP7实现的模糊控制算法

PLC系统选用Siemens S7-300。详细配置如下：CPU为CPU315-2DP；接口模块为IM361，可以扩展；信号处理模块为SM334和SM321，SM334为模拟量输人/输出模块，实现模拟参数的数据采集和输出，SM321为数字输人模块，采集现场开关参数数据；功能模块为FM355C，为智能控制模块，实现参数的PID控制；通信模块为CP5613通讯卡，支持MPI协议、PROFIBUS-DP协议、S7 Connections，用于工程师站/操作员站和PLC的多点连接和上位组态软件WinCC的通信。

为了简化程序编写量，提高程序的通用性并且方便调试，PLC程序设计采用了模块化编程方法。编程语言采用梯形图(LAD)和语句表(STL)结合的形式。

主模块OB1实现对子程序块的调用和数据的传递，OB35为中断服务程序模块。FB1模块为模糊控制器，完成整个模糊控制功能。它由FC1～FC4 4个子程序块组成。其中FC1完成e(速度误差)和ec(误差变化率)的计算；FC2进行模糊化处理，即完成精确量e、ec到模糊量E、Ec的转换；FC3完成控制量表的查询功能；FC4完成模糊控制量U到精确量u的转化，并输出u。FB1依次调用4个子模块完成模糊控制各部分的功能，并实现他们之间的数据传递。FB1模糊控制器编制完成后，保存在STFP7标准库中，其具有很强的灵活性和通用性，如同STEP7中PID控制器(FB41)一样，方便调用。针对不同的被控变量，只要对FB1输人输出端进行正确的组态即可对变量进行模糊控制。

整个程序设计的关键是模糊控制量表的查询部分，即FC3子程序块。在编程之前，将模糊控制量表中U的值按由上到下，由左到右的顺序依次置入数据块DB1中，数据类型为WORD型。首地址为DBW0，依次为DBW2、DBW4、…、DBW336(U的个数是13×13)。

最后由FC4功能块实现控制量U从模糊量到精确量的转换，即U乘以量化因子Ku再经过限幅，将最终计算结果送到模拟量输出模块实现控制作用。

应用基于PLC的模糊控制器后，主机调速控制效果较以前有很大改善，整定时间缩短，超调量缩小，控制稳定。在一定时间内(20 min)、一定转速范围内(800～1 600 r/min)、外加一些干扰时用计算机仿真得到比较结果见图4。

图4 模糊PLC控制和传统PLC控制效果

4 结论

仿真得到基于Siemens S7-300 PLC实现主机调速系统的模糊控制，既保留了PLC控制的可靠、灵活等特点，又提高了控制系统的智能化程度。具有控制精度高、编程简单、程序改变灵活、可扩展性强、工作可靠、抗干扰能力强等特点。系统缩短了控制响应时间，从而明显提高了舰艇的机动性和作战能力，具有很强的实用性。由于是对软件进行的模糊控制改进，不需要对已成熟系统进行大的变动，很容易系统升级和扩展，因此具有良好的操作性。同时S7-300具有数据通信能力，能够实现与上位机和全舰网络的信息共享，为进一步提高舰艇的自动化、智能化、数字化奠定了基础，具有良好的应用前景。

[1] 殷 铭,戴先中,徐科军.模糊测控仪器仪表研究与应用的新进展[J].自动化仪表,1999,20(12)：2-3.

[2] 康斌栋,王志新.基于PLC模糊控制软件的设计研究[J].机电一体化,2000(1):57-58.

[3] 王志凯,郭宗仁,李 琐.用PLC实现模糊控制的两种设计方法[J].工业控制计算机,2002(2):15-16.

[4] 祝 福,王文义.PLC在船用柴油机调速器中的应用[J].造船技术,2005(1):24-25.

[5] 张华力, 郭庆祝.可编程逻辑控制器在船舶主机遥控系统中的应用[J].船电技术,2006 (1):36-37.

[6] 王春芳.船舶柴油机调速系统模糊控制策略[J].集美大学学报，1998,3(4)：43-45.