（电路与系统专业论文）基于模糊自适应算法的直流换流阀温度控制系统研究.pdf

i 摘 要 高压直流输电技术是当今世界上最先进最节能的输变电技术之一，也是中国重点发展的技术 装备领域。 高压直流输电( h v d c ) 的基本原理是通过整流器将交流电变换成直流电形式，再通过逆变器将 直流电变换为交流电，实现电能传输和电网互联。换流器是直流输电中最重要的元件。换流阀是 为实现换流需要的三相桥式换流器的桥臂， 是实现交直流电能互相转换的换流器的基本设备单 元，其安全运行在整个直流输电工程中起着核心作用。换流阀工作时产生的热量，将导致芯片温 度升高，如果没有适当的散热措施，可能使芯片的温度超过允许的最高结温，从而导致器件性能 恶化以致损坏。因此，高压直流输电中的主要设备换流阀的散热问题成为非常重要的课题。选择 恰当的散热方式，进行合理的设计，是使器件的潜力得到充分发挥，提高电路可靠性不可缺少的 重要环节。如果不能很好的解决换流阀的散热问题，将影响换流阀的工作效率甚至使用寿命。 针对换流阀散热问题，本文采用了最节能的冷却方式：水风冷却系统，又称为密闭式循环纯 水冷却系统。即换流阀冷却系统采用空气和绝缘水冷却，散热系统中一次冷却为去离子水循环冷 却，二次冷却为空气冷却，采用的冷却设备是空气冷却器( 冷却器) 。本文设计了一套基于模糊自 适应 p i d 控制算法，采用西门子 s 7 3 0 0 p l c 作为控制器的换流阀循环冷却水温度控制系统，对 循环水温度进行精确控制，达到对换流阀进行散热的目的。提高了电路的可靠性，保证了换流阀 的工作效率。 关键词：换流阀, 水风冷却, 模糊自适应 p i d ，变频调速，p l c ii abstract high voltage dc technology, a key developing technological area in china, is one of the most advanced and energy- saving technologies in the world. the basic principle of hvdc is to transform ac to dc through a converter, and in turn to transform dc to ac by an inverter, implementing the power transmission and power grid interconnection. v alve is the most important part in dc transmission, while converter is a bridge- arm of the three- phase bridge needed to realize commutating. converter is an indispensable element for the valve in transforming the dc to ac, and vice versa. therefore, its operation in safety plays a vital role in dc transmission. the heat produced by valve in working will help increase the chip s temperature. if there are no appropriate measures taken to dissipate the heat, it would destroy the device once the temperature surpasses the joint- temperature. hence, the heat dissipation of valve in hvdc transmission becomes a significant issue. choosing a proper way to dissipate the heat, and having a reasonable design as well, is a critical link to make the most use of the device and to strengthen the reliability of the circuit. otherwise, it will affect valve s working efficiency, and even its operating life. in regard to the matter of heat dissipation of valve, this paper focuses on a most energy- saving cooling approach, water- wind cooling system, which is also called closed- loop water cooling system. in this way, the valve cooling system uses the air and water to cool down the temperature. the primary method is the deionized water circulation cooling, while the secondary is the air cooling by using an air- cooling machine. the paper has designed a temperature control algorithm based on a fuzzy self- adaptive pid, adopting a siemens s7- 300 as a controller to control the temperature of valve. it will control the circulating water in accuracy in order to achieve the purpose of heat dissipation, and thus to improve the reliability of the circuit and the guaranteed efficiency of valve. key words：converter，water- wind cooling system，fuzzy self- adaptive pid，frequency，plc 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得宁夏大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 研究生签名： 时间： 年 月 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解宁夏大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意宁夏大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位 论文的全部或部分内容。 研究生签名： 时间： 年 月 日 导师签名： 时间： 年 月 日 宁夏大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 课题背景及意义 高压直流输电(hvdc)的基本原理为通过整流器将交流电变换为直流电，再通过逆变器将直 流电变换为交流电形式，从而实现电能传输和电网的互联。与交流输电技术相比，hvdc 输电技 术有许多优点，概括起来主要有以下几点:（l）传输功率相同的条件之下，直流输电的换流站设 备的投资较大，而线路投资较小，因此当用在远距离输电时的造价要小于交流输电。 (2)可实现大 区电网的异步互联，互联后不会增大原系统的短路容量。(3)双极型直流系统可分期建设，先建成 的单极系统运行以发挥效益。双极系统运行过程中，如果有一极发生了故障，另一极能继续运行， 减小了功率损失。(4)调节快速，高度可控。在故障情况下可以快速闭锁停运，且可利用其功率调 制的功能，迅速增大或者减小输送功率，从而提供紧急功率支援，功率调制功能还可抑制交流系 统的低频振荡等。(5)直流输电的线路电容较小，充电功率也较小，当采用电缆输电的时侯优势明 显，而交流电缆的充电功率较大，有些时侯甚至因为这个原因无法送出功率，例如跨海电缆输送 电。(6)在输送同等功率水平之下比交流方式节省输电走廊，更加的环保。随着我国电力事业的迅 速发展，改革开放以来，我国的电网规模逐渐的扩大，己形成华北、东北、华中、华东、南方和 西北电网等六大电网体系。为满足增长的负荷和提高供电可靠性的要求，国家对电力系统规划部 署“ 西电东送、南北互供、全国联网” 的发展战略，随着三峡工程投入运营、西南水电逐步开发多 条高压直流输电线路建设，全国逐渐形成大规模西电东送和全国联网的局面。因此高压直流输电 技术发展迅速，应用很广泛。 换流器是直流输电工程中最重要的元件。它们完成了交流/直流和直流/交流的转换。换流阀 (converter valve) 作为换流器的基本单元设备，是为了实现换流所需三相桥式换流器的桥臂， 是 实现交直流电能相互转换的换流器的基本设备单元，其安全运行在整个的直流输电中起着核心作 用。换流阀工作时所产生的热量，将会导致芯片温度升高，如果没有合适的散热措施，就可能使 芯片的温度超过了允许的最高结温，从而导致器件性能的恶化以致于损坏。这就使得换流阀的散 热成为十分重要的研究课题。选择适当的散热方式，进行合理的设计，是使器件的潜力得到充分 发挥，提高电路的可靠性不可缺少的重要环节。如果不能很好的解决换流阀的散热问题，将严重 影响换流阀的工作效率以及使用寿命。 1.2 换流阀散热国内外研究现状 热交换器是一种将一种流体的热量以一定的传热方式传递给另一种流体的设备，广泛应用于 工业生产中的流体的冷却，余热的回收，热能的输送等场合1。为电力电子器件配用的散热器主 要有自冷式散热器、强迫风冷式散热器、热管散热器、液冷（主要为水冷）式散热器等2。虽然 强迫风冷和热管冷却方式的采用使散热效率比自然冷却有了很大的提高, 但对于高电流密度的电 力电子器件而言仍不能胜任。近年来的研究表明液体冷却, 尤其是水冷, 所以被认为是最有效的 冷却方式。因为水的热容是空气热容的5300倍, 水的导热系数比空气高一至两个数量级。水冷可 以通过水- - 风或者水- - 水换能的方式将电力电子器件工作时散发出的热量高效地与外界交换, 不 宁夏大学硕士学位论文 第一章 绪论 2 需借助在室内安装大功率空调来吸收热量, 也是最节能的冷却方式2。 安全可靠的密闭式循环纯水冷却系统，可以对冷却水的温度、流量、电导率等指标进行精确 调控，实现系统的控制、保护、通讯功能，使得高压直流输电系统中的核心部件换流阀正常工作， 是高压直流输电回路稳定运行的基础。 密闭式循环纯水冷却系统从2 0 世纪7 0 年代末实现了工程应用以来, 因为其优质的散热效果, 安全、高效、节能、环保等优点在高压大功率电力电子设备的冷却系统中得到广泛应用2。目前 国际上3 0 m v a r 以上的高压大功率电力电子设备的冷却方式基本都采用这项技术。在i e c 和i e e e 的 一系列有关晶闸管阀体的性能和试验方法的标准之中都将水冷作为首选的冷却方法, 在高压直流 输电中更是把水冷列为唯一可行的冷却方法3。 1.3 模糊智能控制器的发展及研究动态 1.3.1 模糊智能控制器的发展 自动控制理论自其产生以来得到了长足的发展, 自动控制理论的发展大致经历了以下三个阶 段： 经典控制理论阶段 20 世纪四、五十年代，频率响应法和根轨迹法应用在非线性控制系统， 标志着经典控制理论的成熟。经典控制理论采用频域方法，以单输入- - 单输出的线性定常系统作 为主要研究对象，通过反馈控制，构成了闭环控制系统；从而对非线性系统，采用相平面法，可 以很好的解决生产过程之中的单输入单输出问题，是目前工业过程控制领域之中占统治地位的一 种控制理论。其中，经典的 pid 方法以及变形结构得到广泛之应用。 现代控制理论阶段 60 年代初期，以状态空间法、动态规划、极大值原理、卡尔曼- 布什滤 波为基础的分析和设计控制系统的新原理和新方法的确立标志着现代控制理论的形成；现代控制 理论是以线性代数和微分方程作为主要数学工具， 以状态空间法作为基础， 分析和设计控制系统， 形成以系统辨识、最优估计、自适应控制、最优控制等作为代表的控制理论体系；现代控制理论 主要是针对多输入多输出的系统，矩阵理论和向量空间理论作为主要数学工具，可以研究线性系 统，可以研究非线性或分布参数特性的系统。 智能控制理论阶段 20 世纪 80 年代，智能控制理论产生。智能控制是控制理论、人工智能 系统论以及信息论等多门学科的高度综合与集成，是新兴的交叉前言学科；智能控制应用了人工 智能理论与技术以及运筹学优化方法，将其同控制理论方法和技术相结合，在未知环境之下，仿 效人的智能，从而实现对系统的控制。智能控制理论是研究和模拟人类智能活动及其控制和信息 传递过程的规律，研制了具有某些仿人智能的工程控制和信息处理系统，它是控制理论在深度上 的挖掘，智能控制代表了自动控制学科发展的最新进程。 1.3.2 模糊智能控制器的国内外研究现状 20 世纪 60 年代中期，美国的 l. a. zadeh 教授提出模糊集合和模糊控制的概念，随后，许多 研究人员对模糊理论和模糊控制进行广泛的研究。 1974 年英国的 e.h.mamdani 首先实现了锅炉和蒸汽机的模糊控制。五年之后，他和他的学 宁夏大学硕士学位论文 第一章 绪论 3 生 t.j.pro 业提出模糊自组织控制，取得优于常规调节器的控制品质；1984 年，美国推出了“ 模糊 推理决策支持系统” ；80 年代末，日本兴起的模糊控制技术应用于工业领域，其模糊控制理论的 研究和应用处于世界领先水平； 1983 年，日本九州大学户贝博士与山川教授分别开发出了将模糊 推理作为硬件的模糊集成块，制成了推理机以及模糊控制用的“ 模糊计算机” ；国家原子能机构 (iaea)和国际工业应用系统机构打算在大型系统的高速推理上应用模糊系统理论；在航天器空间 对接的研究之中，国外已将模糊控制应用在绕飞和最后逼近阶段的控制，克服了很难建立精确数 学模型的困难；在空间机器人的控制系统中也应用模糊控制，使其对负载和工作条件的变化具有 了很强的适应性。 我国对于模糊控制理论与应用的研究起步比较晚，但发展比较快，比如在模糊控制、模糊辨 识、模糊聚类分析、模糊图像处理、模糊集合论、模糊模式识别等领域取得了不少有实际影响的 结果：1986 年，都志杰等人用单片机研制出了工业用模糊控制器。之后，何钢、刘浪舟等将模糊 控制成功应用于碱熔釜反应温度、气炼机、玻璃炉窑、化工等工业化大滞后过程之中。 近几年，对经典模糊控制系统稳态性能之改善，模糊集成控制、模糊自适应控制以及专家模 糊控制与多变量模糊控制的研究，尤其针对复杂系统的自学习与参数自调整模糊系统方面的研 究，受到各国学者的重视。 模糊控制至今发展虽然不到 50 年，但关于模糊理论和算法、模糊推理、工业控制应用、稳 定性研究等方面的很多学术成果都很大地促进了模糊控制理论的应用发展。可以预料，随着模糊 控制理论的完善，其应用领域会更加广泛。 1.4 本文的研究内容 本文采用水风冷却系统( 又称为密闭式循环纯水冷却系统) 对换流阀进行散热。具体描述为： 空气和绝缘水冷却，一次冷却是去离子水循环冷却，将换流阀（晶闸管阀）等电子器件工作时产 生的热量带走，二次冷却为空气冷却3, 采用的冷却设备是空气冷却器。 本课题针对换流阀循环水温度控制具有的纯滞后、大惯性、参数时变等非线性特点, 通过仿 真分析可以看出传统的 p i d 控制往往不能满足其静态、动态特性的要求, 难以取得较好的控制效 果。因此对于换流阀循环水温度控制系统需要采用先进的智能控制算法来改进 p i d 算法。本文采 用了模糊自适应 p i d控制算法，以西门子 s 7 3 0 0 p l c作为主控制器，对循环冷却水温度进行定 值控制，控制效果良好，达到了对换流阀进行散热的目的。提高了电路的可靠性，保证了换流阀 的工作效率。 具体工作如下: （1）介绍换流阀水风冷却系统（密闭式循环纯水冷却系统）工作原理和工艺流程的基础上， 确定系统整体控制结构。采用定值控制，以换流阀阀厅的入口温度为被控对象，控制温度为 30 摄氏度。 （2）以热传导学和热力学为理论基础，对冷却系统进行分析和建模，即：建立散热器、加 热器、换流阀的传热数学模型。 (3)利用 matlab的 simulink 工具构建循环纯水冷却系统的 pid 仿真模型，进行 pid 的 参数整定；利用 pid 仿真模型进行仿真；设计模糊控制器，构建循环纯水冷却系统的模糊自适应 宁夏大学硕士学位论文 第一章 绪论 4 pid 控制系统的仿真模型,对循环纯水冷却系统进行模糊自适应 pid 控制算法的仿真。 通过仿真分 析，模糊自适应 pid 控制算法较常规 pid 控制具有一定的优越性。确定了换流阀循环水冷却系统 的控制方案为模糊自适应 pid。 (4)进行换流阀水风冷却系统的硬件设计。本控制系统中以换流阀阀厅的入口温度为控制对 象，以 plc 作为主控制器完成对换流阀冷却水的温度控制。首先进行 plc、检测元件、执行器 等的选型，之后采用 s7 300plc、温度传感器、变频器、固态交流继电器、风机、电加热器等 完成换流阀水风冷却系统的硬件设计；绘制了循环水温度控制系统的主电路图和控制电路图；还 对循环冷却水系统的压力、流量、电导率进行开关量控制。 (5)以 s7- 300plc 为控制器，利用 step7 编程软件，采用查表法进行模糊自适应 pid 控制算法 在 plc 上的软件实现。 1.5 本章小结 本章介绍了课题的背景及意义, 在此基础上介绍了换流阀散热国内外研究现状及模糊智能 控制器的发展及研究动态, 总结了本课题所做的主要工作。 宁夏大学硕士学位论文 第二章 换流阀水风冷却系统工艺及控制结构 5 第二章 换流阀水风冷却系统工艺及控制结构 高压直流输电技术广泛应用在远距离大功率输电、 海底电缆送电及不同或相同额定频率交 流系统间的非同步联络等方面。换流站是高压直流输电中实现交直流电力变换的工程设施，晶闸 管换流阀是核心设备。 由于高压晶闸管换流阀元件及其辅助设备的特性，对冷却系统的要求十 分苛刻，冷却系统的性能关系到整个工程的经济性、可靠性。本文采用水风冷却装置，即密闭式 循环纯水冷却装置。主循环水泵将恒定压力和恒定流速的纯水送到被冷却器件即换流阀阀厅中， 带走了换流阀产生的热量，升温后的纯水通过散热器（空气冷却器）进行二次散热，散热后回流 至主循环泵的进口，形成了一个密闭循环的闭环冷却系统4。冬天换流阀停机时为了保证循环水 水温不低于换流阀阀厅的露点温度，需要加热器对水温进行适度加热。通过散热器、加热器两路 执行机构的交替工作，完成了循环水温度的定值控制。 2.1 换流阀水风冷却系统结构 本系统采用的水风冷却装置由循环系统、排气系统、水处理系统、过滤系统、加热系统、短 接系统、制备系统、稳压系统、换热系统、监测系统、控制系统组成。图 2- 1 是水风冷却系统装 置原理图，以下就对各个子系统进行介绍： （1）循环系统：由两台水泵并联组成，为冷却提供纯水循环动力，泵出口处装有单向阀， 防止水逆行；单台运行，相互备用，自动切换；扬程：60m ，流量：45m3/h 功率：11kw。 （2）排气系统：自动或手动排除循环系统运行时产生的气体，保证晶闸管阀及冷却系统的 安全运行；由脱气罐顶、脱气罐顶部的自动排气阀、加热器出口的排气阀、离子交换器顶部自动 排气阀组成。 （3）水处理系统：主要用于提升和维持冷却系统内纯水的电阻率。 （4）过滤系统：防止冷却系统中的杂物进入晶闸管阀，保持冷却系统的洁净。滤器装并联 旁路，可不停机清洗滤器；系统主管路循环泵出口处装有机械过滤器，过滤可见颗粒状固体杂物， 过滤精度：200m；离子交换器出水管路装精密过滤器，过滤微细漂浮杂质、胶凝物，过滤精度： 50m；系统主管路循环泵出口处装有机械过滤器过滤精度 500m；过滤网袋均能清洗，拆装方 便。 （5）加热系统：由两只电加热器组成，可在循环系统温度接近露点时对主水实施加热升温， 防止结露。 （6）短接系统：在晶闸管阀停机维修时，关闭晶闸管阀的进出水口，开启短接系统，冷却 循环系统照常运行，风冷却器内的纯水不致结冰。 （7）制备系统：制备系统是自来水制成纯水装置，当膨胀水罐内的纯水低于液位设定，该 系统自动开启制备纯水并进入膨胀水罐，当膨胀水罐内的纯水液位高于设定该系统自动停止；制 备系统由混合离子罐、阳离子罐、阴离子罐组成；制水量：1m3/h ；电导率：1 m? cm；容 量：混合罐 34l；阳离子罐 17l；阴离子罐 17l。 （8）稳压系统：稳压系统维持系统运行压力的稳定，抑制水突然停止运行时水锤对系统的 冲击，对循环系统进行自动补水，隔绝大气与纯水的接触；稳压系统由气囊膨胀水罐、磁翻板液 位计组成，气囊外侧与纯水接触，气囊内侧与空气接触。 宁夏大学硕士学位论文 第二章 换流阀水风冷却系统工艺及控制结构 6 （9）换热系统：由 2 台列式风冷却器组成，晶闸管阀出来的载热纯水进入翅片换热管，空 气在风机作用下，垂直掠过翅片换热管将纯水热量置换。 图 2- 1 水风冷却系统装置原理图 （10）监测系统：由温度计、压力计、流量计、电导率仪组成；监测项目：温度、压力、流 量、电导率。 2.2 换流阀水风冷却系统工艺 自来水首先经过纯水制备系统的离子罐作用后制成纯水，进入气囊膨胀水罐；考虑到出口水 的压力，通过气囊膨胀水罐的稳压作用，使得出水口压力保持恒定；同时，为了除去循环系统运 行时产生的气体，在出口处同时装有脱气罐，从而保证晶闸管阀及冷却系统的安全运行；为了保 证纯水的电阻率，离子交换器不断向回路补充高纯水以补充纯水水质，经过脱气罐进入气囊膨胀 水罐。处理过的纯水进入主循环回路。在主循环回路中，为了保证循环水的恒定流速，在主回路 中装有水泵。在主循环回路中装有传感器，用于对水的温度以及压力、电导率、流量等参数进行 监测。 主循环系统由两台水泵、换流阀阀厅、空气冷却器、加热器组成。两台水泵互为冗余，自动 切换；当监测到的换流阀阀厅入口温度（晶闸管入水口温度）高于设定值时，通过控制器启动换 热部分（散热器）运行。换热系统由列管式空气冷却器组成。而当换流阀阀厅入口温度低于设定 值时（如北方寒冷的冬天换流阀停机时，循环水的温度会低于设定值） ，此时需要通过加热系统 对主水实施加热升温处理，保证循环水温度的定值控制。加热器的使用可以防止循环水系统温度 宁夏大学硕士学位论文 第二章 换流阀水风冷却系统工艺及控制结构 7 过低接近露点时出现结露现象，确保整个水循环系统的安全、稳定运行5。 考虑到水循环系统运行过程中产生的各种杂物以及晶闸管阀发生故障，整个水风冷却系统中 装有过滤系统、短接系统以及监测系统，对整个主水系统运行进行实时检测。 本系统中充分考虑到水冷却与风冷却各自的优势与不足，采用水风冷却相配合，优势互补， 从而最大限度地保证系统优质、节能、安全的运行6,7。水风冷却装置结构简图如图 2- 2 所示。 图 2- 2 水风冷却装置结构简图 2.3 换流阀水风冷却系统控制目标 对于换流阀水风冷却系统而言，最主要的是控制换流阀的入口、出口水的温度。这里以循环 冷却水进入换流阀阀厅的入口温度为主控参数，在换流阀阀厅入口管道附近安装有温度传感器， 用来实时测量换流阀阀厅的入口温度。本文中的温度控制采取定值控制，即恒温控制。综合考虑 换流阀工作时产生的热量大小和循环冷却水的最低温度必须大于阀厅露点温度，选择适当的温度 值作为冷却水进入换流阀阀厅的控制温度，本设计中选择 30 摄氏度作为控制目标。 对于主水循环系统中换流阀阀厅处安装有温度传感器，测量换流阀阀厅入口处水的温度，冷 当却水温度高于设定值时的控制是通过改变散热器（空气冷却器）的风机转速，从而改变散热器 散热系数的方法来实现的。具体过程为：控制系统依据换流阀功率的变化，根据冷却水系统的温 度传感器采集的信号，由控制器控制变频器，输出频率可调的交流电压作为空气冷却器风机的电 源电压，方便地改变风机的转速，改变散热器散热系数，以保证空气冷却器处于最佳运行工况， 达到控制换流阀冷却水水温的降低到设定值的目的；当冷却水温度低于设定值时的控制是通过控 制交流固体继电器改变加热器的端电压，从而改变加热器工作产生的热量的方法来实现的。即通 过控制加热器的加热功率来保证水温不低于露点温度。一般阀厅的露点温度为 28 摄氏度，加热 器的使用是为了保证冷却水的温度大于阀厅的露点温度， 对于主水循环系统出口处安装压差流量计， 测量主水循环系统出口处的流量。 当流量较低时， 启动主循环回路中的水泵。 对于主水循环系统出口处安装压力传感器， 测量主水循环系统出口处的压力。 当压力较低时， 打开与气囊膨胀水罐相连的自来水进水电磁阀。 宁夏大学硕士学位论文 第二章 换流阀水风冷却系统工艺及控制结构 8 主循环回路中装有电导率传感器，用来监测回路中的电导率。当回路中的电导率低时，就打 开离子交换器的电磁阀。 2.4 换流阀循环水温度控制结构 换流阀循环水温度控制系统以换流阀阀厅冷却水的入口温度为主控参数，系统总体设计框图 如图 2- 3 所示，本系统以工控机为上位机，下位机以西门子的 plc 主控制器为核心，应用 profibusdp 总线将上位机、下位机及各个节点组网，实现对换流阀冷却水温度的恒温控制。其 中工控机作为上位机实现对冷却水系统的整体监控、参数设定、信息记录存储等功能。plc 主控 器完成模糊自适应 pid 温度控制算法的实现以及压力、流量等参数的控制调整8,9,10。 控制系统采用集中监控、分散控制的模式，依据这一原则将整个循环水温度控制系统分为三 个层次，即监控层、控制层、设备层。系统构成如下： 图 2- 3 水风冷却系统控制结构图 监控层:上位机应用 profibusdp 总线实现与下位机 plc 的通讯。 上位机完成与下位机 plc 之间实时通讯，实现对冷却循环水系统实现整体监控、参数设定、信息记录存储等功能。 控制层:控制层是整个控制系统的核心，在整个控制系统中起着“ 承上启下” 的作用。本系统采 用西门子 s7 一 300 系列 plc。 主控参数为换流阀冷却水的入口温度。 plc 接受现场发来的数据 信息(数字量或模拟量输入信号)，经过其自身 cpu 中储存的控制程序的运算处理后，发出相应指 令，对现场执行机构进行控制，当经过控制程序的运算处理后的控制量小于零（温度偏差值为负） 时，控制变频器的输出，从而调节空气冷却器中风机的电机转速，进而调节空气冷却器（散热器） 上位机pc 模拟量输入模块 下位机 plc 继电器模块 蝶 阀 上位机pc 下位机 plc 数字量输入模块 模拟量输出模块 传感器 空 气 冷 却 器 加 热 器 电 导 率 流 量 阀 厅 出 口 温 度 阀 厅 入 口 温 度 压 力 固 态 继 电 器 变 频 率 蝶 阀 水 泵 离 子 交 换 器 气 囊 膨 胀 水 罐 电 磁 阀 宁夏大学硕士学位论文 第二章 换流阀水风冷却系统工艺及控制结构 9 空气侧的换热系数的大小，以达到调节空气侧吸收热量的多少的目的，调节空气冷却器的载热能 力，使得循环纯水温度降低到给定值的目的。当经过控制程序的运算处理后的控制量大于零（温 度偏差值为正）时，控制交流固体继电器来控制电加热器的端电压，使得电热丝动作。交流固体 继电器采用了可控硅移相触发单元，交流固体继电器移相触发角是与其输入的控制电流成正比。 以输出的交流电压来控制加热器 0- 220v 的端电压，从而达到调节加热器加热功率的目的，使得 循环纯水温度升高到给定值的目的11,12,13。设备层：现场的测量装置有温度传感器、流量传感器、 电导率传感器、压力传感器等。现场的执行机构有变频器、空气冷却器（散热器） 、交流固体继 电器、加热器、水泵等。 2.5 本章小结 本章介绍了换流阀水风冷却系统的结构、工艺流程；重点介绍了循环水温度控制系统所采用 的集散控制方式：集中监控、分散控制。 宁夏大学硕士学位论文 第三章 换流阀冷却水温度模糊自适应 pid 控制器的设计及仿真 10 第三章 换流阀冷却水温度模糊自适应 pid 控制器的设计及仿真 3.1 控制系统理论研究 3.1.1 控制系统品质要求 在实际工程应用中，控制系统的品质从稳定性(长期稳定性)、准确性(精度)、快速性(相对稳 定性)三个方面来评价控制系统的总体性能。稳定性是自动控制系统的最基本要求，对于一扰动系 统而言,，当扰动消失后，被控量能恢复到期望值，或跟随给定量的规律做相应变化；系统稳定性 是由其自身结构决定，而与外界因素无关；准确性反映系统的稳态性能，通常用稳态误差来表示， 稳态误差指系统达到稳态时，输出量的实际值与期望值之间的误差，这一性能也表示稳态时的控 制精度。稳态误差越小，则精度越高；快速性指过渡过程的快慢，希望系统能快速恢复到稳定状 态，是系统的动态性能指标。对于一个闭环控制系统，稳定性、准确性、快速性是相互制约的； 提高快速性，可能会影响过渡过程的稳定性；而改善稳定性，可能会导致快速性下降；提高了稳 态精度，可能会导致稳定性的下降。因此必须要兼顾稳态精度和暂态品质两个方面的要求，根据 具体情况合理解决。 3.1.2 自动控制系统性能指标 1. 稳定性 对一个反馈控制系统来说，当系统扰动量(或给定量)发生变化时，系统输出量将偏离原来的 稳定值，产生偏差。当通过反馈作用进行内部自动调节，经过短暂的过渡过程，被控量又接近或 者恢复到原来的稳态值，或按照新的给定量(或给定量的变化规律)稳定下来，这时系统从原来的 平衡状态过渡到了新的平衡状态，则称此系统为稳定的系统；不稳定的系统是没有实际意义的， 因此我们研究的对象都是针对稳定系统的。 稳态误差的大小是衡量控制系统稳态性能的重要指标，表示控制系统准确性的性能指标。稳 态误差是指在稳态条件下输出量的期望值与实际值之间的差： )(1 )( lim)(lim 0 sg ssr tee k tt ss + = （3- 1） 式中,)(sgk为开环传递函数，是由系统的开环增益、系统的类型决定， ，可通过增大系统的 开环增益及提高系统的类型数来改善系统的稳态性能，但这给系统带来稳定性问题，所以需调整 系统的结构。 2.暂态性能指标 系统从一种稳态到达另一种稳态的过渡过程称为暂态。暂态性能指标主要有:延迟时间、上升 时间、超调量、峰值时间等。 3.2 pid 控制技术 pid 控制（比例- 积分- 微分控制 proportion- integral- derivative control）是最早发展起来的控制 策略之一，其算法简单、鲁棒性好、可靠性高，被广泛应用于工业过程控制。目前生产过程中， 宁夏大学硕士学位论文 第三章 换流阀冷却水温度模糊自适应 pid 控制器的设计及仿真 11 大都具有非线性、不确定性，很难建立精确数学模型，使用常规 pid 控制器难以达到理想的控制 效果；在实际生产过程中，由于参数整定方法烦杂，常规 pid 控制器的整定效果比较差，对运行 环境的适应性也较差。所以，人们一直在寻求 pid 控制器参数的自适应（自整定）技术， 以此 来适应复杂工况和高指标的控制要求。微处理机技术的发展和数字智能式控制器的实际应用，及 近几年来各种先进算法的不断出现，为控制复杂系统开辟了新的途径。 3.2.1 pid 控制基本原理 pid 控制器，即比例、积分、微分控制器，是一种最基本的控制方式，它是复杂控制和计算 机直接控制的基础。 图 3- 1 pid 结构示意图 常规 pid 控制器系统原理框图如图 3- 1 所示，系统主要由 pid 控制器和被控对象组成。作为 一种线性控制器，它根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线 性组合构成控制量从而对被控对象进行控制，可以用式（3- 2）表示： ）（ dt tdet dtte ti tektu d t p )( )( 1 )()( 0 += （3- 2） 这里，( )( )( )e tr ty t=， p k：比例系数；it：积分时间常数； d t：微分时间常数。 （1）比例环节 引入比例作用是为了及时成比例地反应控制系统的偏差信号 e (t)，从而以最快的速度产生控 制作用，使偏差向减小的趋势方向变化。 （2）积分环节 引入积分作用，是为了保证被控量在稳态时对设定值 r（t）的无静态误差切换。 （3）微分环节 引入微分作用是为了改善闭环系统的稳定性和动态响应的速度。 3.2.2 pid 控制器的特点 实践表明像 pid 这样简单的控制器，能适用于各种对象，具有很高的性价比。pid 控制的两 个优点： 宁夏大学硕士学位论文 第三章 换流阀冷却水温度模糊自适应 pid 控制器的设计及仿真 12 (1)控制原理简单、实现方便，可以满足大多数实际工程需要； (2)控制器适用于多种不同的对 象，具有很好的鲁棒性。但是，常规 pid 控制器在控制品质上仍然存在着局限性：pid 控制比较 适用于 siso 最小相位系统，面队大时滞、开环不稳定过程等控制对象时，需要通过多个 pid 控 制器或与其他控制器的组合，才能得到较好的控制效果；pid 控制只能够确定闭环系统的少数主 要零极点，闭环特性从根本上就是基于动态特性的低阶近似假定的；常规 pid 控制器没有办法同 时满足跟踪设定值和抑制扰动的不同性能要求。 3.2.3 数字 pid 算法 随着计算机技术的发展，数字 pid 控制器将逐渐取代传统的模拟 pid 控制器。数字 pid 控制 算法分位置式 pid 控制算法和增量式 pid 控制算法。 1.数字位置式 pid 控制算法 = = += += k i dip d k t i p kekekiekkek t keke tie t t kku 0 0 )1()()()( )1()( )()( （3- 3） 其中，,ttkk dpd /=分别称为积分系数和微分系数, t 为采样周期。 此表达式中提供了执行机构的位置 u ( k ) ，输出值与过去所有的状态有关，计算机需记录从开 始状态的所有 e ( i ) 的值，这样将占用大量计算机的内存资源，计算机输出控制量 u ( k ) 对应的是 执行机构的实际位置偏差。如果位置传感器出现了故障，则 u ( k ) 可能会大幅度变化，引起执行机 构位置的大幅度变化，出现状态失稳的情况;另一方面不便于编写程序。 2.数字 pid 增量型控制算法 数字 pid 增量算法由下式给出： )2() 1(2)()()1()() 1()()(+=kekekekkekkekekkukuku dip （3- 4） 增量式与位置式控制算法从本质上考虑是一致的，只是它需要使用有附加积分环节的执行机 构。比较而言增量型算法具有以下优点:1)增量型算法不需做累加，位置型算法要需用到过去误差 的累加值，这样就容易产生较大的累加误差；2)增量型算法得出的是控制量的增量，位置型算法 的得出是控制量的全量输出，误动作影响大；3 )增量型算法由于执行机构有积分保持作用易于实 现手动到自动的无冲击切换。 3.2.4 常用 pid 参数整定方法 pid 控制器参数整定就是设置和调整控制器的参数， 使控制系统的过渡过程达到满意的品质。 pid 的整定通常是对 kp，ti，td三个常用的控制参数进行调整，常用的参数整定方法，主要有以 下几类:基于被控过程对象参数辨识的整定方法，基于模式识别的专家系统法、基于控制器自身控 制行为的控制器参数在线整定方法。介绍了现场经验整定法、稳态边界法、衰减曲线法等常用的 pid 参数整定方法，分析了各自的特点。 随着工业的发展，对象的复杂程度不断加深，尤其对于大滞后、时变的、非线性的复杂系统， 无法获得较精确的数学模型，传统的 pid 控制策略已显得无能为力。而像模糊控制、神经网络控 宁夏大学硕士学位论文 第三章 换流阀冷却水温度模糊自适应 pid 控制器的设计及仿真 13 制和专家控制是目前智能控制中最为活跃的领域，它与常规 pid 控制相结合，优势互补，称之为 智能 pid 控制， 这种新型控制器不依赖系统的精确数学模型， 对系统参数变化具有较好的鲁棒性， 被视为未来工业过程应用的发展方向。 pid 控制器参数整定，是指在控制器规律己经确定为 pm 形式的情况下，通过调整 pid 控制 器的参数，使得由控制对象、控制器等组成的控制回路的动态特性满足期望的指标要求，达到理 想的控制目标。 通常有 pid 控制器参数 zn(ziegler 和 niehols)经验公式法， zn临界比例度法， iste 最优整定法，特征面积法等。 3.3 模糊控制概述 模糊控制是采用模糊语言控制把基于专家知识的控制策略转换为自动控制的具体策略的控 制，基本思想为：把人类专家对于特定被控对象、过程的控制策略总结成为一系列“ if(条 件)then(作用)” 形式表示的控制规律，通过模糊推理得到了控制作用集，作用于被控对象、过程。 模糊控制能够避开控制对象的数学模型(如状态方程或传递函数等)，它力图对