摘要：介紹了采用PLC可編程控制器，EM231輸入模塊等硬件組成的系統(tǒng)控制某型航空電源車0～70 V電路。通過使用PID等運算指令，該系統(tǒng)能控制某型航空電源車工作，使某型航空電源車按要求輸出電流、電壓。通過試驗達到設計要求。
關鍵詞：航空電源車；PLC；PID控制
O 引言
某型航空電源車是保障某型飛機起動而設計的一種多功能綜合型電源車。采用了PLC-EM23l組合控制技術、FSLW雙流無刷電機，模擬某型飛機發(fā)動機啟動過程，增加了直流O～70 V起動電源。經(jīng)過使用，其電源品質(zhì)和可靠性完全滿足某型飛起的啟動要求。
1 某型航空電源車O～70 V控制原理
某型電源車0～70 V是從3～4 V左右逐漸增大到70 V左右的直流電源。其控制方式是在雙流發(fā)電機直流電壓勵磁調(diào)節(jié)的基礎上，采用PLC可編程控制技術，通過發(fā)電機進行采樣，由軟件控制來實現(xiàn)，其控制原理圖見圖1。0～70 V輸出是通過控制接觸器對飛機供電，并和28．5 V輸出互鎖。通過可編程器輸出的PWM信號控制IGBT調(diào)整管的導通時間，以此來控制勵磁電流的大小，改變發(fā)電機的輸出電壓。同時通過輸出采樣電壓的采樣分析判斷，對PWM的輸出進行補償和時間調(diào)整，以保證O～70 V電壓的輸出能夠滿足某型飛機起動特性要求。
工作過程為：由飛機起動系統(tǒng)向地面電源設備發(fā)出“升壓控制”信號，通過地面電源設備的O～70 V勵磁控制電路，按照設計要求自動轉(zhuǎn)換發(fā)動機勵磁方式，使發(fā)電機端電壓從其剩余電壓逐漸上升到70 V左右。起動升壓狀態(tài)如下：第一階段，發(fā)電機以并勵為主，發(fā)電機輸出從剩磁電壓3 V左右迅速上升到14 V左右，電流從零猛增到1900 A左右；第二階段，發(fā)電機由并勵轉(zhuǎn)為串勵狀態(tài)，串勵后發(fā)電機電壓從14 V左右上升到38 V左右，起動電流從1900 A左右下降到1200 A左右；第三階段，飛機發(fā)動機起動過程的最后階段，在這一階段發(fā)電機工作在復勵狀態(tài)，發(fā)電機端電壓從38 V上升到70 V左右。
2 PLC在直流O～70 V啟動電源中的設計
2．1 硬件設計
采用繼電器的控制電路中，發(fā)電機勵磁方式的兩次轉(zhuǎn)換是由兩個繼電器吸合來實現(xiàn)控制的，對繼電器吸合電壓的準確性要求較高，吸合電壓由分壓電阻采樣發(fā)電機輸出電壓，由電位器來控制，隨著分立元件的長時間使用，性能參數(shù)等發(fā)生改變，都會使繼電器吸合電壓發(fā)生改變；另外采用繼電器作為轉(zhuǎn)換控制器件，可導致發(fā)電機在升壓階段中電壓的每一個轉(zhuǎn)折點處，電壓、電流都不是平滑改變的，這將降低用電設備的使用壽命。
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采用PLC可編程控制器控制電路(見圖2)，可以平穩(wěn)控制，使發(fā)電機輸出電壓、電流無極變化，延長用電設備使用壽命。西門子S7-200系列可編程控制器，其中中央處理單元采用CPU224，模擬量輸入模塊采用EM231，硬件電路簡化示意見圖2。西門子S7-200系列可編程控制器使用CPU224，CPU224集成14輸入／10輸出共24個數(shù)字量I／O點，可連接7個擴展模塊，最大擴展至168路數(shù)字量I／O點或35路模擬量I／O點，13 k字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間，6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20 kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器，1個RS485通訊口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I／O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強控制能力的控制器。
CPU224的IO．O輸入端口檢測到飛機起動信號時，通過電阻分壓和電流傳感器對發(fā)電機的輸出端電壓和輸出電流進行采樣，采樣值進入PLC模擬量輸入模塊EM231，由中央處理單元CPU224內(nèi)軟件控制，對地面起動電源發(fā)電機輸出電壓和回路電流進行分析判斷，比照飛機發(fā)動機各階段所需的電壓和電流起動波形，根據(jù)判斷結(jié)果實時在其QO．O端口輸出各起動階段需要的PWM信號來控制大功率MOS管，以此來控制地面起動電源發(fā)電機勵磁電流的大小，從而改變發(fā)電機的輸出電壓，以保證輸出的0～70 V電壓嚴格滿足飛機啟動特性的要求。
2．2 軟件設計
在軟件設計中，我們采用了增量式PID控制算法，其具體算法如下：
△P(k)=Kp[E(k)-E(k-1)]+KiE(k)+Kd[E(k)-2E(k-1)+E(k-2)]其中：P(k)：為第K次采樣時調(diào)節(jié)器輸出，E(k)：為第K次采樣時的偏差值，Kp、Ki、Kd：PID比例系數(shù)。通過采樣電壓的變化，采用實時控制，閉環(huán)調(diào)節(jié)勵磁電流，用PID調(diào)節(jié)規(guī)律，不斷修正PID比例系數(shù)，按照最佳匹配參數(shù)進行輸出脈沖寬度控制，使發(fā)電機輸出電壓既滿足0～70 V電壓逐步升高的起動規(guī)律，又保證了各階段時間節(jié)點之間電壓的穩(wěn)定性，使飛機起動電壓和轉(zhuǎn)速穩(wěn)定上升。
2．3 軟件控制過程
電壓傳感器將O～70 V電壓轉(zhuǎn)換為0～5 V的直流信號傳輸給PLC的A+端；電流傳感器將0～2500 A電流轉(zhuǎn)換為0～5 V直流信號傳輸給PLC的B+端；PLC實時采樣，計算出△I／t、△V／t的變化值。
(1)采樣時間開環(huán)，電壓、電流雙閉環(huán)控制方式調(diào)整電壓輸出過程，參照某型飛機的起動過程中時間與電壓的對應關系而設置，即：0～3 s前，電壓上升至1．5～7 V；3～20 s前，電壓上升至7～19 V；20～30 s前，電壓上升至19～35 V。
(2)根據(jù)電壓、電流的變化，非線性分階段對輸出電壓進行調(diào)整，即根據(jù)電流的變化△I和△I／AT電流變化率的制定控制參數(shù)的選取，通過軟件模糊調(diào)節(jié)器來控制PWM大小及繼電器工作的次序。PLC實時采樣，計算出△I／△T、△U／△T的變化值。根據(jù)控制要求，確定時間對應變化關系。采用模糊智能控制方式方可得到有效控制的目的。[!--empirenews.page--]
①模糊關系
②模糊矩陣
③模糊變換
根據(jù)A=(X1，X2，X3，X4，X5)；B=(V1，V2，V3)，求得B=A·R。
④模糊決策
若1．5～2 s電壓低于6～8 V，執(zhí)行R=(X1·U1)U(X1·U1)；若4～20 s電壓低于18．5～19．5 V，執(zhí)行R=(X2·U2)U(X2·U2)；若20～40s電壓低于19．5～35 V，執(zhí)行R=(X3·U3)U(X3·U3)。電壓變化各元素隸屬度見表2。
對應精確量的模糊表：
根據(jù)模糊關系和模糊精確表，改變PWM控制輸出占空比，使得勵磁電流通過模糊決策算法，根據(jù)模糊精確表進行控制。根據(jù)實時采樣值達到的偏差值進行推理后，逐步修正輸出因子的控制值，從而改變占空比，來達到改變勵磁電流的目的。再根據(jù)電流、電壓、時間的隸屬關系，進行再一步的修正，最終實現(xiàn)輸出控制穩(wěn)定電壓O～70 V的目的。
2．4 實驗結(jié)果
試驗波形見圖4，通過試驗可以看出用PLC對發(fā)電機進行自動控制，滿足某型飛機起動時的特性。
3 結(jié)束語
PLC可編程控制器在某型航空電源車O～70 V中的應用滿足了某型飛機起動要求。采用數(shù)控方式，使起動時間節(jié)點與飛機上定時機構(gòu)動作時間一致，電壓變化平滑，飛機轉(zhuǎn)速穩(wěn)步上升，起動瞬時起動電流小，提高了飛機發(fā)動機使用壽命。PLC可編程控制器具有的高可靠性、編程簡單易用等特性，使得其在工業(yè)自動化控制領域的應用越來越廣泛。
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