PLC在某型航空電源車O～70 V電路中的應(yīng)用

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(yùn)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(yàn)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
關(guān)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(jī)起動(dòng)而設(shè)計(jì)的一種多功能綜合型電源車。采用了PLC-EM23l組合控制技術(shù)、FSLW雙流無刷電機(jī)，模擬某型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程，增加了直流O～70 V起動(dòng)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(dòng)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(jī)直流電壓勵(lì)磁調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，采用PLC可編程控制技術(shù)，通過發(fā)電機(jī)進(jìn)行采樣，由軟件控制來實(shí)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(duì)飛機(jī)供電，并和28．5 V輸出互鎖。通過可編程器輸出的PWM信號(hào)控制IGBT調(diào)整管的導(dǎo)通時(shí)間，以此來控制勵(lì)磁電流的大小，改變發(fā)電機(jī)的輸出電壓。同時(shí)通過輸出采樣電壓的采樣分析判斷，對(duì)PWM的輸出進(jìn)行補(bǔ)償和時(shí)間調(diào)整，以保證O～70 V電壓的輸出能夠滿足某型飛機(jī)起動(dòng)特性要求。

    工作過程為：由飛機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)向地面電源設(shè)備發(fā)出“升壓控制”信號(hào)，通過地面電源設(shè)備的O～70 V勵(lì)磁控制電路，按照設(shè)計(jì)要求自動(dòng)轉(zhuǎn)換發(fā)動(dòng)機(jī)勵(lì)磁方式，使發(fā)電機(jī)端電壓從其剩余電壓逐漸上升到70 V左右。起動(dòng)升壓狀態(tài)如下：第一階段，發(fā)電機(jī)以并勵(lì)為主，發(fā)電機(jī)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(jī)由并勵(lì)轉(zhuǎn)為串勵(lì)狀態(tài)，串勵(lì)后發(fā)電機(jī)電壓從14 V左右上升到38 V左右，起動(dòng)電流從1900 A左右下降到1200 A左右；第三階段，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程的最后階段，在這一階段發(fā)電機(jī)工作在復(fù)勵(lì)狀態(tài)，發(fā)電機(jī)端電壓從38 V上升到70 V左右。

2 PLC在直流O～70 V啟動(dòng)電源中的設(shè)計(jì)
2．1 硬件設(shè)計(jì)
    采用繼電器的控制電路中，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁方式的兩次轉(zhuǎn)換是由兩個(gè)繼電器吸合來實(shí)現(xiàn)控制的，對(duì)繼電器吸合電壓的準(zhǔn)確性要求較高，吸合電壓由分壓電阻采樣發(fā)電機(jī)輸出電壓，由電位器來控制，隨著分立元件的長(zhǎng)時(shí)間使用，性能參數(shù)等發(fā)生改變，都會(huì)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(dǎo)致發(fā)電機(jī)在升壓階段中電壓的每一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)處，電壓、電流都不是平滑改變的，這將降低用電設(shè)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(jī)輸出電壓、電流無極變化，延長(zhǎng)用電設(shè)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(jiǎn)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(gè)數(shù)字量I／O點(diǎn)，可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I／O點(diǎn)或35路模擬量I／O點(diǎn)，13 k字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20 kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器，1個(gè)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(qiáng)控制能力的控制器。
    CPU224的IO．O輸入端口檢測(cè)到飛機(jī)起動(dòng)信號(hào)時(shí)，通過電阻分壓和電流傳感器對(duì)發(fā)電機(jī)的輸出端電壓和輸出電流進(jìn)行采樣，采樣值進(jìn)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(duì)地面起動(dòng)電源發(fā)電機(jī)輸出電壓和回路電流進(jìn)行分析判斷，比照飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)各階段所需的電壓和電流起動(dòng)波形，根據(jù)判斷結(jié)果實(shí)時(shí)在其QO．O端口輸出各起動(dòng)階段需要的PWM信號(hào)來控制大功率MOS管，以此來控制地面起動(dòng)電源發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的大小，從而改變發(fā)電機(jī)的輸出電壓，以保證輸出的0～70 V電壓嚴(yán)格滿足飛機(jī)啟動(dòng)特性的要求。
2．2 軟件設(shè)計(jì)
    在軟件設(shè)計(jì)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(shí)調(diào)節(jié)器輸出，E(k)：為第K次采樣時(shí)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(shí)時(shí)控制，閉環(huán)調(diào)節(jié)勵(lì)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(jìn)行輸出脈沖寬度控制，使發(fā)電機(jī)輸出電壓既滿足0～70 V電壓逐步升高的起動(dòng)規(guī)律，又保證了各階段時(shí)間節(jié)點(diǎn)之間電壓的穩(wěn)定性，使飛機(jī)起動(dòng)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(hào)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(hào)傳輸給PLC的B+端；PLC實(shí)時(shí)采樣，計(jì)算出△I／t、△V／t的變化值。
    (1)采樣時(shí)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(jī)的起動(dòng)過程中時(shí)間與電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系而設(shè)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(duì)輸出電壓進(jìn)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(shí)時(shí)采樣，計(jì)算出△I／△T、△U／△T的變化值。根據(jù)控制要求，確定時(shí)間對(duì)應(yīng)變化關(guān)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(guān)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(duì)應(yīng)精確量的模糊表：

    根據(jù)模糊關(guān)系和模糊精確表，改變PWM控制輸出占空比，使得勵(lì)磁電流通過模糊決策算法，根據(jù)模糊精確表進(jìn)行控制。根據(jù)實(shí)時(shí)采樣值達(dá)到的偏差值進(jìn)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(dá)到改變勵(lì)磁電流的目的。再根據(jù)電流、電壓、時(shí)間的隸屬關(guān)系，進(jìn)行再一步的修正，最終實(shí)現(xiàn)輸出控制穩(wěn)定電壓O～70 V的目的。
2．4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    試驗(yàn)波形見圖4，通過試驗(yàn)可以看出用PLC對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制，滿足某型飛機(jī)起動(dòng)時(shí)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(yīng)用滿足了某型飛機(jī)起動(dòng)要求。采用數(shù)控方式，使起動(dòng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)與飛機(jī)上定時(shí)機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間一致，電壓變化平滑，飛機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)步上升，起動(dòng)瞬時(shí)起動(dòng)電流小，提高了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命。PLC可編程控制器具有的高可靠性、編程簡(jiǎn)單易用等特性，使得其在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。