電力機車(chē)輔助電機PID控制研究

摘要：電力機車(chē)輔助電機主要是為了保證主電路的正常工作而設計的輔助設備，其是否投入工作取決于主電路的工作狀態(tài)，即使在環(huán)境溫度很低的情況下，盡管主電路工作在牽引或制動(dòng)工況，但這些輔助設備服務(wù)的主電路電器設備的溫升并不高，這不僅造成能源浪費，增加了設備的損耗，降低其使用壽命，同時(shí)也產(chǎn)生很大的機械和電磁噪聲，影響乘務(wù)作業(yè)人員工作的舒適度。選擇PID控制策略，以新型傳感器為牽引電機的溫升檢測裝置，以PLC作為系統控制單元，以HMI為系統的人機界面，完成了系統硬件方案設計，借助專(zhuān)用工具設計PLC和HMI的軟件，實(shí)現了電力機車(chē)輔助電機的PID控制。
關(guān)鍵詞：電力機車(chē)；輔助電機；PID控制；研究

電力機車(chē)輔助電機主要是為了保證主電路的正常工作而設計的輔助設備，其是否投入工作取決于主電路的工作狀態(tài)，即使在環(huán)境溫度很低的情況下，盡管主電路工作在牽引或制動(dòng)工況，但這些輔助設備服務(wù)的主電路電器設備的溫升并不高，這不僅造成能源浪費，增加了設備的損耗，降低其使用壽命，同時(shí)也產(chǎn)生很大的機械和電磁噪聲，影響乘務(wù)作業(yè)人員工作的舒適變。如果研究開(kāi)發(fā)一個(gè)有閉環(huán)控制功能的控制系統，在需要輔助電機投入工作時(shí)控制其投入工作，不需要則使其停機，基于新型傳感器、PLC和HMI的輔助電機PID控制系統就是本課題的研究內容。
輔助電機是電力機車(chē)輔助電路的重要設備，它包括異步劈相機、空氣壓縮機電機、牽引通風(fēng)機電機、制動(dòng)通風(fēng)機電機、變壓器風(fēng)機電機和潛油泵電機。劈相機為輔助電路提供三相電源，壓縮機為機車(chē)提供風(fēng)源，牽引風(fēng)機對整流裝置、平波電抗器和牽引電機強迫冷卻，變壓器風(fēng)機和潛油泵則為變壓器散熱。這些電機的功率從10千瓦到35千瓦不等，是電力機車(chē)除牽引電機外功率最大的耗能設備，以一臺6軸電力機車(chē)為例，輔助電機的功率總和就達300 kW，韶山4型等8軸電力機車(chē)的輔助電機的功率總和甚至更大。更重要的是，這些功率很大的耗能設備控制完全是由司機進(jìn)行人工控制的。在這些輔助電機中，牽引風(fēng)機電機的功率僅次于劈相機，出于電力機車(chē)運行安全的考慮，在邏輯控制環(huán)節設置了聯(lián)鎖，在制動(dòng)工況和牽引工況的高級位，即使在寒冷的冬季，在環(huán)境溫度很低，無(wú)需對牽引電機、平波電抗器、主變壓器等設備強迫冷卻的的情況下，也必須開(kāi)啟牽引風(fēng)機，也就是說(shuō)風(fēng)機開(kāi)啟的條件和時(shí)機不是根據上述設備的溫升，而是由機車(chē)所處的工況決定的。這樣的控制策略存在明顯的不足，既不科學(xué)也不節能，在提倡節能減排、低碳經(jīng)濟成為社會(huì )共識的大背景下，應根據機車(chē)具體情況，研究并優(yōu)化機車(chē)輔助電機控制系統具有現實(shí)的經(jīng)濟意義。
對于電力機車(chē)輔助電機控制，首先應該明確控制對象，分析它們的特點(diǎn)和控制要求，研究控制策略，設計控制系統方案，確定具體的實(shí)現途徑。在上述的輔助電機中，劈相機的作用是把單相工頻交流電變成三相工頻交流電，是其他輔助電機正常工作的前提條件，它的控制是人工控制的，此外，空氣壓縮機根據總風(fēng)缸的壓力由壓力控制器控制，制動(dòng)通風(fēng)機是電阻制動(dòng)工況時(shí)由司機控制，它們的控制方式不做改變。牽引通風(fēng)機、變壓器通風(fēng)機的控制是司機人工控制的，它們的控制策略有待優(yōu)化，控制方式改為PID控制，因此它們的控制是本文研究的對象。

1 控制策略的選擇
牽引風(fēng)機的作用是給牽引電機冷卻，變壓器風(fēng)機的作用是給變壓器冷卻，因此控制策略的選擇應即能保證上述電氣設備的正?？煽抗ぷ?，又要考慮節能，安全、可靠、合理是基本要求，同時(shí)也要兼顧有較高的自動(dòng)化程度、較低的成本和技術(shù)上容易實(shí)現等因素。風(fēng)機控制問(wèn)題的實(shí)質(zhì)就是要根據控制對象的溫升和環(huán)境溫度的變化科學(xué)合理控制風(fēng)機的啟動(dòng)和停止，也就是控制對象需要通風(fēng)時(shí)啟動(dòng)，不需要通風(fēng)時(shí)就停止。但是，牽引電機溫升控制的特點(diǎn)是有較大的滯后性，當溫升過(guò)高時(shí)，再進(jìn)行通風(fēng)冷卻，會(huì )造成電機溫度過(guò)高，影響到電機的可靠工作，對電機本身有一定危害，甚至會(huì )造成電機損壞，這種現象稱(chēng)為欠調。隨著(zhù)電機的通風(fēng)冷卻，電機溫度隨之下降，當降到電機的安全工作溫度時(shí)，再控制風(fēng)機停止，電機的溫度可能已經(jīng)很低了，電機本身不再需要通風(fēng)，這又會(huì )造成浪費，起不到合理控制的作用，這種現象稱(chēng)為過(guò)調，上述問(wèn)題就是溫度控制系統的滯后性問(wèn)題。
基于上述控制要求及其特點(diǎn)，我們決定采用目前應用較為普遍，控制性能優(yōu)良的PID控制器控制。PID是比例積分微分控制器的簡(jiǎn)稱(chēng)，它能通過(guò)設置正確的參數，有效防止溫度調節過(guò)程中的欠調和超調，獲得較為理想的控制性能。PID控制器的主要參數有：測量值、設定值、比例系數、積分時(shí)間、微分時(shí)間、取樣時(shí)間、調節死區等。其中測量值就是牽引電機的溫度值，設定值是根據電機的具體型號確定的參考值，比例系數的值為一百分比，是按比例反應系統的偏差，系統一旦出現了偏差，比例調節立即產(chǎn)生調節作用以減少偏差，比例作用大，可以加快調節，減小偏差，但是過(guò)大的比例，使系統的穩定性下降，甚至造成系統的不穩定。積分時(shí)間的調節作用是使系統消除穩態(tài)誤差，提高無(wú)差度，因為有誤差，積分調節就進(jìn)行，直至無(wú)差，積分調節停止，積分調節輸出一常值，積分作用的強弱取決于積分時(shí)間，積分時(shí)間越大，積分作用就越強，調節回應就越慢，反之，積分作用就越弱，調節回應就越快，加入積分調節可使系統穩定性下降，動(dòng)態(tài)回應變慢。微分時(shí)間反應系統偏差信號的變化率，具有預見(jiàn)性，能預見(jiàn)偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒(méi)有形成之前，已被微分調節作用消除，因此，可以改善系統的動(dòng)態(tài)性能，在微分時(shí)間選擇合適的情況下，可以減少超調，減少調節時(shí)間。取樣時(shí)間是系統檢測電機溫度的周期。調節死區是當測量值與設定值的差值小于調節死區的值時(shí)，系統不起調節作用，提高系統的穩定性。
電機溫升是決定電機額度功率和額定電流的主要因素，電機的發(fā)熱程度不僅取決于電機內部單位時(shí)間內所產(chǎn)生的熱量，而且還取決于電機散熱條件，因此，必須進(jìn)行通風(fēng)計算，以此來(lái)設置合理的參數。在進(jìn)行電機的通風(fēng)計算時(shí)，要確定帶走電機內部產(chǎn)生的熱量所必須的風(fēng)耗量。當電機在持續工控下工作時(shí)，吹過(guò)電機內部的風(fēng)量，應能帶走電機內部產(chǎn)生的熱耗，而電機則在符合標準的穩定溫升下工作。計算電機通風(fēng)量的公式為∑△P∞=CBγB△θBQ，式中∑△P∞是持續工控下電機的損耗；CB=1．1是壓力為760 mm汞柱及溫度為50 ℃時(shí)空氣的密度(Kg ／m3)；γB=1000空氣比熱(W·s／Kg·℃)△θB空氣通過(guò)電機后的溫升，由此計算得出所需的風(fēng)耗量。

2 硬件方案設計
硬件方案設計是輔助電機控制的關(guān)鍵環(huán)節，整個(gè)系統的設計首先應滿(mǎn)足故障導向安全原則，其次要求可靠性高、功能豐富、自動(dòng)化程度高、經(jīng)濟性好、技術(shù)先進(jìn)。
本系統的主要硬件模塊包括可編程控制器(PLC)、溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、速度傳感器、電流傳感器、人機界面(HMI)和電源模塊等。 PLC為本系統的核心控制裝置，實(shí)現環(huán)境溫度和電機溫度的多路檢測，風(fēng)機電機轉速的檢測和牽引電機風(fēng)路通風(fēng)量的檢測以及輔助電機各相電流的檢測等，這些檢測到的電信號從PLC的模擬量AIO口輸入，經(jīng)PLC處理后實(shí)現輔助電機的控制和保護。此外，PLC數字量輸入DI口和數字量輸出口DO作為輔助電機的邏輯控制環(huán)節的輸入和輸出。溫度傳感器用來(lái)檢測環(huán)境溫度和牽引電機等的溫度，環(huán)境溫度是電機溫升的參照點(diǎn)，為可靠性考慮，環(huán)境溫度的檢測至少要檢測不同的3個(gè)點(diǎn)，因此檢測環(huán)境溫度的傳感器要有3路。電機溫度也要用溫度傳感器檢測，每1臺牽引電機溫度的檢測也要3路，檢測牽引電機不同部位的溫度。由于牽引電機溫度不能進(jìn)行直接接觸檢測，所以要采用紅外線(xiàn)溫度傳感器。風(fēng)速傳感器的作用是測量牽引電機風(fēng)道的風(fēng)速，從而計算出牽引電機的通風(fēng)量，作為設置PID參數的重要數據。速度傳感器監視風(fēng)機電機的轉速，以判斷風(fēng)機是否真正啟動(dòng)以及工作是否正常。電流傳感器檢測風(fēng)機電機的電流，以實(shí)現風(fēng)機電機的過(guò)流保護。人機界面(HMI)則實(shí)現系統相應工作參數的設置，相關(guān)數據和系統工作狀態(tài)，數據的記錄和存儲以及故障檢測和診斷信息等的顯示。PLC和HMI的通信用Modbus通信總線(xiàn)連接，通信協(xié)議遵循通用的標準Modbus通信協(xié)議，實(shí)現兩者的信息交換。硬件方案的設計如圖1所示。