模糊自适应PID液压变桨距控制.pdf

2 0 4 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i ne q De s i g nMa n uf a c t u r e 第 2期 2 0 1 0年 2月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 0 0 2 0 2 0 4 0 2 模糊 自适应 P I D液压变桨距控制 周基祥张君君陈俊强刘 轩 江苏大学 机械工程学院， 镇江 2 1 2 0 1 3 F u z z y s e l f - a d a p t i v e PI D c o n t r o l i n h y d r a u l i c v a r i a b l e - p i t c h s y s t e m Z H OU J i x i a n g ， Z H A N G J u n - j u n ， C HE N J u n q i a n g ， L I U X u a n S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， J i a n g s u U n i v e r s i t y ， Z h e i a n g 2 1 2 0 1 3 ， C h i n a 中图分类号 T H1 6 ， T P 2 7 3 文献标识码 A 1 引言 随着空气动力学、 新材料、 电力电子和计算机控制技术的发 展， 风力发电技术迅速发展， 风力发电机组由最初的定桨距发展 到变桨距型『1 _。 由于风速的随机性、 塔影、 风切变、 偏航回转等引起 负载的扰动， 液压驱动大质量叶轮负载的惯性环节， 使得变桨距 控制系统有参数非线性、 参数时变性、 外界负载干扰大、 滞后性等 技术特点， 导致了变桨距控制的困难日 。 大量的理论研究和工程实 践证明， 常规 P I D控制对非线性、 时变性系统都没有良好的控制 效果， 而将模糊控制和 P I D控制器两者结合起来， 既具有模糊控 制灵活、 鲁棒性好 自适应性强的优点， 又具有 P I D控制精度高、 结 构简单、 工作稳定等优点日 。 根据变桨距机组 的控制策略及液压变桨距控制原理设计 了 液压变桨距试验系统 ，在所设计试验平台上进行控制仿真试验 ， 完成了对桨距角的控制。 2 变桨距控制策略及原理 变桨距控制技术简单来说就是通过调节桨叶的节距角，来改 变气流对桨叶的攻角，进而控制风轮捕获的气动转矩和气动功率。 其控制策略为 低于额定风速时， 风力机按优化叶片桨距角定桨距 运行， 由发电机控制系统调节发电机转速， 调节风力机叶尖速比， 来 跟踪最佳功率曲线， 以捕获最大风能； 高于额定风速时， 采用变桨距 技术调节叶片桨距角来改变风能系数， 使得发电机的输出功率保持 在额定功率上， 既保持功率的恒定输出， 又防止发电机过载损坏。 因 此， 高于额定风速时的变桨距控制成为风力发电系统的关键。 在风速达到或高于额定风速时， 液压变桨距控制系统根据发 ★来稿 日期 2 0 0 9 0 4 1 1 电机的功率信号控制叶片桨距角， 其工作原理为 发电机的输出 功率反馈值与额定功率进行比较， 进而调节叶片桨距角使其输出 功率维持在额定功率上 ， 当输出功率发生变化时， 控制器输出的 桨距角指令信号经 D ／ A转换后变成电压信号控制比例阀 或电液 伺服阀 ， 驱动液压缸活塞， 推动变桨距机构， 使叶片桨距角相应 变化。液压缸活塞的位移反馈信号由位移传感器测量， 经转换后 输入控制器， 控制器根据指令值与反馈值之间的差值 ， 按照设计 的控制算法完成桨距角的闭环控制。 3 模糊 自适应 P I D 3 ． 1常规 P l D 常规 P I D控制一般是基于线性理论设计， 只能在一个特征运 行点或有限的范围内得到较好的控制， 需要准确的数学模型。常 规数字式 P I D可以用如下函数表示 “ e e K d e 1 J0 式中 e ～系统误差 一系统误差变化率； ～比例系数； K 一 积分系数； K 厂微 分系数。 3 ． 2模糊 自适应 P I D控制器设计 模糊自适应P I D控制器是在常规 P I D控制器的基础上， 以误 差E和误差变化率 E C作为输入， 利用模糊控制规则对 P I D参数 、K 和 进行在线自整定， 以满足不同的E和肌 对控制器参 数的不同要求， 而使被控对象具有良好的动、 静态性能。 风力发电机的变桨距模糊自适应 P I D控制， 如图 1 所示。给 定值与实际响应的测量值进行比较， 得到误差 e 和误差变化率 e c ， 由模糊控制器在线对 P I D参数进行调整，以满足不同时刻 e和 第 2期 周基祥等 模糊 自适应 P I D液压变桨距控制 2 0 5 C C 对 P I D参数的要求， 从而使风力机的桨距角变化得到最佳调整。 G A 一 1 5 0型高精度位移传感器。 图 1变桨距模糊 自适应 P I D控制原理 首先定义输入变量 e ， e c和输出变量 勋 ， K i ， K d在模糊集上 的论域， 将其分为 7个等级 e ， e c 卜6 ， 一 4 ， 一 2 ， 0 ， 2 ， 4 ， 6 } ； K p 卜9 ， 一 6 ， 一 3 ， 0 ， 3 ， 6 ， 9 } ； { 一 0 ． 3 ， 一 0 ． 2 ， 一 0 ． 1 ， 0 ， 0 ． 1 ， 0 ． 2 ， 0 ． 3 } ； K d { - 3 ， 一 2 ， 一 1 ， 0 ， 1 ， 2 ， 3 l ， 其模糊子集为 E， E C， K p ， K i ， K d { ， N M， N S ， Z O， P S ， P M， P l Y } ， 它们分别代表负大 ， 负中， 负 小， 零， 正小 ， 正中， 正大。 隶属度函数采用三角形函数与s形函数 相结合 。总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验 ， 建立了 模糊规则表 ， 如表 1 所示 。 表 1模糊 P I D控制器模糊 规则表 Kp ／ Ki ／Kd NB NM Ns P s PM P B ⋯ P B／ NB／ P B， N B／ PM／ NM／PM／ NM／ P S ／ Ns ／ Z 0亿 0， Z 0／ Zf ／ ⋯ PS NS NB NB NB NM PS P B， NB／ P B ／ NB ／ PM， NM／ P S，Ns ／ P S， N S ， Z 0／ Z0／ NS ／ Z0 ／ ⋯ 。 P S NS NB NM NM NS Z0 P M， NB ／ PM／ NM／ P M， NS ／P S ， NS ／ Z 0， Z 0／ Ns ， P s ， NS ／ P s ／ 一 ⋯ ZO NS NM MN NS NS ZO ‘ ， 1 PM／ NM／PM／ INM／ PS ／ NS ／ Z O／ Z 0／ NS ／ Ps ／ NM／ P M／NM M／ u Z0 NS NS NS NS NS ZO ～ PS ， NM／P S ／ NS ／ Z0／ Z o／ NS ／ Ps ／ M s ／ P s ／ NM／ P M／ NM， P B ／ Z 0 ZO Z0 Z 0 Z 0 Z 0 ZO ⋯ PS ， Z ／ Z0， Z 0／ NS ／ Ps ／ NM， P S ／ NM／ P M／ NM， P B ／ NB／ P B／ ⋯ P B P S P s Ps Ps P S P B nn Z0／ Z0／ ZO亿0／ NM／ Ps ， NM， P M，NM， P M／ NB， P B／ NB， P B／ 。 P B P M P M PM PS P S P B 根据模糊规则表 ， 可以得 到相应 的模糊关 系 R， 通过某 时刻 的 E和E C值和模糊合成运算 ，采用重心法作为模糊决策的方 法， 得到蜘 ， ， 的修正值。 4变桨距 电液控制系统的设计 4 ． 1 硬件设计 根据液压变桨距的控制原理搭建的液压变桨距控制试验系 统， 如图 2所示 。 图 2液压变桨距控制实验系统 实验系统组成 工控机 、 P C I 2 0 0 6 数据采集卡、 S V A I I 型伺服 放大器 、 Q D Y型电液伺服阀、液压油缸 、 A K _ 4型压力传感器 ， P C I 2 0 0 6 是一款基于 P C I 总线的数据采集卡，它具有 3 2路 1 4位的 A ／ D模拟输入通道和两路 1 2位的D ／ A模拟输出通道， 并 提供了基于 l a b V i e w的驱动软件接 口模块，与 L a b V i e w软件平 台完全兼容。 A K _ 4型压力传感器， 压力测量范围 0 - - 2 0 M P a ， 线性 度小于0 ．4 0 ％， 额定信号输出为 o - 5 V 。 G A 一 1 5 0 型高精度位移传感 器的测量范围是 1 5 0 m m， 额定输出的电压信号为 5 v ， 线性度 小于 0 ． 3 0 ％。Q D Y型电液伺服阀将小功率的电信 号转换为大功率 的液压输出， 具有控制精度高， 响应速度快 ， 灵敏度高， 零漂小， 频 带宽， 稳定性高， 长期工作可靠等优点， 可实现位置的精确控制。 4 ．2软件设计 利用 L a b V i e w ／ C V I 虚拟仪器开发平台开发 了用于位移闭环 控 制试验检测 系统。 系统初始化 A ／ D通道为信号输入端 ，预先设定好数据采集 的采样频率 ， 采集方式和内部时钟 的触发方式 。并设定好采集 的电压范围 5 V， 与传感器匹配。采集卡采集得到的是二进制的 L S B数码， 需经过数值运算转化为设定范围内的电压值 ， 完成数 据采集卡的初 始化 。 控制流程 集卡采集到位移传感器的电压信号， 和给定控制的 输入位移信号X比较， 得到的偏差信号 e ， 经过控制器运算输出控制 信号， 并在S V A - I I 型伺服放大器中得到放大， 用于控制电液伺服阀。 数字滤波 由于控制现场的液压泵站噪声较大， 泵运转过程 中振动给控制系统带来很多干扰信号， 需对采集信号进行高频滤 波。 实验中基于L a b V i e w平台， 选用了低通的 B u t t e r w o r t h 数字滤 波器 ， 抑制高频干扰。 5试验结果 在图2所示系统实验平台卜 进行的控制仿真试验， 采样频率 设定为 5 0 K H z 。仿真实验结果， 如图 3 ～ 图 5 所示。 5 0 0 1 6 0 0 1 7 0 0 1 8 0 0 l 9 0 02 0 002 1 0 02 2 0 02 3 0 02 4 1 3 02 5 0 0 图 3常规 P I D阶跃信号响应 1 【 x 【 1 l oo 1 2 o 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0 1 70 0 1 8 0 0 l 9 0 02 0 0 0 图4模糊 自 适应 P I D阶跃信号响应 如图 3 ， 图4所示， 分别为给定阶跃信号， 位移从 5 0 ram变到 1 5 0 mm， 相应节距 角从 2 0 。 到 4 O 。 时 ， 常规 P I D K p 2 0 ， K i l - 2 ， K d 8 与模糊自适应 P I D阶跃信号响应曲线。如图5所示 ， 为给定正 姗 渤 姗 ∞ 。 珈 渤 猢 啪 如 。 珈 2 0 6 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 2 期 2 0 1 0年 2月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 0 0 2 0 2 0 6 0 2 机构中齿轮副属性的分析与研究 l 陕西理工学院 机械工程学院， 汉中 7 2 3 0 0 3 Th e a n a l y s i s a n d r e s e a r c h o n t h e c l a s s i f i c a t i o n o f g e ar p a i r s j n p l a n e a g e n c i e s T I AN J i n g - y u n ， Z HANG Gu o - h a i ， WANG B a o rai n S c h o o l o f M． E ． o f S h a n n x i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y， Ha n z h o n g 7 2 3 0 0 3 ， C h i n a l 【 摘要】 通过分析平面 机构中 齿 轮副元素的 相对运动情况， 提出了“-3 齿轮副中 心距不固 定时 机构 2 2 中存在局部自由度的思路， 得出无论中心距固定与否齿轮副均按IV 级副来处理的方法， 从本质上认清了 2 3齿轮副的属性， 正确解决了 含有各种齿轮副机构的自由度计算问 题。 3 关键词 平面机构； 齿轮副属性； 局部自由度； 自由度计算 2 【 A b s t r a c t 】 T h r o u g h a n a l y s is of i n v o l u t e s g e a r w it h t h e F a o v e m n t of t h e s i t u a t io n ， t h a t b e i n g lo c a l 口 一l ； g e n c 砘 e d 。 m e n th e ge ar c e n ce ， d is ta n c 删 e G e a r p a irs e d e a l w ith a c c o rd in g t。 ； 3 c o m m o n t h e h i d e p u ty c a m p a ig n ， s 0 t h e g e a r p a i r s is c o n s is t e n t． I n a d d i t i o n ， i t s o l v e s d if fi c u l t and c o m p li -2 c a r e d p r o b l e m s i n c al c u l at in g th e d e g r e e o f f r e e d o m f o r f e m e c h anis m c o n t ai n in g t h e g e a r p ai r s ． i 5 K e y w o r d s P l a n e m e c h a n i s m； G e a r p a i r s ； P a r t i a l f r e e d o m； C a l c u l a t i o n o f f r e e d o m e 、 、 、乎 、乎 、 、 口、乎 、 4 q dq p p、 、 、 、 、 、 、 、 4 4 、 、 、 0 4 P 、 d q P p 、 口 、护 、 、 、乎 、 、 、 、口 h 乎 、 、 口h h -扩 中图分类号 T H1 6 ， U 4 8 3 ， U 2 7 0 ． 1 1 文献标识码 A 含 有 渐 开 线 齿 轮 副 的 机 构 自 由 度 计 算 问 题 中 ， 关 于 齿 轮 副 是 1问题的提出 Ⅳ级副还是V级副的问题已有不少的文献资料讨论过，形成的普普通齿轮机构 ，如图 1 所示。 其中心距固定， 齿轮副在该机构 遍结论为 当齿轮副的中心距固定时， 齿轮副属于Ⅳ级副， 即普通 中引入一个约束 ，属于Ⅳ级副。 在图 1 的基础上， 将齿轮 1 铰接在 的平面高副； 当齿轮副的中心距可以变动时， 齿轮副属于V级副， 滑块 3上 ，而滑块 3与机架 4构成一移动副， 则原齿轮机构可演 即相当于普通的平面低副。 这样的处理方法， 只是从结构上分析了 化为组合机构 ，如图2 所示。 对于该组合机构的自由度计算， 若用 运动副和机构的特性， 没有从运动角度考虑机构和运动副。 虽然可 已形成的普遍结论处理，由于图2中齿轮副的中心距不固定， 则 以解决有关机构的自由度计算问题，但笔者认为这种处理方法在 此齿轮副应该是V级副， 其自由度为 F 3 x 3 2 x 4 1 ， 而实际上该 理论上有些牵强。通过对机构整体运动情况和组成齿轮副两元素 机构的自由度为2 ， 即机构中当齿轮 1 为原动件时， 齿轮 2可绕 的相对运动情况的分析， 提出了当齿轮副的中心距可变动时， 机构 其中心转动， 滑块在不影响齿轮传动的条件下也可作小位移往复 中存在局部自由度。基于这种思路和方法， ， 不仅可以正确解决这 移动， 这在机构结构分析中是可行的。 显然， 把这种齿轮副当作V ★来稿 日期 2 0 0 9 ～ 0 4 1 3 ★基金项 目 陕西省教育厅重点实验室科研项 目 0 5 J S 1 5 弦信号， 周期为 4 s ， 位移从 5 0 ram到 2 0 0 mm做周期变化 ， 相应节 距角从 2 0 。 到 8 4 ． 3 。 时， 模糊自适应 P I D正弦信号响应曲线。由仿 真试验结果可知模糊 自适应 P I D比常规 P I D具有更好的静动 态性能， 且有一定的自适应性。 1 o o ol l O O1 2 0 01 3 0 01 4 0 01 5 0 01 6 0 01 7 0 01 8 0 01 9 0 02 0 0 0 图 5模糊 自适应 P I D正弦信号响应 6结论 变桨距控制是风力发电机控制技术的关键问题之一 ， 具有重 要的研究意义。文中简单介绍了变桨距控制策略及原理， 在模糊 控制和P I D控制的理论基础上提出了模糊自适应 P I D液压变桨 距控制， 同时根据变桨距控制原理提出了用电液伺服阀精确控制 位移来实现桨距角的控制， 给出了实验控制系统， 并对系统软硬 件分别进行了设计。在所开发的实验台上进行了仿真试验， 试验 研究表明 模糊自适应控制器具有更好的静动态性能， 具有一定 的鲁棒性和自适应性， 可对风力机的桨距角进行有效控制， 为风 力发电机变桨距控制提供了理论支持。 参考文献 1 王野平， 高俊， 李金东． 风力发电的现状 [ J ] _ 机械设计与制造， 2 o 0 6 5 1 5 4 ～ 1 5 6 2 刑作霞， 郑琼林， 姚兴佳 ， 王发达． 基于 B P神经网络的 P I D变桨距风 电机 组控制[ J ] ． 沈阳工业大学学报， 2 0 0 6 6 6 8 1 ,- 6 8 5 3李毅， 温正忠． 风力发 电偏航系统的 P I D - F u z z y 分段复合控制研究 [ J ] ． 机 械设汁与制造 ， 2 0 0 7 4 5 4 ．-- 5 5 4王立权， 王春林， 杜威杰 ， 孟庆鑫． 基于 F u z z y - P I D的水下作业机械手控制 系M ,2 1 1 - E J ] ． 液压与气动， 2 0 0 5 1 2 7 ～ 3 0 5 雷振山． L a b V I E W 7 E x p r e s s 实用技术教程． 北京 中国 铁道出 版社， 2 0 0 4 湖 瑚 姗 m 啪 ∞ 0 铷