基于细菌觅食算法的风力发电机液压变桨距系统的同步控制.pdf

2 0 1 5年 1 月 第 4 3卷 第 1 期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS J a n ． 2 0 1 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 1 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 1 7 基于细菌觅食算法的风 力发 电机液压变桨距 系统的同步控制 刘芳璇 ，李益民，崔晶 西安铁路职业技术学院牵引动力 系，陕西西安 7 1 0 0 1 4 摘要为研究独立控制的2 ． 5 MW风力发电机组变桨距控制系统在工况中的同步性能，以风力发电机组变桨距控制原 理为基础，提出了在偏差一 环形耦合控制方式下采用细菌觅食算法对控制参数进行优化的同步控制方案。结果表明相 比 采用自适应遗传算法时，该方案具有良好的抗干扰性和同步控制精度，能够实现对输入信号的无偏跟踪。 关键词 风力发 电机组 ；同步控制 ；自适应 遗传 算法 ；细菌觅食算法 ；偏差一 环形耦合 中图分类号 T P 1 3 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 卜 0 6 4 4 S y nc hr o n o us Co n t r o l o f Va r i a b l e Hy dr a u l i c Pi t c h Sy s t e m f o r W i n d Dr i v e n Ge n e r a t o r Ba s e d o n Ba c t e r i a l Fo r a g i ng Al g o r i t h m L I U F a n g x u a n，L I Yi mi n，C U I J i n g D e p a r t m e n t o f R a i l w a y P o w e r T r a c t i o n ， X i ’ a n R a i l w a y V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l l e g e ， Xi ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 1 4。C h i n a Ab s t r a c t On t h e b a s i s o f t h e v a ri a b l e p i t c h c o n t r o l p rin c i p l e o f wi n d g e n e r a t i n g s e t ，t h e s y n c h r o n o u s c o n t r o l s c h e me t o o p t i mi z e t h e c o n t r o l p a r a me t e r s wa s p r o p o s e d i n t h e mo d e o f d e v i a t i o n rin g c o u p l i n g wi t h t h e a d v a n t a g e s o f b a c t e ri a l f o r a g i n g a l g o rit h m，i n o r d e r t o s t u d y t h e s y n c h r o n o u s p e rf o r ma n c e o f mu h i c h a n n e l v a r i a b l e p i t c h s y s t e m o f t h e i n d e p e n d e n t 2 ． 5 MW w i n d g e n e r a t i n g s e t w i t h d i ff e r e n t p a r a me t e r s i n o p e r a t i o n ． T h e r e s u l t s s h o w a s c o mp a r e d wi t h u s i n g a d a p t i v e g e n e t i c a l g o rit h m ，t h e c o n t r o l s c h e me h a s g o o d r o b u s t ne s s a n d h i g h s y nc hr o n o u s a c c u r a c y，wh i c h c a n r e a l i z e n o n d e v i a t i o n t r a c k i n g t o t h e i n pu t s i g n a 1 ． Ke ywor dsWi n d g e ne r a t i ng s e t ；Sy n c h r o no us c o n t r o l ；Ada p t i v e g e n et i c a l g o rit h m ；Ba c t e r i a l f o r a g i n g a l g o rit hm ；De v i a t i o n r i n g c o u p l i n g O前 言 在多通道液压控制系统 中。采用算法优化控制参 数可有效提升液压系统运行时的动态响应指标及抗扰 性能 ．结合一定的控制策略 ，可 以实现多通道液压系 统的 同步控制 。对于优化算 法 ，可选用 文献 [ 1 ] 中 优化火箭炮泵控缸 位置伺 服系统 参数 时所采 用 的 B P 神经 网络 ，文献『 2 ] 中应用 于优化煤 矿井下 工作面 所采用 的 自适应遗传算法 ，而文献『 3 ] 中将粒 子群 算法应用 于多弧离 子镀膜 温度控 制 中，文 献 [ 4 ]则 采用蚁群算法对 P I D参数进行二次优化 ，文献[ 5 ] 则采 用改进 的细菌 觅食算法 ，基 于高斯分 布估计将 其 应用 于高维 复杂工程问题 的优化 。文中将会对 该算 法 在控 制参数 整定方 面的应 用展开研究。 对于同步控制策略 ，目前主要有并 行控制 、交 叉耦合控制 ] 、偏差耦合控制l 8 ] 、环形耦合控制 ] 等。其中 ，并行控 制在通 道受到扰动时易产生同步误 差。交叉耦合则对通道输入信号的跟随能力欠佳，因 此常首选偏差耦合及环形耦合作为多通道 同步控制策 略 变桨距 系统受 控对象 内部常包含非线性 ，变负载 及 时变性 ，单一 的控制策 略只 能应对其 中某 种特 性 ， 而若需要对系统中每个特性都能加以控制，则需要同 时应 用多种控制策略 。因此 ．本 文作者融合了偏差耦 合及 环形耦 合 ，在此基础上研究 了多通道不同参数的 变桨距位置控制系统 的 同步性能 ，并 对其 中伺 服 阀 、 液压马达和位置反馈闭环环节 的控制参数采用细菌觅 食算法进行优化 ，并与采用遗传算法的优化结果进行 比较 。由仿真结果 可知 ，采用 细菌觅食 算法 、偏 差 一 环形耦合控制策略 的变桨距控制 系统对单位 阶跃信号 响应快速 、无超调 ，并具有 良好 的抗干扰性和 同步控 制精度 。 1 独立控制液压变桨距 系统 独立控 制液压 变 桨距 伺服 系 统 的结 构 如 图 1 所 示 。桨 叶采用分布式控制 ，即机组 中每个桨 叶都 由独 立 的变桨距执行机构控制 。若其 中某个 桨叶执 行机构 出现故障。其余两个桨叶仍可通过调节节距角，使机 组继 续带伤工作。同时 ，独立控 制的液压变桨距系统 可以根据工况 中桨叶面上的风速进行调节 ，减小桨叶 收稿 日期 2 0 1 3 1 1 2 4 作者简介 刘芳璇 1 9 8 8 一 ，男 ，硕 士 ，助 教 ，主要 从 事 液 压 系统 及 其 伺 服驱 动 技 术 、群 智 能 算 法 等研 究 。E m a i l k e v i n c e hi e s 1 63 ． c o rn 。 6 6 机床与液压 第 4 3卷 文中融合了偏差耦 合 以及环 形耦合 策 略的特点 ． 提 出了偏差 一 环形耦 合控制 策略 ，即在偏 差耦合 中对 伺 服阀 、液压马达和转 动装置组成 的系统通 道的内环 采取环形耦合 策略。由于系统 内环增加 了相邻两通道 的误差耦 合补偿 ，提升了控制 精度 ，系统 的跟随性 能 和抗 干扰性都 能得 到保证 。三通 道系统 偏差 一 环形耦 合控制系统工作原理如图 2所示 。 文 中选取三组通道参数互 不相 同的伺 服阀 一 液压 马达 ，依据偏差一 环形耦合 控制策 略 ，采用 P I D控制 器对工作台位移反馈量的差值进行调节 ，对三 闭环系 统进行扰动补偿 。其控制系统结构如 图 3所示 。 图 3 偏差一 环形耦合同步控制系统结构图 4 仿真分析 为验证设计控 制效果 ．针对 工作 台电一 液位 置伺 服 系统进行 了仿真研究 。选用 A T O S 公 司的 L I R Z O型 插装 阀 E R I T E R S系列放 大 器 ，监视 信 号 为 0 ～1 0 V；以及力姆 泰克 生 产 的 I MB 4 0系 列 型 号为 0 5 、2 0 和 I MB 5 0系列 型号为 2 0的 3个液压 马达 。各 环节器 件参数分别 如表 1 、2所示 。分别 采用 自适应 遗传算 法、细菌觅食算法对每个通道的相关 P I D控制参数 进行整定优化 ，其结果见表 3 。 表 1 伺服阀参数 表 2 液压马达参数 第 1 期 刘芳璇 等 基于细菌觅食算法的风力发电机液压变桨距系统的同步控制 。6 7 表 3 两种算法优化结果 比较 闭环环节 自适应遗传算法 细菌觅食算法 伺 服阀 K p 1 l K I l l K d K p 12 K 。 1 2 K d l 2 0 ． 登 a 遗传 算 法 阶跃 响应 曲线 8 2 2 2 2 4 2 6 f， 8 3 3 2 3 4 3 6 c 遗传 算法 上 升 阶段 局部 曲线 1 ． 03 1 ． 0 1 0 ． 9 9 0． 97 0 ． 9 5 登 0 ．9 3 0． 91 0 ． 8 9 0 ． 8 7 0 ． 8 5 1 t ／ s e 遗传 算 法抗 扰 动 阶段 局部 曲线 三通道液压控制 系统在单位 阶跃信号作用下 ，分 别采用遗传算法 、细 菌觅食算 法 ，选用 偏差 一 环 形耦 合同步控制策略，并在 1 5 S 时引入幅值为2 4 0 0 0 N m的负 载扰 动 ，取 适 当 的耦 合 系数 ，并设 定 误差 限 △ 0 ． 0 2 ．得 系统 的跟踪 响应 曲线 如图 4所示 。 由图4可知，当系统采用遗传算法优化控制参数 时 ，约在 3 ． 5 S 时达到稳态 。加人扰 动后 ，约在 1 5 ． 6 s 时恢复稳态 ；采用细菌觅食算法优化控制参数时， 上升时 间 、调整 时间等动态 指标虽 无明显变化 ，但 跟 踪 曲线 间距 更 为 均匀 。加 人 扰动 后 ，约 在 l 5 ． 3 S时 达 到稳态 。相 比之下 ，采用 细菌觅食算 法优化后 的系 统扰动恢 复时间缩短 了 0 ． 3 S ，各 通道 之 间的同步误 差近似相等系统响应无超调量．并能够对输入信号 实现无偏 跟踪 ，抗 扰动性能较好 。 0 墨 0 0 b 细菌 觅 食算 法 阶跃 响应 曲线 8 2 2 2 2 4 2 ， 8 3 3 2 3 4 3 6 d 细菌觅食算法上升阶段局部曲线 1． 03 l| O1 0． 9 9 0． 9 7 墨0 ．9 5 O． 93 O ． 91 0 ． 8 9 0 ． 8 7 0 ． 8S 1 4 1 4 ． 4 1 4 ． 8 1 5 ．2 1 5 ． 6 l 6 1 6 ． 4 1 6 ． 8 t ／ s f 细菌觅食算法抗扰动阶段局部 曲线 图 4 两 种优 化算法的阶跃响应 曲线 5 结束 语 到各通道 的参数 互不相 同，提 出在偏差一 环形耦合控 在独立控制液压变桨距控制系统的设计中，考虑 下转第 7 3页 0 0 0 0 0 0 0 0 目 0 0 0 0 0 0 0 0 目毒涣 第 1 期 金鑫 等阀前压力脉动的仿真与实验研究 7 3 入信号 2倍频的谐波 、泵的工作频率及其谐波，其原 因是本来这些频率因素不大 ，而且在泵出口安装的蓄 能器对 由泵 产生的压力脉动进行 了衰减 ，此外 系统的 非线 性 因素 及 噪声 会 对 系统 产 生 干扰 。图 7 b 、 c 中除主要频率成分外还有 2 9 H z 的谐 波 ，此谐 波 为系统 的噪声 信号 。图 7 a 中没 有蓄 能器 时其 主 频 幅值 为 0 ． 1 1 ，有蓄 能器时其主频幅值为 0 ． 0 9 ；图 7 b 中没有 蓄能器 时其 主频 幅值 为 0 ． 3 1 ，有 蓄能 器 时其 主频 幅值为 0 ． 2 5 ；图 7 C 中没有 蓄能 器时其 主频幅值为 0 ． 2 6 。有蓄能器时其 主频幅值为 0 ． 2 4 ； 图 7 d 中没有蓄能器 时其 主频 幅值 为 0 ． 1 7 ，有 蓄 能器时其主频 幅值为 0 ． 1 2 。 比较图 7 a 一 d 有 蓄能 器及 没有 蓄能 器 时阀前压力的主频 幅值大小 可知 ，有蓄能器时 阀前压 力主频幅值 比没 有蓄 能器时分 别减小 了 0 ． 0 2 、0 ． 0 6 、 0 ． 0 2 、0 ． 0 5 ，这说 明阀前安装蓄 能器对 阀前压力 脉动 有一定 的衰减作用 。 比较图 7 a 、 b 可知 ，当输 入信号频率及其他条件一定时，随着输入信号的幅值 的增大 ，阀前压力主频的幅值也随之增大，这也与仿 真结果相 吻合 。 4小 结 对 阀前压力脉动 的产 生机制及其抑制进行 了理论 分析 ．然后在 A ME S i m 中建立 电液振动 台的液压 伺服 系统模型 ，分析输入信号的幅值、频率及蓄能器对阀 前压力脉动 的影 响 ，最后结合实验室现有 的电液振 动 台，开发基 于 L a b V I E W 的测 控 系统 ．并 通过 实 验采 集不 同输入信 号 幅值 和频 率 及 蓄能 器是 否 接入 时 的阀前压力数 据。实验结果证 明理论分析结论 和仿 真结果 的合理 性 ，即蓄能器对压力脉动有一定 的抑制 作用 ，阀前压力脉动随输入信号幅值增大而增大，而 输入信号频率对 阀前 压力 脉动的影 响不大。 参考文献 『 1 ]唐贞云， 李振宝 ， 纪金豹， 等． 地震模拟振动台控制系统 的发展 [ J ] ． 地震 工 程 与 工程 振 动 ， 2 0 0 9 ， 2 9 6 1 6 2 1 6 9． [ 2 ]邢科礼 ， 冯玉， 金侠杰 ， 等． 基于 A ME S i m ／ Ma t l a b的电液 伺服控制系统的仿真研究『 J ] ． 机床与液压， 2 0 0 4 1 0 57 -5 8． f 3 ]郭江波， 邢科礼 ， 金侠杰． 电液伺服阀前压力脉动的仿真 研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 4 7 3 8 - 3 9 ， 8 0 ． [ 4 ]高纪念， 吴伟 ， 职黎光． 抽油机电液伺服模拟系统伺服阀 前压力脉动分析[ J ] ． 西安石油学报， 1 9 9 7 ， 1 2 1 3 5 3 7． [ 5 ]J I N X i a o h o n g ， R O N G Z h i j u n ． R e s e a r c h o n t h e A d a p t i v e Mo d e l f o r El e c t r o hy d r a u l i c Po s i t i o n S e r v o S y s t e m wi t h t h e E x t e r n a l D i s t u r b a n c e s [ C ] ． P r o c e e d i n g s o f t h e F o u r t h I n t e ma t i o na l S y mp o s i u m o n Fl u i d Po we r Tr a ns mi s s i o n a nd C o n t r o l I S F P’ 2 0 0 3 ， I n t e r n a t i o n a l A c a d e m i c P u b l i s h e r s ， 2 0 03 1 98-2 01 ． [ 6 ]张齐生 ， 金 呈虎 ， 王益 群 ， 等． 阀前 蓄能 器对 轧机 油源波 动影响的实验研究[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 1 3 8 2 - 8 4 ． [ 7 ]邢科礼， 葛思华， 丁崇生． 基于神经网络的有源压力脉动 衰减的试验研究[ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 1 2 2 - 4 ． [ 8 ]H A N S o n g s h a n ， J I A O Z o n g x i a ， S H A N G Y a o x i n g ， e t a 1 ． C o rn p e n s a t i o n Co n t r o l f o r t he S up p l y Pr e s s u r e Fl uc t ua t i o n i n E l e c t r o h y d r a u l i c L o a d S i mu l a t o r『C] ． 2 0 1 1 I n t e rna t i o n a l C o n f e r e n c e o n F l u i d P o w e r a n d Me c h a t r o n i c s ， 2 01 1 9 1 4 91 9． [ 9 ]Z H A O J i n g y i ， L I J i u t o n g ， WA N G Y i q u n ． E x p e r i m e n t a l S t u d y o n I n fl u e n c e o f S u p p l i e d Pr e s s u r e F l u c t u a t i o n o n Ou t p u t Ar a c t e r i s t i c o f P r e s s u r e Co n t r o l S y s t e m o f Ro l l i n g Mi l l 『 J 1 ． C h i n e s e J o u rna l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 8 2 ． 上接第 6 7页 制策略下采用细菌觅食算法优化的同步控制方案，并 与采用 遗传算法优化 的同步控制方 案进行 了 比较。经 过对仿 真曲线 的分析 ．得 出系统在采用细 菌觅食 优化 算法 时 ，阶跃 响应 无 超调 、同步 精 度 高 、稳 态 性 能 好 、抗 扰动能力强 。 参考文献 [ 1 ]高强 ， 金勇， 王力， 等． 泵控缸电液位置伺服系统建模研 究[ J ] ． 兵工学报， 2 0 1 1 ， 3 2 8 9 5 0 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