大型風(fēng)力機(jī)變槳距電液比例位置伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

付鑫

摘 要：本文通過(guò)分析討論液壓系統(tǒng)在風(fēng)力機(jī)變槳距控制中的工作過(guò)程，并設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于大型風(fēng)力機(jī)變槳距控制的電液比例位置伺服控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)；電液比例；位置；伺服控制

在槳距控制系統(tǒng)中，其調(diào)節(jié)過(guò)程一般選用液壓缸或者伺服電機(jī)作為其驅(qū)動(dòng)力，傳動(dòng)裝置會(huì)根據(jù)液壓缸輸出的機(jī)械位移或者伺服電機(jī)的角位移來(lái)調(diào)整風(fēng)機(jī)片的位移，從而對(duì)槳距進(jìn)行調(diào)節(jié)。電液比例控制技術(shù)原理簡(jiǎn)單而且精度較高，具有很大的應(yīng)用前景。本文在分析大型風(fēng)力機(jī)液壓系統(tǒng)主要部件參數(shù)的前提下，對(duì)變槳距系統(tǒng)的建模分析，并完成了大型風(fēng)力機(jī)變槳距電液比例位置伺服控制器的設(shè)計(jì)。

1 伺服控制系統(tǒng)

作為電液轉(zhuǎn)換元件與功率放大元件的電液伺服閥，是在電液伺服系統(tǒng)中的核心部件。它將電子與液壓巧妙結(jié)合，具有靈敏高效的特點(diǎn)，能夠控制大慣量從而實(shí)現(xiàn)大功率的運(yùn)動(dòng)輸出，具有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。另外，由于相關(guān)技術(shù)的成熟，使用位置伺服來(lái)設(shè)計(jì)的電液控制系統(tǒng)的應(yīng)用更為廣泛，在大型風(fēng)力機(jī)的變槳距控制中也是如此。

2 電液系統(tǒng)的主要參數(shù)

對(duì)于液壓系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其主要參數(shù)有執(zhí)行元件的工作壓力p和最大流量Q，在兆瓦級(jí)的風(fēng)力機(jī)變槳距系統(tǒng)中，工作壓力通常使用130～180bar，所以此處的計(jì)算選取一個(gè)中間值150bar。最大流量的值對(duì)于液壓系統(tǒng)的元件選取至關(guān)重要。而想要獲得最大流量的值，還需要提前獲得執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.1 液壓缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算

液壓變槳的風(fēng)力機(jī)通過(guò)液壓缸活塞來(lái)推動(dòng)變槳距推盤(pán)，并推動(dòng)連桿以改變槳葉節(jié)距。槳葉變距推盤(pán)所受到的阻力主要來(lái)自以下幾個(gè)方面：槳葉本身的慣性力矩、空氣作用產(chǎn)生的氣動(dòng)力矩、葉片形狀和材質(zhì)產(chǎn)生的離心彎矩以及內(nèi)部各部件間的摩擦阻力等，其中，慣性力矩是變槳力矩中起最大作用的部分。

在后面的討論中，假設(shè)槳葉為一個(gè)整體，且為剛體，其主軸均勻通過(guò)負(fù)載面的中心。著重分析由槳葉本身質(zhì)量所帶來(lái)的離心力作用產(chǎn)生的彎矩。

設(shè)槳葉截面上的B點(diǎn)質(zhì)量為，另設(shè)經(jīng)過(guò)同一原點(diǎn)C的坐標(biāo)系，但相對(duì)原坐標(biāo)轉(zhuǎn)過(guò)角?？傻觅|(zhì)量為B點(diǎn)離心力為：

根據(jù)前述理論分析，液壓驅(qū)動(dòng)力應(yīng)該等于三倍的變槳距力矩也即。

2.2 液壓系統(tǒng)尺寸和流量計(jì)算

要保證在停機(jī)風(fēng)速下，風(fēng)輪葉片仍能夠?qū)崿F(xiàn)順槳，液壓缸推力必須大于最大變槳距力矩。在油路供油壓力確定之后，可以通過(guò)選擇合適的活塞直徑來(lái)滿足上述推力要求。

另外，液壓系統(tǒng)流量能夠直接反映風(fēng)力機(jī)葉片的變槳距速度。現(xiàn)行風(fēng)力機(jī)最大變槳距速度一般控制在8°～10°/s，那么可通過(guò)如下公式計(jì)算器最大液壓油流量：

3 伺服系統(tǒng)數(shù)字控制器設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的變槳距電液比例位置伺服系統(tǒng)控制器如圖1所示，它是一種數(shù)?；旌峡刂破?。

3.1 節(jié)距控制器的設(shè)計(jì)

節(jié)距控制器針對(duì)給定的節(jié)距位置信號(hào)來(lái)產(chǎn)生控制電壓信號(hào)，從而控制通過(guò)電液比例閥中的壓力油的方向和流量。本設(shè)計(jì)中的節(jié)距控制器使用模糊PID作為反饋控制器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，另外還有擾動(dòng)前饋補(bǔ)償控制。

模糊控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程有以下幾個(gè)步驟：首先，將變量模糊化，此處將給定槳葉節(jié)距信號(hào)與位置反饋信號(hào)比較所得誤差e進(jìn)行模糊化；其次，設(shè)定模糊規(guī)則，根據(jù)風(fēng)力機(jī)變槳距控制規(guī)律；然后，進(jìn)行模糊推理，本控制器中的模糊推理采用Mamdani的Max-Min法；最后，解模糊化，本控制器解模糊采用質(zhì)心法。經(jīng)過(guò)解模糊化之后輸出的電壓值U的精確值。PID控制器的控制規(guī)律為：

3.2 前饋控制器設(shè)計(jì)

在基于誤差的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，當(dāng)誤差產(chǎn)生時(shí)，輸出將會(huì)有一定的延時(shí)。為了彌補(bǔ)不足，本設(shè)計(jì)采用干擾補(bǔ)償?shù)那梆伩刂苼?lái)加快該系統(tǒng)的響應(yīng)速度。如圖1所示，為本文中所設(shè)計(jì)的風(fēng)能擾動(dòng)前饋補(bǔ)償。這樣，就可以有效補(bǔ)償這種變化造成的擾動(dòng)。

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于大型風(fēng)力機(jī)變槳距電液比例位置伺服的控制器，通過(guò)分析計(jì)算變槳力矩、液壓缸推力等重要參數(shù)，給出了控制器的總體設(shè)計(jì)方案，著重介紹了部分控制單元的設(shè)計(jì)方法和思路。

參考文獻(xiàn)

[1]王介龍，陳彥.大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳葉穩(wěn)定性研究[J].工程力學(xué)，2002，19（2）：83-86.

[2]邢作霞，肖澤亮，王家驊，等.風(fēng)力發(fā)電電動(dòng)變槳距載荷模擬及控制策略仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31（11）：89-93.

[3]龔宇琴.風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳控制策略的研究[D].北京交通大學(xué)，2014.

（作者單位：河南省理工中等學(xué)校）