火電廠熱能動(dòng)力設(shè)備軸承同步伺服控制方法

摘 要：為增強(qiáng)軸承的旋轉(zhuǎn)位置和速度控制精度，本文研究火電廠熱能動(dòng)力設(shè)備軸承同步伺服控制方法。對(duì)采集的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得出譜峭度最大值，運(yùn)用濾波器進(jìn)行降噪處理。采用時(shí)域分析方法提取振動(dòng)信號(hào)特征參數(shù)。設(shè)計(jì)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)的同步控制系統(tǒng)，將軸承轉(zhuǎn)子各自由度為控制目標(biāo)。引入神經(jīng)元，提升控制系統(tǒng)的自適應(yīng)性，運(yùn)用PID控制器進(jìn)行控制。通過(guò)阻尼系數(shù)反映超調(diào)的抑制程度，修正阻尼函數(shù)，實(shí)現(xiàn)控制器的伺服控制。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用該方法進(jìn)行精確控制僅需0.06s，軸承轉(zhuǎn)速為28r/min以內(nèi)，結(jié)果符合預(yù)期，取得了良好的控制效果。

關(guān)鍵詞：火電廠；熱能動(dòng)力設(shè)備；軸承；伺服控制

中圖分類號(hào)：TM 383 " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

軸承同步伺服控制是火電廠熱能動(dòng)力設(shè)備中的重要技術(shù)，通過(guò)精確的軸承同步伺服控制，可以減少設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的能量損失，提高設(shè)備的運(yùn)行效率，有助于降低能源消耗，提高火電廠的發(fā)電效率，還有助于減少設(shè)備故障和維修成本，提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。采用先進(jìn)的軸承控制算法和技術(shù)，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行調(diào)整，以提高控制的實(shí)時(shí)性。因此，火電廠熱能動(dòng)力設(shè)備軸承同步伺服控制方法具有能提高設(shè)備運(yùn)行效率、增強(qiáng)設(shè)備穩(wěn)定性、適應(yīng)性強(qiáng)和實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)提高火電廠的發(fā)電效率和降低能源消耗具有重要意義。

目前，傳統(tǒng)的控制方法對(duì)不同工況和不同設(shè)備型號(hào)的適應(yīng)性較差，需要針對(duì)不同的設(shè)備進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化，增加了維護(hù)和調(diào)試的難度[1]，因此本文研究了火電廠熱能動(dòng)力設(shè)備軸承同步伺服控制方法。

1 軸承同步伺服控制

1.1 火電廠熱能動(dòng)力設(shè)備軸承異常特征提取

使用振動(dòng)傳感器采集軸承振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，采樣率設(shè)置為10kHz。根據(jù)采集的火電廠熱能動(dòng)力設(shè)備軸承信號(hào)數(shù)據(jù)提取異常特征進(jìn)行同步伺服控制。利用譜分析法對(duì)采集的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理[2]。運(yùn)用譜峭來(lái)提升譜分析的頻率分辨率，從而提升異常信號(hào)的識(shí)別效果。對(duì)非平穩(wěn)過(guò)程分解，所得譜峭度信號(hào)的表達(dá)式如公式（1）所示。

y（t）=∫ej2πtH（t，f）dx （1）

式中：H（t，f）為原始信號(hào)；y（t）為時(shí)間t時(shí)的復(fù)包絡(luò)；e為白噪聲。

通常平穩(wěn)高斯過(guò)程中的譜峭度為0，通過(guò)設(shè)計(jì)濾波器來(lái)增加信號(hào)中的沖擊成分，對(duì)頻率分辨率進(jìn)行控制。帶通濾波器如公式（2）所示。

（2）

式中：H（t）為濾波信號(hào)；f0為中心頻率；Q為品質(zhì)因數(shù)，決定了濾波器的帶寬。

在給定的頻率范圍內(nèi)，通過(guò)遍歷中心頻率f0和品質(zhì)因數(shù)Q，計(jì)算每個(gè)組合下的譜峭度值，進(jìn)而找到使譜峭度最大的中心頻率和品質(zhì)因數(shù)。根據(jù)找到的每個(gè)頻段下的譜峭度值繪制一個(gè)二維彩色圖像。顏色的明暗表示當(dāng)前頻段下的譜峭度值，可直觀地觀察到譜峭度的分布。將找到的最優(yōu)中心頻率和品質(zhì)因數(shù)作為濾波器的參數(shù)，對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行濾波處理。處理后的信號(hào)所含的噪聲成分更少，從而達(dá)到了降噪的目的。

運(yùn)用時(shí)域分析的方法對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域波形分析，獲得振動(dòng)信號(hào)中的有用信息[3]，有效值特征的均值計(jì)算方法如公式（3）所示。

（3）

式中：N為分布特性的數(shù)值統(tǒng)計(jì)量；xi為脈沖因子。

通過(guò)特征計(jì)算公式進(jìn)行特征參數(shù)提取，對(duì)于不同信號(hào)，需要靈活調(diào)整參數(shù)來(lái)獲得差異化更大的特征參數(shù)。同時(shí)，當(dāng)軸承故障時(shí)，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)缺失的問(wèn)題，將軸承正常工況下的數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，向軸承異常信號(hào)進(jìn)行映射，加入軸承異常時(shí)的特性，能夠補(bǔ)充完成信號(hào)特征，獲得更真實(shí)的異常信號(hào)。以上過(guò)程應(yīng)用頻域插值法實(shí)現(xiàn)，具體過(guò)程如下。

使用傅里葉變換方法將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域，生成頻譜圖，表示振動(dòng)信號(hào)在不同頻率上的能量分布。在頻域上可觀察到頻譜的峰值、波峰和波谷等特征。通過(guò)分析正常工況下的頻譜特征，確定信號(hào)的主要頻率成分和幅值范圍。再根據(jù)正常工況下的頻譜特征確定信號(hào)缺失部分的頻域數(shù)據(jù)，并進(jìn)行線性插值處理，根據(jù)缺失數(shù)據(jù)點(diǎn)周圍已有數(shù)據(jù)的頻譜特征進(jìn)行插值計(jì)算。

假設(shè)需要補(bǔ)充的缺失數(shù)據(jù)點(diǎn)位于頻譜上2個(gè)已知頻率點(diǎn)間，并且這2個(gè)頻率點(diǎn)具有已知能量值，分別為f1和f2。設(shè)缺失數(shù)據(jù)點(diǎn)位于這2個(gè)頻率點(diǎn)間的相對(duì)位置為L(zhǎng)（范圍為0～1），可以采用線性插值的方法計(jì)算缺失數(shù)據(jù)點(diǎn)的頻譜能量，如公式（4）所示。

Emissing=E1+L（E2-E1） （4）

式中：Emissing為需要補(bǔ)充的缺失數(shù)據(jù)點(diǎn)的頻域能量值，E1、E2分別為已知頻率點(diǎn)處的能量值。

公式（4）表示在2個(gè)已知頻率點(diǎn)的能量值間，根據(jù)其線性關(guān)系和根據(jù)位置比例L進(jìn)行插值。通過(guò)線性插值對(duì)缺失數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)充，保持頻域特征的連續(xù)性和一致性。

將插值后的頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行反變換，轉(zhuǎn)換回時(shí)域。這樣，缺失部分的信號(hào)數(shù)據(jù)恢復(fù)為完整的異常信號(hào)。

上述過(guò)程將軸承正常工況下的數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)并向軸承異常信號(hào)進(jìn)行映射，通過(guò)加入軸承異常時(shí)的特性，對(duì)信號(hào)進(jìn)行了補(bǔ)充和修復(fù)，獲得了更真實(shí)的異常信號(hào)。

1.2 軸承轉(zhuǎn)動(dòng)模糊整定伺服控制

設(shè)計(jì)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)的模糊整定伺服控制系統(tǒng)[4]。設(shè)定n維非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，定義系統(tǒng)狀態(tài)變量的函數(shù)為ψ（c，t），根據(jù)控制目標(biāo)要求進(jìn)行選擇。對(duì)于多個(gè)控制輸出的系統(tǒng)，需要定義n+1個(gè)宏變量。運(yùn)用同步控制系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)控制前，需要在有限時(shí)間內(nèi)從初始狀態(tài)開(kāi)始收斂，使流形趨向被控系統(tǒng)的平衡點(diǎn)。用動(dòng)態(tài)方程描述流形收斂的過(guò)程，如公式（5）所示。

Tψ+ψ=0 （5）

式中：T為設(shè)計(jì)參數(shù)；ψ為系統(tǒng)的流形。

由于宏變量是狀態(tài)變量的函數(shù)，因此對(duì)函數(shù)進(jìn)行求導(dǎo)可以得到控制量解。在控制過(guò)程中，系統(tǒng)將從初始狀態(tài)趨近流形ψ=0，并一直保此狀態(tài)。由此可提升控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)能在流形收斂過(guò)程中找到平衡點(diǎn)。

對(duì)于軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，通常使用動(dòng)力學(xué)方程來(lái)描述其動(dòng)態(tài)行為。轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由位移、速度和加速度等參數(shù)決定，并通過(guò)公式（6）來(lái)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

（6）

式中：M為轉(zhuǎn)子的質(zhì)量；D為阻尼系數(shù)；K為剛度系數(shù)；x為轉(zhuǎn)子的位移；F為外部激勵(lì)力；x'為x的導(dǎo)數(shù)，表示速度；x\"為x的二階導(dǎo)數(shù)，表示加速度。

公式（6）描述了轉(zhuǎn)子受外部激勵(lì)力和阻尼作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，確定了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。

控制目標(biāo)為轉(zhuǎn)子位移、速度或加速度的精確跟蹤，從而提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，控制目標(biāo)計(jì)算方法如公式（7）所示。

（7）

式中：xd、xd'和xd\"分別表示期望的位移、速度和加速度。

為了實(shí)現(xiàn)這些控制目標(biāo)，需要設(shè)定相應(yīng)的性能指標(biāo)，本文設(shè)計(jì)為誤差的二次范數(shù)，如公式（8）所示。

（8）

式中：ex=x-xd；ex'=x'-x'd；ex\"=x\"-x\"d。

誤差的二次范數(shù)可衡量系統(tǒng)跟蹤期望軌跡的能力。通過(guò)優(yōu)化誤差的二次范數(shù)，可進(jìn)行更精確的跟蹤和控制。

在本文設(shè)計(jì)的軸承轉(zhuǎn)動(dòng)同步控制系統(tǒng)中，需要減少控制過(guò)程中產(chǎn)生的超調(diào)，使伺服系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作[5]。當(dāng)系統(tǒng)輸出值接近目標(biāo)值時(shí)，需要控制回路開(kāi)環(huán)，抑制反向超調(diào)，增加伺服系統(tǒng)的阻尼量，達(dá)到合理控制的目的。本文引入神經(jīng)元來(lái)提升控制系統(tǒng)的自適應(yīng)性，優(yōu)化誤差的二次范數(shù)e，運(yùn)用PID控制器進(jìn)行生成并獲得控制信號(hào)，如公式（9）所示。

e（t）=ke（t）+Df [e（t+1）] （9）

式中：f [e（t+1）]為阻尼含糊。

通過(guò)運(yùn)用阻尼系數(shù)來(lái)反映超調(diào)的抑制程度。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生反向超調(diào)現(xiàn)象時(shí)，其特征關(guān)系應(yīng)通過(guò)映射至單輸出的模糊控制器來(lái)進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化。設(shè)定允許誤差為3Q，輸入變量論域，其集為I={x，y，z}。分析輸出論域與輸入論域的符號(hào)是否相異[6]。存在異常時(shí)，產(chǎn)生反向超調(diào)V。其中V越大，表示抑制程度就越大。當(dāng)3Q超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，減少阻尼系數(shù)并提高控制信號(hào)的增益。采用模糊加權(quán)法進(jìn)行去模糊化。設(shè)定m（n）為超調(diào)數(shù)量，對(duì)阻尼函數(shù)進(jìn)行修正可以實(shí)現(xiàn)控制器的伺服控制[7]，其修正過(guò)程如公式（10）所示。

（10）

式中：β為修正系數(shù)。

當(dāng)β＞1時(shí)，需要通過(guò)α×β來(lái)增加阻尼量，從而防止超調(diào)量繼續(xù)增加；當(dāng)β＜1時(shí)，需要加入補(bǔ)償系數(shù)，使e（t）=0，釋放多余能量。

運(yùn)用控制器對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行控制，確保軸承參數(shù)在設(shè)定范圍內(nèi)，以完成多模態(tài)控制。其中主軸轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)的負(fù)載能夠?yàn)樵O(shè)備進(jìn)行關(guān)節(jié)軸承提供摩擦力矩，其所受負(fù)載的轉(zhuǎn)矩如公式（11）所示。

R=Ffl （11）

式中：f為軸承相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；l為關(guān)節(jié)軸承時(shí)的主軸軸線距離；F為摩擦動(dòng)力系數(shù)。

通過(guò)速度反饋可以增加系統(tǒng)的阻尼，從而能更準(zhǔn)確地反映超調(diào)量[8]。在軸承鉚接過(guò)程中，運(yùn)用傳感器檢測(cè)主軸載荷，當(dāng)輸出載荷達(dá)到設(shè)定載荷R時(shí)，保持設(shè)定載荷的極限下壓量并進(jìn)行保壓，完成軸承轉(zhuǎn)動(dòng)模糊整定伺服控制。

2 試驗(yàn)測(cè)試與分析

2.1 搭建試驗(yàn)環(huán)境

搭建火電廠熱能動(dòng)力設(shè)備軸承伺服控制的總體仿真模型，以確定伺服控制參數(shù)。在仿真條件下，采用的熱能動(dòng)力設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1。

在試驗(yàn)平臺(tái)中，通過(guò)調(diào)試設(shè)備和傳感器等分析軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，使用CIT程序來(lái)提取軸承特征頻率。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中使用的采集卡的分辨率為25bit，最大電壓采集范圍為-4V～4V，激勵(lì)電流為3A，動(dòng)態(tài)范圍為101dB。同時(shí)，在硬件參數(shù)方面，使用一個(gè)帶有數(shù)據(jù)采集功能的振動(dòng)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該傳感器具有高精度和高采樣率，采樣頻率為10kHz，傳感靈敏度為15.8mV/m·s2，最大傳感加速度為100m·s2，諧振頻率為7500Hz，激光轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍為15000r/min。使用一個(gè)IIR低通濾波器，該濾波器的階數(shù)為8，截止頻率設(shè)置為500Hz。軸承轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速范圍為1000r/min～2000r/min。為了滿足軸承同步伺服控制分析需求，將lab作為數(shù)據(jù)采集軟件以實(shí)時(shí)采集變化的軸承數(shù)據(jù)。由于通道使用一個(gè)時(shí)鐘會(huì)給結(jié)果帶來(lái)偏差，因此需要使用DSQ來(lái)進(jìn)行同步測(cè)量。安裝激光轉(zhuǎn)速器，設(shè)定合理的采樣頻率，并及時(shí)調(diào)整試驗(yàn)位置。

為了驗(yàn)證軸承轉(zhuǎn)動(dòng)同步控制方法的效果，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)試驗(yàn)環(huán)境。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)率為0.01，遺忘因子為0.001，PID控制器比例系數(shù)為0.8，積分系數(shù)為0.5，微分系數(shù)為0.2，阻尼系數(shù)為0.7。整個(gè)試驗(yàn)環(huán)境設(shè)置完善且精確，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

2.2 結(jié)果與分析

在仿真環(huán)境中，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩為30%的情況下設(shè)置3個(gè)小組。使用本文方法的小組為試驗(yàn)組，使用傳統(tǒng)方法的2個(gè)小組為對(duì)照1～2組，對(duì)負(fù)反饋后的伺服控制效果進(jìn)行分析，所得結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，2個(gè)對(duì)照組的軸承轉(zhuǎn)矩位置控制存在超調(diào)，增加了系統(tǒng)對(duì)非連續(xù)位置給定的超調(diào)，響應(yīng)速度變慢，無(wú)法合理調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出扭矩，存在穩(wěn)態(tài)誤差。而試驗(yàn)組在0.06s達(dá)到了給定位置，對(duì)軸承的旋轉(zhuǎn)位置進(jìn)行了精確控制，說(shuō)明運(yùn)用本文伺服控制方法能夠在不同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩條件下合理調(diào)整位置的超調(diào)，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小時(shí)增大超調(diào)，反之則調(diào)小，從而減少穩(wěn)態(tài)誤差的產(chǎn)生，更精確地進(jìn)行系統(tǒng)伺服控制。

為了驗(yàn)證本文控制方法的跟蹤特性，需要對(duì)軸承的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行測(cè)試。結(jié)合不同的工況，設(shè)置10組測(cè)試，所得結(jié)果見(jiàn)表2。

由表1結(jié)果可知，10組測(cè)試的軸承轉(zhuǎn)速均在28r·min-1以內(nèi)，結(jié)果符合預(yù)期。說(shuō)明運(yùn)用本文控制方法能夠精準(zhǔn)控制軸承的旋轉(zhuǎn)位置和速度，實(shí)現(xiàn)高精度的設(shè)備運(yùn)行。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸承的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)并調(diào)整伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出扭矩，可有效減少設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)和噪聲，提高設(shè)備的穩(wěn)定性，取得良好的控制效果。

綜上所述，運(yùn)用本文軸承同步伺服控制方法，可以根據(jù)不同的工況進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，原因是本文的軸承同步伺服控制方法綜合運(yùn)用了振動(dòng)信號(hào)特征參數(shù)分析、神經(jīng)元提升控制、PID控制和阻尼函數(shù)修正等方法，使控制方法具備較強(qiáng)的自適應(yīng)性、控制精度和超調(diào)抑制能力，能夠滿足不同工況下的軸承轉(zhuǎn)動(dòng)控制需求，并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可信度。該方法可廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備，減少設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的能量損失和浪費(fèi)，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的，并提高火電廠熱能動(dòng)力設(shè)備的運(yùn)行效率，取得良好的控制效果。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從火電廠熱能動(dòng)力設(shè)備入手，研究了軸承伺服控制等有關(guān)問(wèn)題，探究了火電廠熱能動(dòng)力設(shè)備軸承同步伺服控制方法。通過(guò)確定軸承同步伺服控制的目標(biāo)，并根據(jù)設(shè)備的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立軸承同步伺服控制數(shù)學(xué)模型。進(jìn)而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)控制算法進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整和控制。

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