大型風力機變槳距電液比例位置伺服控制系統設計

付鑫

摘 要：本文通過分析討論液壓系統在風力機變槳距控制中的工作過程，并設計了一種應用于大型風力機變槳距控制的電液比例位置伺服控制系統。

關鍵詞：風力機；電液比例；位置；伺服控制

在槳距控制系統中，其調節過程一般選用液壓缸或者伺服電機作為其驅動力，傳動裝置會根據液壓缸輸出的機械位移或者伺服電機的角位移來調整風機片的位移，從而對槳距進行調節。電液比例控制技術原理簡單而且精度較高，具有很大的應用前景。本文在分析大型風力機液壓系統主要部件參數的前提下，對變槳距系統的建模分析，并完成了大型風力機變槳距電液比例位置伺服控制器的設計。

1 伺服控制系統

作為電液轉換元件與功率放大元件的電液伺服閥，是在電液伺服系統中的核心部件。它將電子與液壓巧妙結合，具有靈敏高效的特點，能夠控制大慣量從而實現大功率的運動輸出，具有相當廣泛的應用。另外，由于相關技術的成熟，使用位置伺服來設計的電液控制系統的應用更為廣泛，在大型風力機的變槳距控制中也是如此。

2 電液系統的主要參數

對于液壓系統來說，其主要參數有執行元件的工作壓力p和最大流量Q，在兆瓦級的風力機變槳距系統中，工作壓力通常使用130～180bar，所以此處的計算選取一個中間值150bar。最大流量的值對于液壓系統的元件選取至關重要。而想要獲得最大流量的值，還需要提前獲得執行元件的結構參數。

2.1 液壓缸驅動力的計算

液壓變槳的風力機通過液壓缸活塞來推動變槳距推盤，并推動連桿以改變槳葉節距。槳葉變距推盤所受到的阻力主要來自以下幾個方面：槳葉本身的慣性力矩、空氣作用產生的氣動力矩、葉片形狀和材質產生的離心彎矩以及內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，假設槳葉為一個整體，且為剛體，其主軸均勻通過負載面的中心。著重分析由槳葉本身質量所帶來的離心力作用產生的彎矩。

設槳葉截面上的B點質量為，另設經過同一原點C的坐標系，但相對原坐標轉過角。可得質量為B點離心力為：

根據前述理論分析，液壓驅動力應該等于三倍的變槳距力矩也即。

2.2 液壓系統尺寸和流量計算

要保證在停機風速下，風輪葉片仍能夠實現順槳，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，可以通過選擇合適的活塞直徑來滿足上述推力要求。

另外，液壓系統流量能夠直接反映風力機葉片的變槳距速度。現行風力機最大變槳距速度一般控制在8°～10°/s，那么可通過如下公式計算器最大液壓油流量：

3 伺服系統數字控制器設計

本文所設計的變槳距電液比例位置伺服系統控制器如圖1所示，它是一種數模混合控制器。

3.1 節距控制器的設計

節距控制器針對給定的節距位置信號來產生控制電壓信號，從而控制通過電液比例閥中的壓力油的方向和流量。本設計中的節距控制器使用模糊PID作為反饋控制器，實現閉環控制，另外還有擾動前饋補償控制。

模糊控制器的設計過程有以下幾個步驟：首先，將變量模糊化，此處將給定槳葉節距信號與位置反饋信號比較所得誤差e進行模糊化；其次，設定模糊規則，根據風力機變槳距控制規律；然后，進行模糊推理，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心法。經過解模糊化之后輸出的電壓值U的精確值。PID控制器的控制規律為：

3.2 前饋控制器設計

在基于誤差的閉環控制系統中，當誤差產生時，輸出將會有一定的延時。為了彌補不足，本設計采用干擾補償的前饋控制來加快該系統的響應速度。如圖1所示，為本文中所設計的風能擾動前饋補償。這樣，就可以有效補償這種變化造成的擾動。

本文設計了一種應用于大型風力機變槳距電液比例位置伺服的控制器，通過分析計算變槳力矩、液壓缸推力等重要參數，給出了控制器的總體設計方案，著重介紹了部分控制單元的設計方法和思路。

參考文獻

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（作者單位：河南省理工中等學校）