基于最小方差理論的風電葉片自動配膠機控制系統設計

劉衛生，黃雪梅，張磊安，胡 俊

（1.中復連眾復合材料集團有限公司，連云港 222002；2.山東理工大學 機械工程學院，淄博 255049）

基于最小方差理論的風電葉片自動配膠機控制系統設計

劉衛生1，黃雪梅2，張磊安2，胡 俊2

（1.中復連眾復合材料集團有限公司，連云港 222002；2.山東理工大學 機械工程學院，淄博 255049）

為了解決風電葉片制造過程中，人工配膠出現的生產效率低、原料配比精度差等問題，以風電葉片配膠過程為研究對象，設計了一種基于最小方差控制的自動配膠機。首先，結合風電葉片配膠工藝的特點，設計了一種自動配膠機構。然后，采用了上位機—控制器—執行結構的控制系統構架模式并采用了一種基于最小方差理論的配膠策略。最后，完成了風電葉片自動配膠機的搭建并進行了配膠實驗。實驗結果表明，自行設計的自動配膠機不僅極大提高了生產效率，而且提高了配膠質量。

風電葉片；自動配膠機；最小方差理論；PLC

0 引言

隨著煤、石油、天然氣等傳統化石燃料的日益耗盡，風能作為一種新型綠色能源具有良好的發展前景。隨著聯網型風力發電機的出現，風力發電進入高速發展時期。國際能源署《風能技術路線圖》指出，到21世紀中葉風力發電占全球電力供應的比例將從目前的2%上升到12%。為了滿足日益大型化的風力發電機在使用性能方面的要求，風電葉片均采用復合材料為主體制造。風電葉片已成為復合材料的重要應用領域之一。具有輕質高強，剛度好，疲勞性能好等突出優點的復合材料是生產風電葉片的主要原材料之一。但是，目前國內風電葉片的生產仍以人工配膠為主，效率低，精確度差，原材料浪費嚴重，產品合格率低等缺點嚴重影響風電葉片的生產質量和生產效率。

為了解決上述問題，設計一種具有良好控制精度的風電葉片自動配膠設備具有重要的實際意義。Astrom和Wittenmark提出了最小方差自校正調節器[1]，這種調節器實現簡易，采用單片機便可實現。但該調節器不能用于逆不穩定系統，功能單一。Clark和Gawthrop提出了廣義最小方差自校正控制器[2]，克服了自校正調節器的主要缺點。但該算法在處理逆不穩定系統時，目標函數確定較為復雜。韓穎等采用最小方差自校正與積分校正相結合的方法對液壓閥控馬達速度伺服系統進行了研究[3]，提高了電液伺服系統的阻尼比，降低了系統的超調量。而且在系統研究過程中，簡化了控制系統設計過程中復雜的參數整定問題，僅需調整積分系數，在保持較好控制結果的前提下，大大減少了系統控制設計的工作量。以上研究成果為風電葉片自動配膠設備的研制提供了良好的借鑒作用。

在上述基礎上，本文以風電葉片配膠過程為研究對象，設計了一種風電葉片專用的自動配膠機。為了解決配膠過程中存在的配膠效率低問題，控制系統采用了上位機—控制器—執行機構的網絡構架模式。上位機采用昆侖通態觸摸屏，下位機采用西門子200系列PLC。為了解決混料比例誤差問題，采用了最小方差控制的配膠策略。經現場配膠實驗表明，配膠比例精準，極大地提高了風電葉片配膠工藝的自動化程度。

1 整體方案設計

結合風電葉片配膠過程的特點，提出了一種風電葉片專用的自動配膠機設計方案，自動配膠機的結構示意圖如圖1所示。風電葉片自動配膠機主要由配料機構、攪拌機構和控制系統三部分組成。其中配料機構主要由伺服閥、氣缸、配料桶以及其他氣動輔助系統組成，攪拌機構主要由氣動導軌、步進電機和攪拌葉片組成。

圖1 自動配膠機結構示意圖

風電葉片自動配膠機控制原理圖如圖2所示。控制系統主要由觸摸屏、PLC、力傳感器和相應的執行機構組成。執行機構主要包括氣動電磁閥，步進電機和伺服閥。氣動電磁閥通過氣動導軌控制混料機構和托盤動作；步進電機連接攪拌葉片進行混料；伺服閥控制原料出料。自動配膠機在自動狀態下的工作過程為：首先通過觸摸屏上的監控界面輸入配方混合比和總質量。然后，按下啟動按鈕控制原料出料的伺服閥開始工作，將原料輸送到配膠桶中，當配膠桶中原料重量達到設定值時伺服閥自動停止，同時攪拌器自動落下混料。混料結束后，攪拌器復位，同時接收廢料的托盤自動伸出到攪拌器的正下方，接收出料口跟攪拌器上的殘留液滴從而完成一次配膠過程。

圖2 自動配膠機控制原理圖

2 控制系統設計

2.1 最小方差控制設計

為了解決手工配膠過程中出現的配膠誤差大，原料配比精度低的問題。采用了基于最小方差理論的偏差控制策略，以提高樹脂與固化劑的配比精度。基于最小方差理論的被控自回歸滑動平均模型如式(1)所示[4,5]。

式中，y(k)為k時刻的系統輸出；u(k-m)為k-m時刻的系統輸入；m為配膠機控制系統采樣周期；e(k)為系統輸出與系統輸入的偏差值；q-1為時移算子。由式(1)可知k+m時刻的系統輸出如式(2)所示。

為了找出m步預報最優解y(k+m/k)，令預報誤差方差最小，即：

式中，D(q-1)為C(q-1)/A(q-1)的商式；q-mE(q-1)為C(q-1)/A(q-1)的余式。最優預報規律為：

基于最小方差理論的控制系統結構框圖如圖3所示。在本控制系統中結合圖2可知，yr為k時刻伺服閥流量的期望值，u(k)為該時刻的控制器輸出，y(k)為該時刻伺服閥輸出的實際流量，參數估計和參數調整為最小方差控制的實現部分，通過對k時刻伺服閥流量的實際值、期望值進行比較，根據最小方差控制律對控制器參數進行調整。從而改變控制器輸出，實現下一時刻伺服閥流量的精確控制。

圖3 最小方差控制框圖

2.2 步進電機控制

為了實現配膠過程中對攪拌機構進行控制，選用西門子200系列的PLC。該PLC通過晶體管輸出高速脈沖控制攪拌機構中的步進電機。PLC生成高速脈沖的方式有PTO和PWM兩種[6,7]。PTO方式能夠產生高速脈沖串，按照給定的脈沖個數和周期，輸出占空比為50%的方波。這種控制方式需指定脈沖數和周期，系統通過輸出脈沖的速度來控制伺服步進電機的速度，通過輸出脈沖個數實現精確定位。PWM方式能夠產生一個占空比變化并且周期固定的脈寬調制信號波形。在設定其周期和脈沖寬度的條件下，系統通過調節占空比實現速度控制。風電葉片自動配機選用PTO方式控制步進電機。

采用PTO方式控制步進電機首先應對特殊存儲器數據進行設置。該特殊存儲器應包含以下數據：控制字節、脈沖計數值、周期和脈沖寬度值。這些值全部存儲在特殊寄存器的指定位置中。然后采用脈沖輸出指令PLS執行脈沖輸出。該指令從特殊存儲器中讀取數據，使程序按照其存儲值控制PTO發生器。自動配膠機通過帶有脈沖包絡的PTO控制步進電機。該步進電機要求產生的輸出信號波形應包括步進電機加速、勻速和減速三部分。其頻率-時間圖如圖4所示。包絡表存放在從VB500開始的V存儲器區如表1所示，該表給出了產生所要求信號波形的值。

圖4 頻率-時間圖

表1 步進電機包絡表

2.3 監控界面

風電葉片自動配膠機通過MCGS組態軟件完成監控界面的編程如圖5所示，界面在PC機上設計好后通過編程電纜下載到觸摸屏上。自動配膠機上位機界面由監控主界面、手動自動切換界面、參數設置界面、報警界面和數據記錄界面組成。

圖5 監控主界面

監控主界面主要由當前配料總質量、比例，實時質量顯示，六種配膠質量的選擇與監控，設備復位按鈕，界面切換等部分組成。可供后臺切換的界面為手動操作界面、參數設置界面、報警界面和數據記錄界面。其中手動操作界面主要用于三種原料的手動加料控制，電機手動控制，支架上下移動控制，托盤前后移動控制。參數設置界面主要用于設置六種不同的配膠質量設定值以及每種質量下的混合原料比例值。報警界面主要用于實現配膠機報警顯示及報警復位。數據記錄界面主要用于配膠數據的查詢、編輯和存儲工作。

3 配膠實驗

在完成設計方案的基礎上，搭建了風電葉片自動配膠機實驗平臺，并進行了現場配膠實驗。部分實驗參數和實驗現場圖分別如表2和圖6所示。

表2 實驗參數

圖6 實驗現場

配膠實驗中分別對不同配膠質量，不同配膠原料的幾種常用混合比進行了多次測試，測試結果如表3所示，其中原料采用生產復合材料風電葉片所需要的固化劑、樹脂A和樹脂B作為實驗的原材料。

配膠實驗過程中受到配膠原料的限制，只對30kg混合質量進行了測試，由實驗結果可知，在30kg范圍內質量誤差值可以控制在±0.02kg以內，完全滿足高性能配膠機的控制要求。

表3 配膠實驗數據

4 結論

針對復合材料生產過程中配膠工藝存在的問題，本文設計了一種基于最小方差理論的風電葉片自動配膠機控制系統，完成了自動配膠機設備的搭建。在上述基礎上，進行了現場配膠試驗。得出以下結論：

1）為了解決人工配膠過程中生產效率低等問題，設計了一種自動配膠機構。采用了上位機—控制器—執行結構控制方案，通過PLC控制閥門流量進行配膠，實現了配膠過程自動化，大大提高了生產效率。

2）為了解決配膠過程中出現的樹脂和固化劑配比精度低等問題，采用了一種基于最小方差控制的配膠算法。通過現場配膠試驗表明，配膠質量能夠控制在±0.02kg以內，極大地提高了原料配比精度。為風電葉片自動配膠機的設計與控制提供借鑒。

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Design of control system of automatic adhesives mixing machine for wind turbine blade based on minimum variance theory

LIU Wei-sheng1, HUANG Xue-mei2, ZHANG Lei-an2, HU Jun2

TP273

A

1009-0134(2016)12-0011-04

2016-08-27

國家自然科學基金（51405275,51305243）；山東省自然科學基金（ZR2014EL027）

劉衛生（1974 -），男，高級工程師，研究方向為復合材料新產品研發、材料性能、生產工藝及質量控制。