基于模糊控制技術的耦合溫度控制系統

劉操，張彩英

（日照職業技術學院，山東 日照 276826）

基于模糊控制技術的耦合溫度控制系統

劉操，張彩英

（日照職業技術學院，山東 日照 276826）

風電葉片是風力發電機組的重要部件之一，而葉片大梁是風電葉片結構的主要力學構件，其性能的優劣對葉片的整體結構力學具有重要影響。大梁的生產過程對溫度控制要求較高，需多區域同步升溫，因此傳統的溫度控制方法已經無法滿足目前的工藝要求。本文基于模糊控制理論，介紹了耦合溫度控制系統在葉片生產過程中的應用，對其進行了過程分析和算法分析，并通過測試結果驗證了系統的科學性。

葉片大梁；模糊控制；耦合；溫度控制；試驗驗證

1 緒論

現代工業生產日新月異，越來越多的控制對象難以建立精確的數學模型，傳統的單輸入單輸出的溫控控制系統已經不能適用于當今生產工藝的要求。風電葉片大梁的結構并非整體結構，而是由多區域組合而成，各區域內部敷設有單獨的電阻絲、溫度傳感器和溫控開關，并有獨立的控制單元，各個區域的控制單元通過以太網與總控制器連接，簡圖如圖1所示。

圖1 控制器設置

在大梁的固化過程中，需多區域同時加熱，且相鄰區域的溫度差值不允許超過2℃。

基于以上現狀，本文提出單區域內采用模糊控制理論，各區域間通過耦合算法進行協同控制的整體控制思路，建立了一個耦合多組多輸入多輸出控制器的溫度控制系統。單個控制器以溫度傳感器測量量為輸入，以電阻絲功率電壓為輸出，以模糊規則表為邏輯依據。

模糊控制理論的源泉是總結某個控制問題的成功與失敗，有效規避建立精確的數學模型，其具有高度逼近自然人的邏輯方式，其主要語句為If…then…。模糊控制的基礎原理如圖2所示。圖中yr為系統設定值，y為系統輸出值，其均為未模糊化的清晰值。

運用模糊控制的首要工作就是模糊化。在大梁的單區域溫度控制中，我們將大梁的加熱溫度劃分為｛負大，負中，負小，零，正小，正中，正大｝六個溫度區域，這樣就把溫度這一精確量轉變為了模糊集的標示符和模糊語言值；接下來是數據庫，數據庫和語言控制規則是其兩大主要組成部分。模糊推理機中最常用的Mandani推理方法，包括規則激活、凝結隸屬度和綜合輸出三個過程。所謂清晰化，即模糊化的反過程，將輸出的語言的模糊量轉換到精確的數值。廣泛應用的清晰化方法：面積重心法、最大隸屬度法和加權平均法。本文中使用加權平均法。

圖2 模糊控制系統

模糊推理的重要一環是模糊規則的建立。在本文中，通過大量的實際問詢、現場試驗和理論推導，制定出了一整套的控制規則，例如：如果大梁溫度屬于負大時，電阻絲以全功率的方式進行；如果大梁溫度屬于零時，電阻絲加熱功率為0；如果大梁溫度屬于正大時，電阻絲加熱功率為0，并且溫控器報警。如果溫度升溫速度過快，降低電阻絲加熱功率。具體的模糊控制規則表和隸屬度函數如圖3所示。

NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中、正大（表1）。

圖3 模糊規則表和隸屬度函數圖

表1

2 耦合溫度控制系統設計

由于風電葉片在制造過程中，有多段組接而成，為了保證大梁整體的力學性能，在大梁的生產加熱階段，需要均衡控制各區域的溫升速度及溫差比例，防止出現過大的溫度差，因此，對象耦合的控制系統設計成為風電葉片大梁生產的重要節點。

智能多變量解耦是今年來剛剛發展起來的一門控制理論，它以神經網絡解耦控制算法為代表，在多變量控制領域取得了不錯的發展成果。

解耦是把各個回路之間的多輸入多輸出系統，轉變為多個相互獨立的單變量系統。實際裝置中，系統之間的耦合通?？梢酝ㄟ^3條途徑予以解決：（1）在設計控制方案時，設法避免和減少對系統有害的耦合；（2）選擇合適的調節參數，使各個系統的頻率錯開，以減少耦合；（3）設計解耦控制系統，使各個控制系統相互獨立。

多變量系統能夠成功解耦的重要條件是:系統的閉環傳遞矩陣為對角矩陣。但由于解耦前，系統的開環矩陣必為開環矩陣，因此為了達到解耦的目的，必須在多變量控制系統中引入解耦補償裝置。具有補償裝置的多變量解耦控制框圖，如圖4所示。

其中系統閉環傳遞矩陣，為系統開環傳遞矩陣，為解耦補償裝置的傳遞矩陣，為控制矩陣。

解耦控制算法的綜合算法一般分為3種：對角線矩陣綜合法、單位矩陣綜合法和前饋補償綜合法。

圖4 多變量解耦控制

3 實驗驗證

為了驗證本系統的科學性和實用性，在連云港中復連眾公司大梁生產3號線進行了實際應用。本條線生產的大梁長度為75m，分為6個區域，生產過程中分為5個階段進行加熱，每個加熱階段均為均衡。每個區域由英飛凌XC164CS單片機電路板作為控制單元，通過PT100溫度探頭實時讀取區域內溫度，最后各控制器之間通過以太網組網。上位機由VB編寫的界面，本界面具有實時顯示曲線和在線實時紀錄的功能。試驗現場如圖5所示。

圖5 試驗現場

為了檢驗該系統在大溫差范圍和小溫差范圍的控制特性，設定控制水溫度為76℃，取水溫變化的23～50℃階段和73～76℃階段進行試驗，分別如圖6和圖7所示。

圖6 自適應模糊PID控制算法控制圖（起始階段）

圖7 自適應模糊PID算法控制圖（穩定階段）

從圖6可以得出，在大溫差階段時，控制系統對水溫進行加熱，效率較高，大約只需要2小時即可完成升溫過程。在升溫過程中，速度會有逐漸變慢的趨勢，這是由于水溫加熱是通過熱傳導進行，隨著葉片溫度的上升，水介質與葉片之間的溫差逐漸變小，導致熱傳導效率降低。另外，在溫度上升的過程中，會有上下起伏現象，這是因為葉片膠質固化是一個放熱過程，會產生反向散熱，這也從側面體現了水加熱的優點，不僅能放熱，特定情況下還可以吸熱，保證了葉片型腔內部溫度的穩定性7可以得出：采用自適應模糊理論控制的加熱器，在初始加熱階段，由于溫差仍然較大，因而控制器的輸出功率依然很大，加熱器保持較高效率，溫度能夠穩步上升。當到達設定溫度后，加熱過程明顯減速，控制器根據溫度起伏范圍，實時改變加熱器功率，保證溫度控制趨于平穩，誤差維持在2℃左右，完全符合風電葉片后固化工藝要求。

[1]Herbert G M J, Iniyan S, Sreevalsan E, et al. A review of wind energy technologies[J]. Renewable sustainable Energy Reviews, 2007, 11 (6):1117～1145.

[2]Lu L, Yang H X. Burnett J. Investigation on wind power potential on Hong Kong islands: An analysis of wind power and wind turbine characteristics[J].Renewable Energy, 2002, 27(1):1～12.

[3]陳進，王旭東，沈文忠，等.風力機葉片的形狀優化設計[J].機械工程學報，2010，46(3)：131～134.

[4]Hansen M O L, Sorensen J N, Voutsinas, et al. State of the art in wind turbine aerodynamics and aeroelasticity[J].Progress in Aerospace Sciences, 2006, Vol.42(4): 285～330.

[5]張曉明. 風力發電符合材料葉片的現狀與未來[J].纖維復合材料，2006, 11(2):60～63.

[6]戴春暉，劉鈞，曾竟成，等.復合材料風機葉片的發展現狀及若干問題的對策[J].玻璃鋼復合材料，2008, 2(1)：53～56.

TP273

A

1671-0711（2017）04（下）-0101-03