基于單神經(jīng)元PID的風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙輪轂專用吊具電液伺服系統(tǒng)控制研究

孫宇峰，蘇東海，楊皓琦，趙志鑫

（沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110870）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙輪轂專用吊具屬于液壓自平衡梁式吊具。液壓自平衡梁式吊具在傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)上增加了液壓系統(tǒng)和電氣控制，解決了起吊物起吊不平衡的問題[1]。隨著化石能源的枯竭，風(fēng)力發(fā)電越來越被重視[2]。因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙輪轂專用吊具具有良好的發(fā)展前景。在起吊過程中，風(fēng)力的干擾是不可抗拒的，所以本文采用自學(xué)習(xí)能力強(qiáng)的單神經(jīng)元PID對系統(tǒng)進(jìn)行控制[3]。

1 專用吊具電液伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

1.1 電液伺服系統(tǒng)各組成部分?jǐn)?shù)學(xué)模型

1）伺服放大器數(shù)學(xué)模型。

伺服放大器可看作比例環(huán)節(jié)，用放大器系數(shù)表示：

式中：Kq為電液伺服閥的流量增益；Kc為電液伺服閥的壓力-流量系數(shù)；qL為電液伺服閥流量。

對其進(jìn)行拉氏變換得

式中：mt為活塞及負(fù)載折算到活塞上的總質(zhì)量；Bp為活塞及負(fù)載的黏性阻尼系數(shù)；K為負(fù)載彈簧剛度；FL為作用在活塞上的意外負(fù)載力。

對其進(jìn)行拉氏變換得

聯(lián)立三式，并對傳遞函數(shù)進(jìn)行簡化，得到閥控非對稱

1.2 系統(tǒng)傳遞函數(shù)

電液伺服系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

2 專用吊具電液伺服系統(tǒng)普通PID控制器設(shè)計(jì)

普通PID控制將系統(tǒng)檢測到的誤差進(jìn)行組合，然后反饋到被控對象上，對系統(tǒng)誤差有很強(qiáng)的矯正能力。普通PID控制的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

本文在MATLAB/Simulink中建立普通PID控制的電液伺服系統(tǒng)仿真模型，運(yùn)用Z-N臨界比例法確定比例系數(shù)上限后通過不斷試湊，得到了控制效果最好的一組PID控制器參數(shù)，仿真結(jié)果如圖1所示。

設(shè)定不同的KP、KI和KD等3個參數(shù)的取值，對比不同的KP、KI和KD等3個參數(shù)的取值對系統(tǒng)輸入信號響應(yīng)的影響。從圖1中可以看出，設(shè)定KP=3.6、KI=1.5和KD=0.01時，系統(tǒng)的響應(yīng)速度、系統(tǒng)的穩(wěn)定時間和系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差相比于其他幾組表現(xiàn)更好，并且系統(tǒng)沒有發(fā)生超調(diào)，此時PID控制的控制效果較好。

圖1 基于電液伺服控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)仿真結(jié)果

3 專用吊具電液伺服系統(tǒng)單神經(jīng)元PID控制器設(shè)計(jì)

3.1 單神經(jīng)元PID控制器設(shè)計(jì)

單神經(jīng)元PID控制器控制原理如圖2所示，單神經(jīng)元PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)迅速的特點(diǎn)。

圖2 單神經(jīng)元PID控制原理圖

單神經(jīng)元PID控制器的學(xué)習(xí)規(guī)則分為無監(jiān)督型和有監(jiān)督型[5]。本文將采用有監(jiān)督型Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則。單神經(jīng)元PID控制器的輸出為：

對比增量式PID控制模型可得，kω2、kω1、kω3分別對應(yīng)于KP、KI、KD, 因此單神經(jīng)元系數(shù)k和學(xué)習(xí)效率是影響最終輸出結(jié)果的關(guān)鍵因素。單神經(jīng)元系數(shù)k的數(shù)值選擇是非常重要的，當(dāng)k的取值越大，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時間越短，但超調(diào)量也會增大，系統(tǒng)的振蕩也會增大；當(dāng)k的取值超過某一極限后，系統(tǒng)甚至?xí)幱诓环€(wěn)定的狀態(tài)。

將基于有監(jiān)督型Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則的單神經(jīng)元PID控制算法編寫成.m函數(shù)再封裝成為s函數(shù)。建立的單神經(jīng)元控制模塊如圖3所示。

圖3 單神經(jīng)元控制模塊

3.2 單神經(jīng)元PID控制仿真分析

在MATLAB/Simulink中建立添加單神經(jīng)元PID控制的專用吊具電液伺服系統(tǒng)與加普通PID控制的專用吊具電液伺服系統(tǒng)仿真模型，同時對兩種控制方式的電液伺服系統(tǒng)輸入一個階躍信號，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 單神經(jīng)元PID控制與普通PID控制仿真曲線

對圖4進(jìn)行分析可得，改進(jìn)型單神經(jīng)元PID控制響應(yīng)速度更快，相對于普通PID控制，改進(jìn)型單神經(jīng)元PID控制更早進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，最終穩(wěn)態(tài)誤差略大于普通PID控制，但仍在設(shè)計(jì)要求允許范圍之內(nèi)。

4 結(jié)語

本文研究了風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙輪轂專用吊具電液伺服系統(tǒng)的2種控制方式，在MATLAB/Simulink建立了仿真模型，對比分析仿真結(jié)果得出，單神經(jīng)元PID控制穩(wěn)定時間更短，控制效果良好，滿足專用吊具的使用要求。