CN108717304A - 风力机叶片多激振器同步疲劳加载控制系统及控制方法 - Google Patents

风力机叶片多激振器同步疲劳加载控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了风力机叶片多激振器同步疲劳加载控制系统，基于电驱动惯性式激振装置，多激振器加载可提高疲劳试验载荷精度及激振能力。为了消除风电叶片激振器加载过程中耦合效应，基于虚拟主令相邻交叉耦合结构，设计激振器同步PID控制算法，自适应控制叶片振动幅值。采用运动控制器实现繁杂的控制规则，实现疲劳加载同步控制，提高了控制系统的自适应性和鲁棒性。控制算法基于无模型的控制方式，通过样机在风电叶片试验现场使用，控制算法能使激振器快速跟随，加载能较好的维持同步状态，激振器之间的相位差的波动很小，叶片振幅稳定，实现了风电叶片的平稳有效加载，取得了较好的效果，有较高的推广价值。

Description

风力机叶片多激振器同步疲劳加载控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种加载控制系统，尤其涉及一种风力机叶片多激振器同步疲劳加载控制系统。
本发明还涉及一种风力机叶片多激振器同步疲劳加载控制方法。
背景技术
叶片作为风力发电机组的关键部件，对它进行疲劳性能测试是投入使用的必需环节。由于对试验设备和试验成本要求较低，国内进行叶片疲劳加载试验主要采用单激振器，用于对疲劳安全系数较小的危险区域进行针对性测试。随着风电机组叶片规模越大，单点激振方式不仅在试验精度上达不到要求，激振能力更有待于提高，采用多激振器对风电叶片进行合力驱动加载成为新的发展方向。控制同步是实现激振联动的有效方式之一，在实际应用中是激振频率工作在共振情况下，各种干扰的不确定性、机械耦合作用的复杂性、电动机参数随环境变化的非线性等都对系统的同步状态产生影响。
众多学者提出了若干控制方法应用于风电叶片疲劳试验，这些研究主要基于偏心块驱动或液压驱动的加载模式，且采用控制算法大多是基于模型的控制方式。
多激振器振动系统是一个复杂的非线性机电耦合系统，振动过程中存在着能量传递，机电耦合作用影响控制的效果，增加了实际振动同步控制的难度。因此，对于多激振器疲劳加载系统，要求控制方法具有一定的鲁棒性及可实现性，使各电动机在稳态时的外负载分配的合理性，系统达到能量的均衡，同时，控制策略与控制算法需要简单易实现，具有工程实用性。
发明内容
随着叶片逐渐向大功率方向发展，解决激振能力低的问题，多激振器同步疲劳加载，基于电驱动惯性式激振装置，利用现代传感技术、控制技术与网络技术，将多台激振器进行组网，实现激振器之间的电子柔性连接，本发明提供一种风力机叶片多激振器同步疲劳加载控制系统。
为了消除风电叶片激振器加载过程中耦合效应，本发明还提供一种风力机叶片多激振器同步疲劳加载控制方法。引入相邻交叉耦合同步结构，提出虚拟主令同步控制策略，以PID控制算法设计误差补偿器，采用运动控制器实现繁杂的控制规则，实现疲劳加载同步控制，提高了控制系统的自适应性和鲁棒性。
本发明提供的一种风力机叶片多激振器同步疲劳加载控制系统，该控制系统主要由三个子闭环系统构成，
PID控制器控制驱动器输出驱动伺服电动缸，旋转编码器采集伺服电机角位移，旋转编码器将伺服电机实时角位移反馈到驱动器进行伺服电机角位移控制；
电动缸直线位移经过位移传感器转换成脉冲信号反馈到同步控制器，根据脉冲信号同步控制器对虚拟轴和从动轴的跟随误差进行修正，确保系统的同步误差得到有效控制；
激光测距仪测量叶片振动位移，对照目标值对叶片幅值控制。
该控制系统中采用了虚拟轴同步控制方式，控制算法中模拟了一个电子虚拟轴，系统中每个电机都接受同一指令单元的信号。
同步控制器包括三个子控制器，即一个跟随误差控制器和两个相邻同步误差控制器，每台激振器同步控制器。
同步控制是通过一定的同步控制算法使跟随误差ei(t)与同步误差εi(t)都趋于零，引入一个同时包含ei(t)、εi(i+1)(t)、ε(i-1)i(t)的信息量Ei(t)，称之为相邻耦合误差，定义按相邻次序定义Ei(t)为Ei＝ei+Λiεi，其中Λi为一个正的耦合系数，用于权衡控制器的跟随性能和同步性能；
引入一个新的变量耦合误差E＝e+Λε，Λ是控制增益矩阵，为对角正定矩阵，得到：
E＝(I+ΛT)e，其中：I是单位矩阵，如果矩阵(I+ΛT)可逆，则E→0，则e→0，进而ε→0；增益Λ越高，同步控制越强。
本发明提供的风力机叶片多激振器同步疲劳加载控制方法，包括以下步骤：
(1)在上位机上设置叶片目标振幅、目标振动次数及激振器运行周期数值；
点击自动加载按钮，激振器首先完成自动归位动作，然后开始同步进行疲劳加载；一旦设备出现故障需要紧急停止时，则按下急停按钮，设备将立即停止运行；
(2)疲劳加载开始时，PC主机对运动控制器发出指令，运动控制器接受上位机参数设置，利用同步控制算法，对多台伺服驱动器输出同步控制信号；
(3)在疲劳加载系统稳定运行期间，激光传感器采集的叶片位移振动情况作为反馈信号给控制系统，通过叶片位移变化情况，判断系统频率是否发生变化；
步骤(2)中，驱动系统将运动控制器的输出信号进行功率放大，驱动电动缸运动，使激振器产生同步加载激振力；根据叶片固有频率特性设定共振频率搜索范围和搜索步长，控制激振器对叶片进行不同激振频率加载；根据叶片振幅变化规律，搜索到叶片最大振幅，得到当前振幅下的频率为系统共振频率。
步骤(3)中，控制系统利用共振方法进行工作，当叶片振幅发生变化较大时，运动控制器通过调整激振器的激振频率或质量块行程，对驱动器输出信号进行控制，使叶片达到试验目标振幅并保持运行在共振状态；在叶片疲劳检测过程中，监测叶片振幅及应变变化，运动控制器将系统的状态发送给上位机显示并记录。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明的风电叶片多激振器同步疲劳加载控制系统，具有电驱动惯性式激振装置，其多激振器加载可提高疲劳试验载荷精度及激振能力。本发明的风力机叶片多激振器同步疲劳加载控制方法，基于虚拟主令相邻交叉耦合结构，通过激振器同步PID控制算法，自适应控制叶片振动幅值，采用运动控制器实现繁杂的控制规则，实现疲劳加载同步控制，提高了控制系统的自适应性和鲁棒性。
附图说明
图1是本发明叶片多激振器疲劳加载控制系统硬件结构图。
图2是本发明激光传感器电气接线图。
图3a是本发明叶片位移虚拟主轴余弦运动图。
图3b是本发明叶片速度虚拟主轴余弦运动图。
图3c是本发明叶片加速度虚拟主轴余弦运动图。
图4是本发明基于虚拟主令相邻偏差耦合控制策略结构图。
图5是本发明叶片多激振器疲劳加载系统控制原理图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面结合附图及具体实施方式进行详细描述，本说明书中描述的实施例仅用于解释本发明，并非用来限定本发明。
图1所示，本发明的风力机叶片多激振器同步疲劳加载控制系统，其硬件包括上位机和下位机，上、下位机基于以太网通信，上位机具有频率搜索与跟踪模块、传感检测模块、数据记录模块和Labview通信模块，通过RS485与激光测距仪连接，与应变测试仪基于以太网通信，上位机是由Labview编写的人机界面，主要实现功能包括运行参数设置与显示，与激光测距仪的通信与数据采集，与运动控制器的通信以及数据存储记录。
下位机基于运动控制器为核心，运动控制器上集成有控制器通信模块、同步控制模块、状态信号采集模块和单缸控制模块，运动控制器控制驱动器输出驱动电动缸，多台激振器进行组网，实现激振器之间的电子柔性连接，绝对式位移传感器器采集电动缸直线位移，激光测距仪测量叶片振动位移。
上位机的人机界面共分为六个部分：叶片实时位移显示区、单个作动模块手动运行操作区、系统主要运行参数显示区、系统操作区、整个加载系统设置区域、自动加载设置及运行区域。就地控制柜主要由电控设备、运动控制器、驱动器等组成。
下位机功能包括状态信号采集、频率的搜索与跟踪、与上位机通信以及电动缸同步驱动控制等功能。
风电叶片位移检测选用基于相位法原理设计的工业激光测距传感器(也就是图1中的激光测距仪)，数据通信方式设置为RS485。试验中由于计算机主机距离激光传感器较远，导致采集的叶片位移数据失真严重，使用RS485接口时通过加入桥接装置，将信号放大并进行光电隔离最终使采集的数据不受周围环境的影响，激光传感器电气接线如2图所示。
根据疲劳加载过程中载荷谱要求，叶片疲劳加载中为了获得正弦激振力，激振器必须相对叶片做正弦运动，而在数字控制系统中无法直接实现真正位移正弦运动，因此通过时间细分进行拟合的方式近似获得正弦运动。具体实现方法，如图3a、图3b、图3c所示，分别为叶片的位移、速度及加速度曲线，将一个余弦按时间等分为N段，在每一个时间τ＝T/N内的位移:
Sτ＝A(cos(ωNτ)-cos(ω(N-1)τ)(1)
每个在每一个时间τ内，速度为一次函数，初始速度为0，则可得每一段τ的起始速度VNi和结束速度VNe，并且下一段τ的起始速度为上一段的结束速度，设V1i＝0，每段时间τ的加速度为aNτ，可得到运动参数：
虚拟主令正弦运动在运动控制器编程中用程序段实现，将一个正弦周期按时间等分为多段直线进行拟合，建立一个表格存放每个时间段位移值，并转换成虚拟主轴的位移输出。
通过建立实轴与虚轴的关系使实际输出轴的位移跟随虚轴，程序将i轴与虚拟轴进行关联，跟随虚拟主轴运动。实轴实际输出运动与伺服电机响应之间不可能完全同步运动，两者之间存在误差，称为同步误差，当同步误差超过设定值后系统将自动停止运行。设同步误差为ε，伺服电机每接收N个脉冲旋转一周，电动缸导程为Ph，则叶片电动缸之间位移最大误差为：e＝2εPh/N。由上式可知，减小同步误差ε可以使伺服电机同步误差减小，则伺服电机位移环PID调节中比例系数P要相应增大，使系统超调增大引起激振力不稳定。
为了防止由于受到伺服电机不稳定的冲击力导致叶片发生小振幅高频颤动，在控制系统设计时，根据运动控制器自身函数库，采用了虚拟轴同步控制方式，控制算法中模拟了一个电子虚拟轴，系统中每个电机都接受同一指令单元的信号。
由于系统中存在一定的机电耦合作用及外界扰动等因素，且各电动机的运行特性等不尽相同，都会对同步造成不利影响，将相邻偏差耦合引入调节器。激振器的位置初值以同一个基准位置为参考，激振器考虑自身位置差反馈，同时还考虑相邻激振器的位置，将相邻偏差引入到当前的激振器位置控制中，形成环形网络控制系统。用同步及跟随误差描述系统同步性能，控制算法使同步误差及跟随误差都趋于零，位置控制策略如图4所示。
同步控制器包含三个子控制器，即一个跟随误差控制器和两个相邻同步误差控制器。每台激振器同步控制器进行同步控制时仅考虑自身位置与相邻激振器位置，软硬件实现较为方便。
应用同一基准位置使各激振器在同一基准转速下进行位置调节，有利于系统的一致性和平稳性，提高控制系统初始响应速度。对于具有n台激振器的振动系统，设电动机都跟随同一基准位置xr，定义第i激振器的跟随误差ei(t)＝xr-xi。满足ei(t)＝0可保证各旋转轴与基准转速的同步，但由于电动机特性差别及耦合的影响，在ei(t)→0的同时，需尽量满足e1(t)＝e2(t)＝...＝en(t)。定义相邻同步误差为：
偏差耦合控制中最重要的部分就是位置反馈模块，由它给每台电机提供位置补偿信号。每个激振器同步误差被定义为与其相邻两轴在两个方向上的速度误差的差分值，此时可以得到同步误差，即：
其中：ε1为第i轴的位置同步误差。当上式中所有的位置同步误差值都等于0，则同步控制目标e1(t)＝e2(t)＝...＝en(t)得以实现。用矩阵的形式改写公式为:
可进一步表示为：
ε＝Te (6)
其中：ε＝[ε1ε2…εn]T；e＝[e1e2…en]T；T为同步变换矩阵。
eTTe＝(e1-e2)2+(e2-e3)2+…+(en-e1)2≥0 (7)
用跟随误差及同步误差来描述系统位置同步性能，同步控制的目标是通过一定的同步控制算法使跟随误差ei(t)与同步误差εi(t)都趋于零。引入一个同时包含ei(t)、εi(i+1)(t)、ε(i-1)i(t)的信息量Ei(t)，称之为相邻耦合误差。定义按相邻次序定义Ei(t)为Ei＝ei+Λiεi，其中Λi为一个正的耦合系数，用于权衡控制器的跟踪性能和同步性能。
引入一个新的变量耦合误差E＝e+Λε，Λ是控制增益矩阵，为对角正定矩阵，得到：
E＝(I+ΛT)e (8)
其中：I是单位矩阵，如果矩阵(I+ΛT)可逆，则E→0，则e→0，进而ε→0；增益Λ越高，同步控制越强，因此，应综合考虑选择Λ。
图5所示，叶片多激振器疲劳加载系统控制原理图，控制系统主要由三个子闭环系统构成。
PID控制器控制驱动器输出驱动伺服电动缸，旋转编码器采集伺服电机角位移，旋转编码器将伺服电机实时角位移反馈到驱动器进行伺服电机角位移控制；
电动缸直线位移经过位移传感器转换成脉冲信号反馈到同步控制器，根据脉冲信号同步控制器对虚拟轴和从动轴的跟随误差进行修正，确保系统的同步误差得到有效控制；
激光测距仪测量叶片振动位移，对照目标值对叶片幅值控制。
本发明的风力机叶片多激振器同步疲劳加载控制方法，包括以下步骤：
(1)在上位机设置叶片目标振幅、目标振动次数及激振器运行周期数值；
点击自动加载按钮，激振器首先完成自动归位动作，然后开始同步进行疲劳加载；
一旦设备出现故障需要紧急停止时，则按下急停按钮，设备将立即停止运行。
(2)疲劳加载开始时，PC主机对同步控制器发出指令，运动控制器接受上位机参数设置，利用同步控制算法，对多台伺服驱动器输出同步控制信号；
驱动系统将运动控制器的输出信号进行功率放大，驱动电动缸运动，使激振器产生同步加载激振力；
根据叶片固有频率特性设定共振频率搜索范围和搜索步长，控制激振器对叶片进行不同激振频率加载；
根据叶片振幅变化规律，搜索到叶片最大振幅，得到当前振幅下的频率为系统共振频率。
(3)在疲劳加载系统稳定运行期间，激光传感器采集的叶片位移振动情况作为反馈信号给控制系统，通过叶片位移变化情况，判断系统频率是否发生变化；
系统利用共振方法进行工作，当叶片振幅发生变化较大时，运动控制器通过调整激振器的激振频率或质量块行程，对驱动器输出信号进行控制，使叶片达到试验目标振幅并保持运行在共振状态；在叶片疲劳检测过程中，监测叶片振幅及应变变化，运动控制器将系统的状态发送给上位机显示并记录。

Claims (7)

1.风力机叶片多激振器同步疲劳加载控制系统，其特征在于：该控制系统主要由三个子闭环系统构成，
PID控制器控制驱动器输出驱动伺服电动缸，旋转编码器采集伺服电机角位移，旋转编码器将伺服电机实时角位移反馈到驱动器进行伺服电机角位移控制；
电动缸直线位移经过位移传感器转换成脉冲信号反馈到同步控制器，根据脉冲信号同步控制器对虚拟轴和从动轴的跟随误差进行修正，确保系统的同步误差得到有效控制；
激光测距仪测量叶片振动位移，对照目标值对叶片幅值控制。
2.根据权利要求1所述的风力机叶片多激振器同步疲劳加载控制系统，其特征在于：该控制系统中采用了虚拟轴同步控制方式，控制算法中模拟了一个电子虚拟轴，系统中每个电机都接受同一指令单元的信号。
3.根据权利要求1所述的风力机叶片多激振器同步疲劳加载控制系统，其特征在于：同步控制器包括三个子控制器，即一个跟随误差控制器和两个相邻同步误差控制器，每台激振器同步控制器。
4.根据权利要求1所述的风力机叶片多激振器同步疲劳加载控制系统，其特征在于：同步控制是通过一定的同步控制算法使跟随误差ei(t)与同步误差εi(t)都趋于零，引入一个同时包含ei(t)、εi(i+1)(t)、ε(i-1)i(t)的信息量Ei(t)，称之为相邻耦合误差，定义按相邻次序定义Ei(t)为Ei＝ei+Λiεi，其中Λi为一个正的耦合系数，用于权衡控制器的跟随性能和同步性能；
引入一个新的变量耦合误差E＝e+Λε，Λ是控制增益矩阵，为对角正定矩阵，得到：
E＝(I+ΛT)e，
其中：I是单位矩阵，如果矩阵(I+ΛT)可逆，则E→0，则e→0，进而ε→0；增益Λ越高，同步控制越强。
5.根据权利要求1所述的风力机叶片多激振器同步疲劳加载控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在上位机上设置叶片目标振幅、目标振动次数及激振器运行周期数值；点击自动加载按钮，激振器首先完成自动归位动作，然后开始同步进行疲劳加载；
(2)疲劳加载开始时，PC主机对运动控制器发出指令，运动控制器接受上位机参数设置，利用同步控制算法，对多台伺服驱动器输出同步控制信号；
(3)在疲劳加载系统稳定运行期间，激光传感器采集的叶片位移振动情况作为反馈信号给控制系统，通过叶片位移变化情况，判断系统频率是否发生变化。
6.根据权利要求1所述的风力机叶片多激振器同步疲劳加载控制方法，其特征在于：步骤(2)中，驱动系统将运动控制器的输出信号进行功率放大，驱动电动缸运动，使激振器产生同步加载激振力；根据叶片固有频率特性设定共振频率搜索范围和搜索步长，控制激振器对叶片进行不同激振频率加载；根据叶片振幅变化规律，搜索到叶片最大振幅，得到当前振幅下的频率为系统共振频率。
7.根据权利要求1所述的风力机叶片多激振器同步疲劳加载控制方法，其特征在于：步骤(3)中，控制系统利用共振方法进行工作，当叶片振幅发生变化较大时，运动控制器通过调整激振器的激振频率或质量块行程，对驱动器输出信号进行控制，使叶片达到试验目标振幅并保持运行在共振状态；在叶片疲劳检测过程中，监测叶片振幅及应变变化，运动控制器将系统的状态发送给上位机显示并记录。
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