CN114623923B - 一种风电机组塔顶低频振动传感器的校验测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电机组塔顶低频振动传感器的校验测试方法，包括以下步骤：步骤S1）获取振动位移、速度和加速度的低频段信号；步骤S2）将振动位移、速度和加速度的低频段信号输入上位机，模拟风电机组塔顶低频振动，通过光栅尺采集实时振动物理信号并反馈给上位机；步骤S3）通过上位机采集被试振动传感器的反馈信号，将反馈信号与实时振动物理信号进行比对，根据比对结果校验被试振动传感器的振动特性。本方案误差小、匹配度高、可靠性好。本发明还公开了一种风电机组塔顶低频振动传感器的校验测试系统，采用上述方法，包括风电机组低频振动模拟地面试验装置、光栅尺、控制集成柜和装有仿真软件的上位机。

Description

一种风电机组塔顶低频振动传感器的校验测试系统及方法

技术领域

本发明涉及风电技术领域，具体涉及一种风电机组塔顶低频振动传感器的校验测试系统及方法。

背景技术

风电机组较其他行业振动监测的不同之处在于，风电机组是高、中、低频多种振动频率共存的振动体，传感器频段多样。在用于风电机组组件振动监测的传感器当中，加速度监测占了95%以上，其中低频振动传感器的使用量又占了一半以上。目前，风电机组上作为低频振动使用的传感器实际校准频率主要集中在20Hz～7000Hz，与风电机组低频振动的频段(0.1Hz～10Hz)严重不匹配，尤其是在0.5Hz以下的低频段（例如：塔架和机舱处），振动传感器的性能指标和精度要求均处于失控状态。目前风电机组上在用的传感器，在低频段（0.5Hz以下）的监测结果均不能真实反映实际的振动特性，测量数据存在较大的偏差，风电机组振动传感器在低频段的性能指标和精度要求均处于开环状态，定标方法和监测可靠性严重不足，存在重大安全隐患。因此，搭建模拟风电机组塔顶低频振动和校验低频振动传感器测试系统，对风电机组振动传感器的使用、校准以及整机安全监测具有重大意义。另外，传统电磁激振试验台振动位移小，低频、小位移工况时容易导致加速度等运动物理量被环境噪声淹没；传感器校准过程低频段校准中心频率、运动物理量与风电机组实际运行情况差别较大，匹配度低；传统电动测试台运用PID控制模式，较适用于低阶LTI系统，而在非线性时变系统下存在时延较大、逐点误差较大、调节效率偏低的缺点。

发明内容

本发明主要是为了解决现有技术中，风电机组振动传感器在低频段的性能指标和精度要求均处于开环状态，定标方法和监测可靠性不足的问题，提供了一种风电机组塔顶低频振动传感器的校验测试系统及方法，实现了对风电机组低频振动的模拟和振动传感器在低频段（0.1Hz～10Hz）的定标校验。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种风电机组塔顶低频振动传感器的校验测试系统，包括风电机组低频振动模拟地面试验装置、光栅尺、控制集成柜和上位机，所述上位机装有仿真软件。本发明提供了一种风电机组塔顶低频振动传感器的校验测试系统，包括风电机组低频振动模拟地面试验装置、光栅尺、控制集成柜和装有仿真软件的上位机，风电机组低频振动模拟地面试验装置用于模拟风电机组塔顶低频振动，包括齿轮齿条滑台模组、减速箱、伺服电机和安装底架，齿轮齿条滑台模组、减速箱、伺服电机和光栅尺安装在安装底架上；控制集成柜包括PLC模块、继电器、交换机、电源、亚当模块、伺服驱动器、断路器和双层过渡端子。使用本系统对被试振动传感器进行校验测试时，首先对塔顶部件振动位移数据进行频谱分析，获得部件的位移频谱数据，然后通过滤波处理、递归最小二乘算法和微分计算，获得上位机的输入信号，包括振动位移、速度和加速度的低频段信号；接着将被试振动传感器安装在风电机组低频振动模拟地面试验装置上，将上述位移、速度和加速度信号输入上位机的仿真软件，通过控制集成柜下发速度指令给风电机组低频振动模拟地面试验装置，PLC模块控制风电机组低频振动模拟地面试验装置的电机转动执行速度指令，实现风电机组塔顶低频振动的模拟；通过光栅尺反馈实时振动物理量给上位机，实现本系统的MPC位移闭环控制；通过上位机采集被试振动传感器的反馈信号，将被试振动传感器的反馈信号与光栅尺反馈的实时振动物理信号进行比对，分析二者振动时域信号的偏差率，根据偏差率对被试振动传感器的振动特性进行校验，实现被试振动传感器的低频校验测试。本发明公开了一种风电机组塔顶低频振动传感器的校验测试系统，该系统基于塔顶部件低频振动时采集的位移数据，通过相应的数据处理，获得上位机的输入信号，包括位移、速度和加速度信号；运用基于MPC（模型预测控制）控制策略的位移闭环控制方法，控制风电机组低频振动模拟地面试验装置执行相应的位移、速度和加速度动态数据，模拟风电机组塔顶低频振动；通过对比被试振动传感器的反馈信号与光栅尺反馈的实时振动物理信号，得到振动时域信号的偏差分析，依据偏差分析对被试振动传感器进行校验测试。

作为优选，所述风电机组低频振动模拟地面试验装置包括齿轮齿条滑台模组、减速箱、伺服电机和安装底架，所述齿轮齿条滑台模组、减速箱、伺服电机和光栅尺安装在安装底架上。被试振动传感器安装在风电机组低频振动模拟地面试验装置的齿轮齿条滑台模组的滑台面板上，风电机组低频振动模拟地面试验装置用于模拟风电机组塔顶低频振动。

作为优选，所述控制集成柜包括PLC模块、继电器、交换机、电源、亚当模块、伺服驱动器、断路器和双层过渡端子。控制集成柜的PLC模块用于控制风电机组低频振动模拟地面试验装置的电机转动，执行速度指令。

一种风电机组塔顶低频振动传感器的校验测试方法，适用于上述的一种风电机组塔顶低频振动传感器的校验测试系统，包括以下步骤：步骤S1）根据塔顶部件振动位移数据，获得振动位移、速度和加速度的低频段信号；步骤S2）将振动位移、速度和加速度的低频段信号输入上位机，控制风电机组低频振动模拟地面试验装置模拟风电机组塔顶低频振动，通过光栅尺采集实时振动物理信号并反馈给上位机；步骤S3）通过上位机采集被试振动传感器的反馈信号，将被试振动传感器的反馈信号与光栅尺反馈的实时振动物理信号进行比对，分析两者振动时域信号的偏差率，根据偏差率对被试振动传感器的振动特性进行校验。本方案适用于上述的一种风电机组塔顶低频振动传感器的校验测试系统，具体过程为：首先对塔顶部件振动位移数据进行频谱分析，获得部件的位移频谱数据，然后通过滤波处理、递归最小二乘算法和微分计算，获得上位机的输入信号，包括振动位移、速度和加速度的低频段信号；接着将被试振动传感器安装在风电机组低频振动模拟地面试验装置上，将上述位移、速度和加速度信号输入上位机的仿真软件，通过控制集成柜下发速度指令给风电机组低频振动模拟地面试验装置，PLC模块控制风电机组低频振动模拟地面试验装置的电机转动执行速度指令，实现风电机组塔顶低频振动的模拟，即实现半物理仿真控制；通过光栅尺反馈实时振动物理量给上位机，实现MPC位移闭环控制；通过上位机采集被试振动传感器的反馈信号，将被试振动传感器的反馈信号与光栅尺反馈的实时振动物理信号进行比对，分析二者振动时域信号的偏差率，根据偏差率对被试振动传感器的振动特性进行校验，实现被试振动传感器的低频校验测试。

作为优选，步骤S1的具体过程，包括以下步骤：步骤S11）鉴别塔顶部件振动的多种振动成分，通过频谱分析找到低频振动的中心频段，通过滤波的方式选取不同频段对应的位移时间序列，采用递归最小二乘算法获得低频振动的位移信号；步骤S12）对步骤S11获得的位移信号进行微分计算，得到低频振动的速度和加速度时域信号。基于塔顶部件低频振动时采集的位移数据，通过相应的数据处理，获得位移、速度和加速度时域信号。

作为优选，步骤S2的具体过程，包括以下步骤：步骤S21）将被试振动传感器安装在风电机组低频振动模拟地面试验装置的齿轮齿条滑台模组的滑台面板上；步骤S22）将步骤S1获得的位移、速度和加速度信号按照不同类别输入上位机，通过控制集成柜中的PLC模块控制风电机组低频振动模拟地面试验装置的电机转动，执行速度指令；步骤S23）通过光栅尺采集实时振动物理信号并反馈给上位机；步骤S24）基于仿真结果，对输入信号建立模型预测，运用MPC相关算法对预测输出进行滚动优化，最终通过反馈校正获得位移闭环控制的最优解。模拟风电机组塔顶低频振动时，将被试振动传感器安装到风电机组低频振动模拟地面试验装置的齿轮齿条滑台模组的滑台面板上，并连接好被试振动传感器的电源通讯线缆；将上述位移、速度和加速度信号按照不同类别输入上位机，通过控制集成柜中的PLC模块控制风电机组低频振动模拟地面试验装置的电机转速输出并执行速度指令；通过光栅尺反馈实时振动物理信号，即将运动过程的振动物理量反馈给上位机；基于模型预测控制（MPC）的位移闭环控制方法，基于仿真对输入信号建立模型预测，运用MPC相关算法对预测输出进行滚动优化，最终通过反馈校正获得位移闭环控制的最优解，实现位移闭环控制。本方案通过模型预测、参考轨迹、滚动优化及反馈校正，最终实现位移闭环控制的最优解，MPC控制策略下的波形曲线较传统PID控制波形曲线更为平滑，时延更短，逐点误差更小，实现了与目标偏差在3%以内的控制效果，远远高于通常校准仪器5%以内的偏差控制要求。

作为优选，步骤S3的具体过程，包括以下步骤：步骤S31）通过上位机采集被试振动传感器的反馈信号，经过滤波处理获得被试振动传感器的振动物理量时域信号；步骤S32）通过识别下发信号的标识点，对下发信号与被试振动传感器的振动物理量时域信号进行数值处理和误差分析；步骤S33）将被试振动传感器的反馈信号与光栅尺反馈的实时振动物理信号，通过上位机的仿真软件进行显示、比较和图形绘制，进而获得多种测试工况下被试振动传感器的实测数据与输入数据的偏差率；步骤S34）根据偏差率，对被试振动传感器的振动特性进行低频校验。校验过程根据实采的运动物理量和中心频率，大大提高了振动传感器低频段（0.1-1Hz）的模拟校验与实际风机运行频段的匹配度。

因此，本发明的优点是：

（1）实现了低频长行程运动的高保真复现，结合风电机组低频振动大位移、低速度、低加速度的特点，系统采用齿条滑台的电机控制模拟，突破了电磁等传统激振源小位移试验台的限制，克服了低频、小位移导致加速度等运动物理量偏小，极其容易被环境噪声淹没的情况；

（2）实现了基于MPC控制模式的高精度位移闭环控制，通过模型预测、参考轨迹、滚动优化及反馈校正，最终获得位移闭环控制的最优解，MPC控制策略下的波形曲线较传统PID控制波形曲线更为平滑，时延更短，逐点误差更小，控制与目标偏差在3%以内，远远高于通常校准仪器5%以内的偏差控制要求；

（3）风电机组的低频振动模拟，以位移数据量作为原始输入量，极大的保证了原始输入信号的准确性和可靠性，降低了因数值转换带来的信号输入原始误差；

（4）校验过程运用实时采集的运动物理量和中心频率，大大提高了振动传感器低频段（0.1-1Hz）的模拟校验与实际风机运行频段的匹配度。

附图说明

图1是本实施例中一种风电机组塔顶低频振动传感器的校验测试方法的流程图。

图2是本实施例中一种风电机组塔顶低频振动传感器的校验测试系统的结构示意图。

图3是本实施例中风电机组低频振动模拟地面试验装置的结构示意图。

图4是本实施例中控制集成柜的结构示意图。

1、风电机组低频振动模拟地面试验装置 2、光栅尺 3、控制集成柜 4、上位机 5、被试振动传感器 11、齿轮齿条滑台模组 12、减速箱 13、伺服电机 14、安装底架 31、PLC模块 32、继电器 33、交换机 34、电源 35、亚当模块 36、伺服驱动器 37、断路器 38、双层过渡端子。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

实施例一：

如图2所示，一种风电机组塔顶低频振动传感器的校验测试系统，包括风电机组低频振动模拟地面试验装置1、光栅尺2、控制集成柜3和装有仿真软件的上位机4；风电机组低频振动模拟地面试验装置1用于模拟风电机组塔顶低频振动，如图3所示，包括齿轮齿条滑台模组11、减速箱12、伺服电机13和安装底架14，齿轮齿条滑台模组11、减速箱12、伺服电机13和光栅尺2安装在安装底架14上，被试振动传感器5安装在风电机组低频振动模拟地面试验装置1的齿轮齿条滑台模组11的滑台面板上；控制集成柜3用于控制风电机组低频振动模拟地面试验装置1模拟风电机组塔顶低频振动，如图4所示，包括PLC模块31、继电器32、交换机33、电源34、亚当模块35、伺服驱动器36、断路器37和双层过渡端子38。

实施例二：

一种风电机组塔顶低频振动传感器的校验测试方法，包括以下步骤：步骤S1）根据塔顶部件振动位移数据，获得振动位移、速度和加速度的低频段信号；步骤S2）将振动位移、速度和加速度的低频段信号输入上位机4，控制风电机组低频振动模拟地面试验装置1模拟风电机组塔顶低频振动，通过光栅尺2采集实时振动物理信号并反馈给上位机4，实现半物理仿真位移闭环控制；步骤S3）通过上位机4采集被试振动传感器5的反馈信号，将被试振动传感器5的反馈信号与光栅尺2反馈的实时振动物理信号进行比对，分析两者振动时域信号的偏差率，根据偏差率对被试振动传感器5的振动特性进行校验。如图1所示，具体过程如下：

步骤100，信号前处理：对塔顶部件振动位移数据进行频谱分析，获得部件的位移频谱数据，通过滤波处理、递归最小二乘算法和微分计算，得到振动位移、速度和加速度的低频段信号，具体包括：

步骤101，鉴别塔顶部件振动的多种振动成分，通过频谱分析找到低频振动的中心频段，通过滤波的方式选取不同频段对应的位移时间序列，采用递归最小二乘算法得到低频振动的位移信号；

步骤102，采用对时间微分的方法，对滤波后的位移信号进行计算分析，得到低频振动的速度和加速度时域信号。

步骤200，半物理仿真位移闭环控制：将被试振动传感器5安装在风电机组低频振动模拟地面试验装置1上，将上述位移、速度和加速度信号输入上位机4的仿真软件，通过控制集成柜3下发速度指令给风电机组低频振动模拟地面试验装置1，实现风电机组塔顶低频振动模拟，即实现半物理仿真控制；通过光栅尺2反馈实时振动物理信号，实现MPC位移闭环控制，具体包括：

步骤201，将被试振动传感器5安装在风电机组低频振动模拟地面试验装置1的齿轮齿条滑台模组11的滑台面板上，并连接好被试振动传感器5的电源通讯线缆；

步骤202，将步骤100获得的位移、速度和加速度信号按照不同类别输入上位机4，通过控制集成柜3中的PLC模块31控制风电机组低频振动模拟地面试验装置1的电机转速输出并执行速度指令；

步骤203，通过光栅尺2反馈实时振动物理信号，即将运动过程的振动物理量反馈给上位机4；

步骤204，基于模型预测控制（MPC）的位移闭环控制方法，基于仿真对输入信号建立模型预测，运用MPC相关算法对预测输出进行滚动优化，最终通过反馈校正获得位移闭环控制的最优解，实现风电机组塔顶低频振动传感器校验测试系统的位移闭环控制。

步骤300，数据后处理：通过上位机4采集被试振动传感器5的反馈信号，将被试振动传感器5的反馈信号与光栅尺2反馈的实时振动物理信号进行比对，分析二者振动时域信号的偏差率，根据偏差率对被试振动传感器5的振动特性进行校验，具体包括：

步骤301，通过上位机4采集被试振动传感器5的反馈信号，通过相应的频段滤波处理获得被试振动传感器5的振动物理量时域信号；

步骤302，通过识别下发信号的标识点，对下发信号与被试振动传感器5的振动物理量时域信号进行数值处理和误差分析；

步骤303，将被试振动传感器5的反馈信号与光栅尺2反馈的实时振动物理信号，通过上位机4的仿真软件进行显示、比较和图形绘制等可视化处理，得到多种测试工况下被试振动传感器5实测数据与输入数据的偏差率，最终根据偏差率对被试振动传感器5进行低频校验。

Claims (4)

1.一种风电机组塔顶低频振动传感器的校验测试系统，其特征在于，包括风电机组低频振动模拟地面试验装置、光栅尺、控制集成柜和上位机，所述上位机装有仿真软件；

所述系统采用一种风电机组塔顶低频振动传感器的校验测试方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据塔顶部件振动位移数据，获得振动位移、速度和加速度的低频段信号；

步骤S2：将振动位移、速度和加速度的低频段信号输入上位机，控制风电机组低频振动模拟地面试验装置模拟风电机组塔顶低频振动，通过光栅尺采集实时振动物理信号并反馈给上位机；

步骤S3：通过上位机采集被试振动传感器的反馈信号，将被试振动传感器的反馈信号与光栅尺反馈的实时振动物理信号进行比对，分析两者振动时域信号的偏差率，根据偏差率对被试振动传感器的振动特性进行校验；

步骤S1的具体过程，包括以下步骤：

步骤S11：鉴别塔顶部件振动的多种振动成分，通过频谱分析找到低频振动的中心频段，通过滤波的方式选取不同频段对应的位移时间序列，采用递归最小二乘算法获得低频振动的位移信号；

步骤S12：对步骤S11获得的位移信号进行微分计算，得到低频振动的速度和加速度时域信号；

步骤S2的具体过程，包括以下步骤：

步骤S21：将被试振动传感器安装在风电机组低频振动模拟地面试验装置的齿轮齿条滑台模组的滑台面板上；

步骤S22：将步骤S1获得的位移、速度和加速度信号按照不同类别输入上位机，通过控制集成柜中的PLC模块控制风电机组低频振动模拟地面试验装置的电机转动，执行速度指令；

步骤S23：通过光栅尺采集实时振动物理信号并反馈给上位机；

步骤S24：基于模型预测控制MPC的位移闭环控制方法，基于仿真对输入信号建立模型预测，运用MPC相关算法对预测输出进行滚动优化，最终通过反馈校正获得位移闭环控制的最优解。

2.根据权利要求1所述的一种风电机组塔顶低频振动传感器的校验测试系统，其特征在于，所述风电机组低频振动模拟地面试验装置包括齿轮齿条滑台模组、减速箱、伺服电机和安装底架，所述齿轮齿条滑台模组、减速箱、伺服电机和光栅尺安装在安装底架上。

3.根据权利要求1所述的一种风电机组塔顶低频振动传感器的校验测试系统，其特征在于，所述控制集成柜包括PLC模块、继电器、交换机、电源、亚当模块、伺服驱动器、断路器和双层过渡端子。

4.根据权利要求1所述的一种风电机组塔顶低频振动传感器的校验测试系统，其特征在于，步骤S3的具体过程，包括以下步骤：

步骤S31：通过上位机采集被试振动传感器的反馈信号，经过滤波处理获得被试振动传感器的振动物理量时域信号；

步骤S32：通过识别下发信号的标识点，对下发信号与被试振动传感器的振动物理量时域信号进行数值处理和误差分析；

步骤S33：将被试振动传感器的反馈信号与光栅尺反馈的实时振动物理信号，通过上位机的仿真软件进行显示、比较和图形绘制，获得多种测试工况下被试振动传感器的实测数据与输入数据的偏差率；

步骤S34：根据偏差率，对被试振动传感器的振动特性进行低频校验。