【文章內(nèi)容簡介】 部隨風(fēng)向轉(zhuǎn)動，還可以防止繞纜的危險；然后是溫度模糊控制，控制對象是機(jī)艙和塔架內(nèi)部這兩部分使溫度保持在恒定數(shù)值。因為是對模擬量的閉環(huán)控制，所以針對溫度的變化采用PID控制方法。最后是變壓器的控制。圖31表示這個系統(tǒng)流程框圖：Y啟動控制器初始化采集風(fēng)速參數(shù)大于額定參數(shù) 啟動發(fā)電機(jī)偏航控制停機(jī)溫度控制N變壓器控制圖 31 系統(tǒng)程序流程圖 具體模塊設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)不同方面的功能，將整個系統(tǒng)分為四個主要模塊：發(fā)電機(jī)啟動模塊、偏航控制模塊、溫度控制模塊和變壓器控制模塊。下來具體說明每個模塊的主要功能、控制過程以及控制流程圖。（1）發(fā)電機(jī)啟動模塊這一模塊的功能是啟動系統(tǒng)總開關(guān)，PLC初始化。風(fēng)速傳感器采集了外界風(fēng)速模擬值，將風(fēng)速反饋給PLC，假如風(fēng)速過大，不符合發(fā)電的風(fēng)速要求，若風(fēng)速太大或者太小，不穩(wěn)定狀況時，PLC則可以向工作人員報警，工作人員可以選擇手動停機(jī)；假如風(fēng)速在合理的范圍內(nèi)，系統(tǒng)則啟動發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，并在此時發(fā)電機(jī)信號燈顯示發(fā)電機(jī)在工作，系統(tǒng)信號燈顯示表示系統(tǒng)運(yùn)行。N發(fā)電機(jī)啟動模塊的順序控制流程圖如下：NY圖 32 初始化啟動控制流程圖（2）偏航控制模塊偏航控制系統(tǒng)包含偏航控制機(jī)構(gòu)與偏航驅(qū)動機(jī)構(gòu)[5]。偏航控制機(jī)構(gòu)用于控制風(fēng)輪機(jī)葉片跟隨風(fēng)向的變化而變化；偏航驅(qū)動機(jī)構(gòu)是用于驅(qū)動偏航系統(tǒng)運(yùn)作，停止的，它包含有偏航驅(qū)動裝置、制動裝置以及偏航軸承。偏航驅(qū)動裝置常用伺服電動機(jī)和偏航減速齒輪。通常風(fēng)電機(jī)偏航控制系統(tǒng)有三種控制方式：風(fēng)向標(biāo)控制的迎風(fēng)自動偏航、風(fēng)向標(biāo)控制90176。側(cè)風(fēng)和自動解纜控制。其中風(fēng)向標(biāo)控制的迎風(fēng)自動偏航是偏航控制最主要的內(nèi)容。在本文中涉及到的偏航控制指的即為風(fēng)向標(biāo)控制的迎風(fēng)自動偏航。偏航控制系統(tǒng)的工作原理是通過風(fēng)向傳感器檢測外界風(fēng)向，將風(fēng)向模擬信號A/D轉(zhuǎn)換后傳遞給PLC，PLC內(nèi)部計算風(fēng)向的夾角，與參定值進(jìn)行比較是否達(dá)到要求，不符要求的話調(diào)整航向，PLC需要發(fā)出信號給偏航驅(qū)動機(jī)構(gòu)，偏航驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)艙轉(zhuǎn)變角度使之達(dá)到最佳的角度，從而使風(fēng)能的吸收率最大化[6]。這是個典型的位置伺服控制系統(tǒng)。偏航控制系統(tǒng)模塊主要實現(xiàn)風(fēng)輪機(jī)隨風(fēng)向轉(zhuǎn)動功能。在本文中，設(shè)計一個偏航工作區(qū)間為145176。215176。的控制系統(tǒng)，控制次數(shù)僅為一次。為了保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組吸收風(fēng)能達(dá)到最佳的效能，機(jī)艙必須對準(zhǔn)實時風(fēng)向。只有風(fēng)輪回轉(zhuǎn)面垂直于風(fēng)向，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪法線與風(fēng)向一致，風(fēng)電機(jī)吸收的功率最大。因此確定對風(fēng)目標(biāo)為風(fēng)輪回轉(zhuǎn)面與風(fēng)向垂直。當(dāng)風(fēng)向發(fā)生改變，超出允許誤差范圍時，控制器發(fā)出自動偏航指令，風(fēng)向傳感器和偏左、偏右電動機(jī)組成的自動對風(fēng)系統(tǒng)執(zhí)行校正動作。使得機(jī)艙能夠準(zhǔn)確地對風(fēng)[7]。偏航電機(jī)是電磁制動三相異步電動機(jī)。電機(jī)接電源后，制動裝置的整流器也隨之接通電源，線圈通電產(chǎn)生磁力吸引銜鐵進(jìn)行制動，經(jīng)過摩擦力矩的阻礙，電動機(jī)即會停止轉(zhuǎn)動。根據(jù)風(fēng)向傳感器信號得到的風(fēng)向標(biāo)夾角信號給出偏航控制指令，當(dāng)角度為180176。時，表明機(jī)艙位置已對準(zhǔn)風(fēng)向，在171176。189176。之間屬于測量傳感器誤差范圍內(nèi)，偏航系統(tǒng)將不做任何控制動作。當(dāng)角度155176。時，向右偏航電機(jī)將連續(xù)工作90秒，當(dāng)角度在155176。165176。之間，向右偏航電機(jī)將連續(xù)工作50秒，當(dāng)角度在165176。171176。之間，向右偏航電機(jī)將連續(xù)工作20秒。當(dāng)角度在189176。195176。時，向左偏航電機(jī)將連續(xù)工作20秒，當(dāng)角度在195176。205176。之間，向左偏航電機(jī)將連續(xù)工作50秒，當(dāng)角度在205176。之間，向左偏航電機(jī)將連續(xù)工作90秒?？梢钥闯?，偏轉(zhuǎn)10176。大約需要30秒，這是由電動機(jī)的工作頻率與齒輪的齒數(shù)決定的[8]。以上所述的角度區(qū)間控制原理可以用圖33進(jìn)行表示：圖 33 偏航角度區(qū)間控制原理圖偏航控制系統(tǒng)模塊的順序控制流程圖如圖34，從圖中可以看出，偏航控制的次數(shù)僅為一次，若要求再次進(jìn)行偏航控制，必須將機(jī)艙水平軸撥到與風(fēng)輪回轉(zhuǎn)面垂直的位置。其中偏航電機(jī)的工作是根據(jù)不同的風(fēng)向夾角度，控制電機(jī)向左或向右持續(xù)偏轉(zhuǎn)一定時間，使風(fēng)向夾角度保持在一定的角度范圍內(nèi)。圖 34 偏航控制流程圖（3）溫度控制模塊在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，用溫度傳感器檢測溫度，送入PLC的模擬量的輸入模塊，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換將傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為與溫度成比例的標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號，PLC將它與溫度參定值進(jìn)行比較，按照PID控制算法對誤差進(jìn)行運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果再送入模擬量輸出模塊，進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號，將電力設(shè)備運(yùn)作產(chǎn)生的熱氣排出室外，并且控制冷卻機(jī)運(yùn)作，向室內(nèi)傳送冷氣流進(jìn)行降溫，這樣實現(xiàn)對溫度的閉環(huán)控制。這一過程中，被控對象為機(jī)艙的溫度[8]。由于氣體壓力波動，各元器件溫度各不相同，溫度不勻等擾動因素影響，會破壞機(jī)艙溫度的穩(wěn)定，通過閉環(huán)控制可以有效地抑制各種擾動因素的影響，使控制更加有效。本文中，溫度控制模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)將采用PID控制。PID控制器因為具有不需要被控對象的數(shù)學(xué)模型，結(jié)構(gòu)簡單容易實現(xiàn)，有很強(qiáng)的靈活性、實用性，使用方便等優(yōu)點，所以將有效地提高PLC設(shè)計效率。c(t) pυ(t)M(t)sp(t)e (t)機(jī)艙溫度控制PLCA/D圖35為機(jī)艙和塔架內(nèi)部溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)：D/A溫度傳感器圖 35溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)圖圖中sp(t)是給定值，pυ(t)是反饋量，c(t)是系統(tǒng)的輸出量，PID控制的輸入輸出關(guān)系式如下：M(t)=Kc[e(t)+(1/TI)+(de(t)/)/dt]+Mo(t) ()其中Kc為比例系數(shù)，TI為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)[9]。比例系數(shù)Kc反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)作用立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，使得系統(tǒng)偏差快速向減小的趨勢變化。積分系數(shù)TI使得系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度，以保證實現(xiàn)對設(shè)定值的無靜差跟蹤。微分系數(shù)TD反應(yīng)系統(tǒng)偏差的變化率，預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用。直觀而言，微分作用能在偏差還沒有形成之前，就已經(jīng)消除偏差。在這個溫控系統(tǒng)中，控制器的參數(shù)的整定方法是工程整定法，主要依賴于工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進(jìn)行，并且方法簡單、容易掌握。實驗湊試法是通過閉環(huán)運(yùn)行或模擬，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各參數(shù)對系統(tǒng)的影響，反復(fù)湊試參數(shù)，直至出現(xiàn)滿意的響應(yīng)曲線，從而確定PID控制參數(shù)。實驗湊試法的整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”。第一進(jìn)行整定比例控制。將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至出現(xiàn)反應(yīng)快、超調(diào)量小的響應(yīng)曲線。E(k)Et=0t()P(k)KC*Et=0t()(a)偏差階躍變化 (b)比例整定作用圖 36 偏差階躍變化經(jīng)比例整定圖第二進(jìn)行整定積分環(huán)節(jié)。在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求時，則需要加入積分控制。將第一個步驟中選擇的比例系數(shù)減少到原來的50%80%，再將積分時間置一個較大值，觀測響應(yīng)曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并且相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)湊試至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。P(k)KC*Et=0t()積分時間P(k)Td*Et=0t()微分時間第三進(jìn)行是微分環(huán)節(jié)。經(jīng)過步驟二，PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動態(tài)過程不能令人滿意，此時應(yīng)該加入微分控制，構(gòu)成PID控制。首先置微分時間TD=0，逐漸加大TD，同時相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時間，反復(fù)湊試直至獲得滿意的控制效果。(a)積分整定作用 (b)微分整定作用圖 37 偏差階躍變化分別經(jīng)積分、微分整定圖P(k)t=0t()圖 38 偏差階躍變化經(jīng)比例、積分和微分綜合整定圖根據(jù)上述實驗湊試法，對這個溫控系統(tǒng)進(jìn)行分析，分別反復(fù)湊試各個參數(shù)，得到最滿意的響應(yīng)曲線，圖39為系統(tǒng)經(jīng)PID各系數(shù)整定后的階躍響應(yīng)曲線。在測試比例系數(shù)Kc時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)系數(shù)越小，響應(yīng)曲線反應(yīng)越快，超調(diào)量越小，過渡過程越平穩(wěn)，但余差變大。系數(shù)越大，偏差也隨之變大，過渡過程容易震蕩。，但余差比較大。測試積分系數(shù)TI時，，發(fā)現(xiàn)不能很好地消除由比例系數(shù)整定后產(chǎn)生的余差。逐步減小積分時間，積分作用由弱變強(qiáng)，消除余差的能力由弱變強(qiáng)。，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)能夠較好地將余差消除。消除了偏差，輸出停止變化。因為該溫控系統(tǒng)的特點具有大慣性、大滯后性，所以使用微分系數(shù)調(diào)節(jié)沒有效果。通常使用PI控制方式。因此。圖 39 溫控PID參數(shù)整定階躍響應(yīng)圖 在這個溫度控制系統(tǒng)中，機(jī)艙和塔架內(nèi)部的溫度設(shè)定值、增益、采樣時間、積分時間和微分時間都已在程序中設(shè)定，，。溫度PID機(jī)艙P(yáng)ID設(shè)定參數(shù)和塔架內(nèi)部PID設(shè)定參數(shù)一樣?！妗Ｓ嬎?5℃。只要啟動溫控系統(tǒng)，進(jìn)氣閥就會放冷氣流進(jìn)入降溫，檢測室溫，過程變量高于溫度設(shè)定值，繼續(xù)進(jìn)氣，若過程變量低于溫度設(shè)定值，立即停止進(jìn)氣。機(jī)艙和塔架溫度閉環(huán)控制流程圖如下：圖 310 機(jī)艙溫度閉環(huán)控制流程圖溫度控制模塊的設(shè)計思想主要是假設(shè)溫升過快超過額定值時，控制器啟動冷卻機(jī)進(jìn)行降溫，使溫度降至穩(wěn)定范圍。機(jī)艙是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中很重要的組成部分，假若溫度過高將會影響發(fā)電機(jī)、主軸、齒輪箱等重要元器件的運(yùn)行狀態(tài)，嚴(yán)重的甚至燒壞電纜，毀壞電機(jī)。所以將機(jī)艙溫度控制在一定范圍內(nèi)是很重要的。塔架內(nèi)部配置控制器，還必須放置變壓器和線纜將發(fā)電機(jī)運(yùn)作得到的電能輸送至蓄電池或者變壓器傳輸至電網(wǎng)。塔架內(nèi)部空間大，常有人員在其內(nèi)部操作、維護(hù)。因為存在控制器、計算機(jī)系統(tǒng)、變壓器等各類重要的電力設(shè)備，所以控制塔架內(nèi)溫度是十分必要的。圖 311 溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖整個系統(tǒng)具有機(jī)艙和塔架內(nèi)兩個溫度控制單元，要對兩個棚內(nèi)溫度進(jìn)行控制。具體流程是：啟動送風(fēng)電動機(jī)循環(huán)冷氣流，開啟進(jìn)氣閥給室內(nèi)降溫，經(jīng)過一段時間關(guān)閉閘門；控制室內(nèi)溫度時滿1小時后進(jìn)行排氣；按下停止按鈕后，關(guān)閉送分電動機(jī)和排氣閘門。這樣連鎖的控制，使室內(nèi)溫度保持恒定[11]。在這個溫控系統(tǒng)中，我們需要兩個測溫模擬量輸入點，兩個需要冷卻機(jī)工作輸送冷氣流的模擬量輸入點，兩個需要排氣閥排出氣流的模擬量輸出點。兩個開關(guān)量進(jìn)行啟動和開啟送風(fēng)電動機(jī)。進(jìn)氣閥有三個按鈕，分別為啟動按鈕、停止按鈕和急停按鈕。需要用到模擬量輸入模塊EM231和模擬量輸出模塊EM232。（4）變壓器控制模塊在變壓器控制系統(tǒng)中，將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)的高壓（此電壓為傳輸?shù)礁邏狠旊娋€路的高電壓）。這有利于電壓的傳輸與利用，電壓過低或過高會引起線路的負(fù)載過大，損耗過大。變壓器運(yùn)作的條件是在變壓器啟動按鈕按下時此時發(fā)電機(jī)正在運(yùn)作狀態(tài)，若無第二個條件存在，發(fā)電機(jī)無電壓進(jìn)行耦合，所以在發(fā)電機(jī)運(yùn)行的條件下按下啟動按鈕，變壓器則會工作。變壓器停止運(yùn)行則需要在發(fā)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動的狀態(tài)下按下停止按鈕才能實現(xiàn)。所以在這一模塊中，變壓器的運(yùn)行和停止分別需要兩個開關(guān)條件的實現(xiàn)。變壓器控制流程圖如下：圖 312 變壓器控制流程圖在這個變壓器控制系統(tǒng)中，我們需要2個開關(guān)量輸入點，2個開關(guān)量輸出點。 I/O地址分配與電氣元件選型 I/0地址分配根據(jù)風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和控制流程圖的要求，可以設(shè)計控制系統(tǒng)的開關(guān)量輸入點數(shù)為11個，開關(guān)量輸出點數(shù)為11個，擴(kuò)展模擬量輸入模塊EM231模擬量輸入點數(shù)為4個，擴(kuò)展模擬量輸出模塊EM232模擬量輸出點數(shù)為2個。表31是基于PLC的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的I/O地址分配。表32是與風(fēng)力發(fā)電控制程序相關(guān)的存儲器注釋內(nèi)容。 PLC的選型西門子S7200是一種小型可編程邏輯控制器，它不僅可以單機(jī)控制，還可以有功能模塊與I/O口的擴(kuò)展。整體式PLC將CPU、輸入/輸出口與電源裝備在一個箱型機(jī)殼內(nèi)。S7200具有很多優(yōu)點，指令集豐富，編輯語言簡單，集成功能極高，性價比很高，使用便捷安全等。根據(jù)控制規(guī)模的大小，即輸入/輸出點的多少，選擇相應(yīng)的CPU型號。在本文中，系統(tǒng)所需開關(guān)量輸入點數(shù)為11個，開關(guān)量輸出點數(shù)為11個，模擬量輸入點數(shù)為4個，模擬量輸出點數(shù)為2個。選擇西門子S7200CPU226型號，有24點開關(guān)量輸入，16點開關(guān)量輸出，6個計數(shù)器，擴(kuò)展輸入/輸出模板數(shù)量為7個。提供給擴(kuò)展單元5VDC[10]。西門子S7200提供外接擴(kuò)展模擬量輸入輸出模塊。在本文中使用模擬量擴(kuò)展模塊EM231CN和EM232CN。模擬量輸入模塊EM231CN具有4路模擬量輸入通道，為24V DC狀態(tài)。模擬量輸出模塊EM232CN具有2路模擬量輸出通道，也為24V DC狀態(tài)[11]。 其他器件的選型風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中所需用到了一些電氣元件有發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、變壓器、傳感器、表31 I/O地址分配表分類名稱數(shù)據(jù)類型I/O口地址輸入系統(tǒng)總啟動BOOL變壓器啟動BOOL變壓器停止BOOL機(jī)艙溫控系統(tǒng)啟動BOOL機(jī)艙溫控系統(tǒng)停止BOOL機(jī)艙溫控系統(tǒng)急停BOOL塔架內(nèi)部溫控系統(tǒng)啟動BOOL塔架內(nèi)部溫控系統(tǒng)停止BOOL塔架內(nèi)部溫控系統(tǒng)急停BOOL溫度控制系統(tǒng)總啟動BOOL溫度控制系統(tǒng)總停止BOOL輸出系統(tǒng)啟動顯示燈BOOL發(fā)電機(jī)啟動BOOL向左偏航BOOL向右偏航BOOL合適風(fēng)向顯示燈BOOL風(fēng)速過大警報顯示燈BOOL機(jī)艙電動機(jī)BOOL塔架內(nèi)部電動機(jī)BOOL溫控進(jìn)氣閥進(jìn)氣BOOL變壓器運(yùn)行BOOL變壓器停運(yùn)BOOLEM231風(fēng)速WORDAIW0風(fēng)向WORDAIW2機(jī)艙溫度WORDAIW4塔架內(nèi)部溫度WORDAIW6EM232機(jī)艙進(jìn)氣閥進(jìn)氣WORDAQW0塔架內(nèi)部進(jìn)氣閥進(jìn)氣WORDAQW2繼電器、接觸器和熔斷器等。（1）電機(jī)的