【導(dǎo)讀】師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過(guò)的材料。均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文。不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位。印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。污染物也對(duì)地球環(huán)境產(chǎn)生了負(fù)影響。然而風(fēng)能是一種清潔、可再生的能源，在發(fā)電這一。領(lǐng)域具有巨大的開發(fā)潛力和商業(yè)活力。針對(duì)風(fēng)能具有隨機(jī)性、不確。控制、溫度控制和變壓器控制等。紹，并配有每一模塊的控制程序。最后進(jìn)行相關(guān)調(diào)試和仿真，利用STEP7-Micro/WIN32. 編程軟件對(duì)PLC程序進(jìn)行調(diào)試、仿真運(yùn)行和在線診斷等，使仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

　　

【正文】 的角度，從而使風(fēng)能的吸收率最大化 [6]。 這是個(gè)典型的位置伺服控制系統(tǒng)。偏航控制系統(tǒng) 模塊主要實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪機(jī)隨風(fēng)向轉(zhuǎn)動(dòng)功能。 在 本文 中，設(shè)計(jì)一個(gè)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(duì)準(zhǔn)實(shí)時(shí)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(duì)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(shí)，控制器發(fā)出自動(dòng)偏航指令，風(fēng)向傳感器和偏左、偏右電動(dòng)機(jī)組成的自動(dòng)對(duì)風(fēng)系統(tǒng)執(zhí)行校正動(dòng)作。使得機(jī)艙能夠準(zhǔn)確地對(duì)風(fēng) [7]。 偏航電機(jī)是電磁制動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)。 電機(jī)接電源后，制動(dòng)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(dòng)，經(jīng)過(guò)摩擦力矩的阻礙，電動(dòng)機(jī)即會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 根據(jù)風(fēng)向傳感器信號(hào)得到的風(fēng)向標(biāo)夾角信號(hào)給出偏航控制指令，當(dāng)角度為 180176。Y N N 啟動(dòng)上電采集外界風(fēng)速參數(shù)在啟動(dòng)風(fēng)速范圍內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動(dòng)常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 第 13 頁(yè) 共 46頁(yè) 時(shí)，表明機(jī)艙位置已對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向，在 171176。189176。之間屬于測(cè)量傳感器誤差范圍內(nèi)，偏航系統(tǒng)將不做任何控制動(dòng)作。當(dāng)角度 155176。時(shí)，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(shí)，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(dòng)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(shí)間 ，使風(fēng)向夾角度保持在一定的角度 范圍內(nèi) 。 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 第 14 頁(yè) 共 46頁(yè) 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(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換為與溫度成比例的標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)， PLC 將它與溫度參定值進(jìn)行比較，按照 PID 控制算法對(duì)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(hào)， 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(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的閉環(huán)控制。這一過(guò)程中，被控對(duì)象為機(jī)艙的溫度 [8]。由于氣體壓力波動(dòng)，各元器件溫度各不相同，溫度不勻等擾動(dòng)因素影響，會(huì)破壞機(jī)艙溫度的穩(wěn)定，通過(guò)閉環(huán)控制可以有效地抑制各種擾動(dòng)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?yàn)榫哂胁恍??????????90 s 155 176。 165 176。 171 176。 189 176。 195 176。????50 s????20 s????????20 s 205 176。????50 s????90 s???????????YNYYYYYNNNNN常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 第 15 頁(yè) 共 46頁(yè) 要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，有很強(qiáng)的靈活性、實(shí)用性，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，所以 將有效地提高 PLC 設(shè)計(jì)效率。 圖 35 為機(jī)艙 和塔架內(nèi)部 溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)： 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)?t dtte0)( +(de(t)/)/dt]+Mo(t) () 其中 Kc 為比例系數(shù)， TI 為積分時(shí)間常數(shù)， TD 為微分時(shí)間常數(shù) [9]。 比例系數(shù) Kc 反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，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(shì)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(wú)差度，以保證實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)定值的無(wú)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(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，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(méi)有形成之前，就已經(jīng)消除偏差。 在這個(gè)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(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，并且方法簡(jiǎn)單、容易掌握 。實(shí)驗(yàn)湊試法是通過(guò)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(duì)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(shí)驗(yàn)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。 (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 溫度傳感器 A/D PLC 控制 機(jī)艙溫度 D/A sp(t) e (t) pυ(t) M(t) c(t) E(k) E t=0 t() P(k) KC*E t=0 t() 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 第 16 頁(yè) 共 46頁(yè) 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(shí)，則需要加入積分控制。將第一個(gè)步驟中選擇的比例系數(shù)減少到原來(lái)的 50%80%，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)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)。 第三進(jìn)行是微分環(huán)節(jié)。經(jīng)過(guò)步驟二， PI 控制只能消除 穩(wěn)態(tài)誤差，而動(dòng)態(tài)過(guò)程不能令人滿意，此時(shí)應(yīng)該加入微分控制，構(gòu)成 PID 控制。首先置微分時(shí)間 TD=0，逐漸 加大 TD，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)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 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(shí)驗(yàn)湊試法 ，對(duì)這個(gè)溫控系統(tǒng)進(jìn)行分析 ，分別 反復(fù)湊試各個(gè)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(cè)試比例 系 數(shù) Kc 時(shí)，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(guò)渡過(guò)程越平穩(wěn)，但余差變大。系數(shù)越大，偏差也隨之變大，過(guò)渡過(guò)程容易震蕩。 反復(fù)湊試確認(rèn)系統(tǒng)的比例系數(shù)為 ，但余差比較大 。 測(cè)試積分 系 數(shù) TI 時(shí)，將 比例系數(shù) 減小到原來(lái)的一半，首先置積分系數(shù)為 ，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(shí)間，積分作用 由弱變強(qiáng)，消除余差的能力由弱變強(qiáng)。在湊試積分系數(shù)為 時(shí)，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?yàn)樵摐乜叵到y(tǒng)的特點(diǎn)具有大慣性、大滯后性，所 以使用微分系數(shù)調(diào)節(jié)沒(méi)有效果。通常使用 PI 控制 方式。因此，設(shè)定微分系數(shù)為 。 設(shè)定系統(tǒng)采樣時(shí)間為 。 P(k) KC*E t=0 t() 積分時(shí)間 P(k) Td*E t=0 t() 微分時(shí)間 P(k) t=0 t() 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 第 17 頁(yè) 共 46頁(yè) 圖 39 溫控 PID 參數(shù)整定階躍響應(yīng)圖 在這個(gè)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(shí)間、積分時(shí)間和微分時(shí)間都已在程序中設(shè)定，溫度設(shè)定值為 ，增益為 ，采樣時(shí)間為 ，積分時(shí)間為 ，微分時(shí)間為 。 溫度 PID 機(jī)艙 PID 設(shè)定參數(shù)和塔架內(nèi)部 PID 設(shè)定參數(shù)一樣。 溫度設(shè)定值 表示實(shí)際溫度為 25℃ 。 計(jì)算 25℃ 由公式 帶入各系數(shù)具體值得到 的 。 只要啟 動(dòng)溫控系統(tǒng)，進(jìn)氣閥就會(huì)放冷氣流進(jìn)入降溫，檢測(cè)室溫，過(guò)程變量高于溫度設(shè)定值，繼續(xù)進(jìn)氣，若過(guò)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 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 第 18 頁(yè) 共 46頁(yè) 溫度控制模塊的設(shè)計(jì)思想主要是假設(shè)溫升過(guò)快超過(guò)額定值時(shí)，控制器啟動(dòng)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(guò)高將會(huì)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?yàn)榇嬖诳刂破?、?jì)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(gè)系統(tǒng)具有 機(jī)艙和塔架內(nèi) 兩個(gè)溫度控制單元，要對(duì)兩個(gè)棚內(nèi)溫度進(jìn)行控制。具體流程是：?jiǎn)?dòng)送風(fēng)電動(dòng)機(jī)循環(huán)冷氣流，開啟進(jìn)氣閥給室內(nèi)降溫，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間關(guān)閉閘門 ；控制 室內(nèi)溫度 時(shí)滿 1 小時(shí)后 進(jìn)行排氣；按下停止按鈕后，關(guān)閉送分電動(dòng)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(gè) 溫 控 系統(tǒng)中，我們需要兩個(gè)測(cè)溫模擬量輸入點(diǎn)，兩個(gè)需要冷卻機(jī)工作輸送冷氣流的模擬量輸入點(diǎn)，兩個(gè)需要排氣閥排出 氣流的模擬量輸出點(diǎn)。兩個(gè)開關(guān)量進(jìn)行啟動(dòng)和開啟送風(fēng)電動(dòng)機(jī)。進(jìn)氣閥有三個(gè)按鈕，分別為啟動(dòng)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(guò)低或過(guò)高會(huì)引起線路的負(fù)載過(guò)大，損耗過(guò)大。變壓器運(yùn)作的條件是 在變壓器啟動(dòng)按鈕按下時(shí)此時(shí) 發(fā)電機(jī) 正 在 運(yùn)作 狀態(tài) ，若 無(wú) 第二個(gè)條件存在，發(fā)電機(jī)無(wú)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(dòng)按鈕，變壓器則會(huì)工作。變壓器停止運(yùn)行則需要在發(fā)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)下按下停止按鈕才能實(shí)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(gè)開關(guān)條件的實(shí)現(xiàn)。 機(jī) 艙 塔架內(nèi)部M M機(jī)艙風(fēng)機(jī)塔架內(nèi)風(fēng)機(jī)總排氣閥塔架排氣閥總進(jìn)氣閥塔架排氣閥機(jī)艙排氣閥機(jī)艙排氣閥常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 第 19 頁(yè) 共 46頁(yè) 變壓器控制流程圖如下： 圖 312 變壓器控制流程圖 在這個(gè) 變壓器控制 系統(tǒng)中，我們需要 2 個(gè)開關(guān)量輸入點(diǎn)， 2 個(gè)開關(guān)量輸出點(diǎn)。 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(jì)和控制流程圖的要求，可以設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的開關(guān)量輸入點(diǎn)數(shù)為 11 個(gè)，開關(guān)量輸出點(diǎn)數(shù)為 11 個(gè)，擴(kuò)展模擬量輸入模塊 EM231 模擬量輸入點(diǎn)數(shù)為 4 個(gè)，擴(kuò)展模擬量輸出模塊 EM232 模擬量輸出點(diǎn)數(shù)為 2 個(gè)。 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(chǔ)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(gè)箱型機(jī)殼內(nèi)。 S7200 具有很多優(yōu)點(diǎn)，指令集豐富，編輯語(yǔ)言簡(jiǎn)單，集成功能極高 ，性價(jià)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(diǎn)的多少，選擇相應(yīng)的 CPU 型號(hào) 。在本 文 中， 系統(tǒng)所需 開關(guān)量輸入點(diǎn)數(shù)為 11 個(gè)，開關(guān)量輸出點(diǎn)數(shù)為 11 個(gè) ， 模擬量輸入點(diǎn)數(shù)為 4 個(gè) ， 模擬量輸出點(diǎn)數(shù)為 2 個(gè) 。 選擇西門子 S7200CPU226 型號(hào)，有 24 點(diǎn)開關(guān)量輸入， 16 點(diǎn)開關(guān)量輸出， 6 個(gè)計(jì)數(shù)器，擴(kuò)展輸入 /輸出模板數(shù)量為 7 個(gè)。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]。 變壓器運(yùn)行變壓器啟動(dòng)按鈕按下變壓器停運(yùn)變壓器停止按鈕按下發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)停運(yùn)常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 第 20 頁(yè) 共 46頁(yè) 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(dòng)機(jī)、變壓器、