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

　　

【正文】 的角度，從而使風能的吸收率最大化 [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)風輪機隨風向轉動功能。 在 本文 中，設計一個偏航 工作區(qū)間為 145176。215176。的控制系統(tǒng)，控制次數(shù)僅為一次。 為了保證風力發(fā)電機組吸收風能達到最佳的效能，機艙必須對準實時風向。只有風輪回轉面垂直 于 風向，即 風力發(fā)電機的風輪法線與風向一致，風電機吸收的功率最大。因此確定對風目標為風輪回轉面與風向垂直。當風向發(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，風向傳感器和偏左、偏右電動機組成的自動對風系統(tǒng)執(zhí)行校正動作。使得機艙能夠準確地對風 [7]。 偏航電機是電磁制動三相異步電動機。 電機接電源后，制動裝置 的整流器也隨之接通電源，線圈通電產(chǎn)生磁力吸引銜鐵進行制動，經(jīng)過摩擦力矩的阻礙，電動機即會停止轉動。 根據(jù)風向傳感器信號得到的風向標夾角信號給出偏航控制指令，當角度為 180176。Y N N 啟動上電采集外界風速參數(shù)在啟動風速范圍內(nèi)風力發(fā)電機啟動常州大學 本科 生 畢業(yè)設計（ 論文） 第 13 頁 共 46頁 時，表明機艙位置已對準風向，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。當角度 155176。時，向右偏航電機將連續(xù)工作 90 秒，當角度在155176。165176。之間，向右偏航電機將連續(xù)工作 50 秒，當角度在 165176。171176。之間，向右偏航電機將連續(xù)工作 20 秒。當角度在 189176。195176。時，向左偏航電機將連續(xù)工作 20 秒，當 角度在 195176。205176。之間，向左偏航電機將連續(xù)工作 50 秒，當角度在 205176。之間，向左偏航電機將連續(xù)工作 90 秒。可以看出，偏轉 10176。大約需要 30 秒，這是由電動機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，若要求再次進行偏航控制，必須將機艙水平軸撥到與風輪回轉面垂直的位置。其中偏航電機 的 工作 是 根據(jù)不同的風向夾角度，控制電機向左 或向右 持續(xù) 偏 轉 一定 時間 ，使風向夾角度保持在一定的角度 范圍內(nèi) 。 常州大學 本科 生 畢業(yè)設計（ 論文） 第 14 頁 共 46頁 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，進行 A/D 轉換將傳感器輸出的模擬信號轉換為與溫度成比例的標準的數(shù)字信號， PLC 將它與溫度參定值進行比較，按照 PID 控制算法對誤差進行運算，將運算結果再送入模擬量輸出模塊，進行 D/A 轉換為模擬信號， 將電力設備運作產(chǎn)生的熱氣排出室外，并且 控制冷卻機運作， 向室內(nèi)傳送冷 氣流 進行降溫，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??????????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 本科 生 畢業(yè)設計（ 論文） 第 15 頁 共 46頁 要被控對象的數(shù)學模型，結構簡單容易實現(xiàn)，有很強的靈活性、實用性，使用方便等優(yōu)點，所以 將有效地提高 PLC 設計效率。 圖 35 為機艙 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 為積分時間常數(shù)， TD 為微分時間常數(shù) [9]。 比例系數(shù) Kc 反應控制系統(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)對設定值的無靜差 跟蹤。微分系數(shù) TD 反應系統(tǒng)偏差的變化率， 預見偏差變化的趨勢，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)的試驗中進行，并且方法簡單、容易掌握 。實驗湊試法是通過閉環(huán)運行或模擬，觀察系統(tǒng)的響應曲線，然后根據(jù) 各參數(shù)對系統(tǒng)的影響，反復湊試參數(shù)，直至出現(xiàn)滿意的響應曲線，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，直至出現(xiàn)反應快、超調(diào)量小的響應曲線。 (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 本科 生 畢業(yè)設計（ 論文） 第 16 頁 共 46頁 第二進行整定積分環(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，觀測響應曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并且相應調(diào)整比例系數(shù)，反復湊試至得到較滿意的響應，確定比例和積分的參數(shù)。 第三進行是微分環(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，此時應該加入微分控制，構成 PID 控制。首先置微分時間 TD=0，逐漸 加大 TD，同時相應地改變比例系數(shù)和積分時間，反復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 實驗湊試法 ，對這個溫控系統(tǒng)進行分析 ，分別 反復湊試各個參數(shù)，得到最滿意的響應曲線 ，圖 39 為系統(tǒng)經(jīng) PID 各系數(shù)整定后的階躍響應曲線 。 在測試比例 系 數(shù) Kc 時，發(fā)現(xiàn)當系數(shù)越小，響應曲線反應越快，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。 反復湊試確認系統(tǒng)的比例系數(shù)為 ，但余差比較大 。 測試積分 系 數(shù) TI 時，將 比例系數(shù) 減小到原來的一半，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。逐步減小積分時間，積分作用 由弱變強，消除余差的能力由弱變強。在湊試積分系數(shù)為 時，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，設定微分系數(shù)為 。 設定系統(tǒng)采樣時間為 。 P(k) KC*E t=0 t() 積分時間 P(k) Td*E t=0 t() 微分時間 P(k) t=0 t() 常州大學 本科 生 畢業(yè)設計（ 論文） 第 17 頁 共 46頁 圖 39 溫控 PID 參數(shù)整定階躍響應圖 在這個溫度控制系統(tǒng)中， 機艙和塔架內(nèi)部的溫度設定值、增益、采樣時間、積分時間和微分時間都已在程序中設定，溫度設定值為 ，增益為 ，采樣時間為 ，積分時間為 ，微分時間為 。 溫度 PID 機艙 PID 設定參數(shù)和塔架內(nèi)部 PID 設定參數(shù)一樣。 溫度設定值 表示實際溫度為 25℃ 。 計算 25℃ 由公式 帶入各系數(shù)具體值得到 的 。 只要啟 動溫控系統(tǒng)，進氣閥就會放冷氣流進入降溫，檢測室溫，過程變量高于溫度設定值，繼續(xù)進氣，若過程變量低于溫度設定值，立即停止進氣。 機艙 和塔架 溫度閉環(huán)控制流程圖如下： 圖 310 機艙溫度閉環(huán)控制流程圖 常州大學 本科 生 畢業(yè)設計（ 論文） 第 18 頁 共 46頁 溫度控制模塊的設計思想主要是假設溫升過快超過額定值時，控制器啟動冷卻機進行降溫，使溫度降至穩(wěn)定范圍。 機艙是風力發(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、主軸、齒輪箱等重要元器件的運行狀態(tài)，嚴重的甚至燒壞電纜，毀壞電機。所以將機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)電機運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。 因為存在控制器、計算機系統(tǒng)、變壓器等各類重要的電力設備，所以控制塔架內(nèi)溫度是十分必要的。 圖 311 溫控系統(tǒng)結構圖 整個系統(tǒng)具有 機艙和塔架內(nèi) 兩個溫度控制單元，要對兩個棚內(nèi)溫度進行控制。具體流程是：啟動送風電動機循環(huán)冷氣流，開啟進氣閥給室內(nèi)降溫，經(jīng)過一段時間關閉閘門 ；控制 室內(nèi)溫度 時滿 1 小時后 進行排氣；按下停止按鈕后，關閉送分電動機和排氣閘門。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。兩個開關量進行啟動和開啟送風電動機。進氣閥有三個按鈕，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)電機產(chǎn)生的電壓轉為標準的高壓（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載過大，損耗過大。變壓器運作的條件是 在變壓器啟動按鈕按下時此時 發(fā)電機 正 在 運作 狀態(tài) ，若 無 第二個條件存在，發(fā)電機無電壓進行耦合，所以在發(fā)電機運行的條件下按下啟動按鈕，變壓器則會工作。變壓器停止運行則需要在發(fā)電機停止轉動的狀態(tài)下按下停止按鈕才能實現(xiàn)。所以在這一模塊中，變壓器的運行和停止分別需要兩個開關條件的實現(xiàn)。 機 艙 塔架內(nèi)部M M機艙風機塔架內(nèi)風機總排氣閥塔架排氣閥總進氣閥塔架排氣閥機艙排氣閥機艙排氣閥常州大學 本科 生 畢業(yè)設計（ 論文） 第 19 頁 共 46頁 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 個開關量輸入點， 2 個開關量輸出點。 I/O 地址分配 與電 氣元件選型 I/0 地址分配 根據(jù)風力發(fā)電控制系統(tǒng)的硬件電路設計和控制流程圖的要求，可以設計控制系統(tǒng)的開關量輸入點數(shù)為 11 個，開關量輸出點數(shù)為 11 個，擴展模擬量輸入模塊 EM231 模擬量輸入點數(shù)為 4 個，擴展模擬量輸出模塊 EM232 模擬量輸出點數(shù)為 2 個。 表 31 是基于 PLC 的 風力發(fā)電控制系統(tǒng) 的 I/O 地址分配 。 表 32 是與風力發(fā)電控制 程序 相關的 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，它不僅可以單機控制，還可以有功能模塊與 I/O 口的擴展。 整體式 PLC 將 CPU、輸入 /輸出口與電源裝備在一個箱型機殼內(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，選擇相應的 CPU 型號 。在本 文 中， 系統(tǒng)所需 開關量輸入點數(shù)為 11 個，開關量輸出點數(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 點開關量輸入， 16 點開關量輸出， 6 個計數(shù)器，擴展輸入 /輸出模板數(shù)量為 7 個。提供給擴展單元5VDC[10]。 西門子 S7200 提供外接擴展模擬量輸入輸出模塊。在 本文 中使用 模擬量擴展模塊 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]。 變壓器運行變壓器啟動按鈕按下變壓器停運變壓器停止按鈕按下發(fā)電機運轉發(fā)電機停運常州大學 本科 生 畢業(yè)設計（ 論文） 第 20 頁 共 46頁 其他器件的選型 風力發(fā)電控制系統(tǒng)中所需用到了一些電氣元件有發(fā)電機、電動機、變壓器、