基于PID算法下機(jī)組機(jī)艙環(huán)境智能控制系統(tǒng)研發(fā)

袁小華 付詩(shī)銘 高陽(yáng) 于杰承

摘 要：本文通過(guò)對(duì)機(jī)艙環(huán)境智能控制系統(tǒng)功能要求的分析，選擇和研究了適用于控制系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制算法。通過(guò)調(diào)整專家自適應(yīng)PID參數(shù)，通過(guò)判斷算法，進(jìn)而使步進(jìn)電機(jī)得以運(yùn)行控制，達(dá)到了機(jī)艙內(nèi)部的送風(fēng)和智能過(guò)濾系統(tǒng)過(guò)濾網(wǎng)的自動(dòng)更替給進(jìn)。通過(guò)對(duì)三組樣機(jī)采用輸出有功功率和機(jī)艙內(nèi)部齒輪箱溫度曲線的對(duì)比分析，總結(jié)出機(jī)艙環(huán)境智能控制系統(tǒng)使風(fēng)機(jī)的運(yùn)行、發(fā)電效率能夠顯著的改善，可以解決目前風(fēng)機(jī)機(jī)艙環(huán)境現(xiàn)存問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)；機(jī)艙環(huán)境；自適應(yīng)PID算法；控制系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.101

0 引言

由于大部分風(fēng)電場(chǎng)所處環(huán)境惡劣，大風(fēng)揚(yáng)沙、霧霾嚴(yán)重，春天楊絮、柳絮漫天，夏季高溫等多種因素影響，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)機(jī)艙、齒輪箱散熱片受到污染，灰塵堵塞冷卻系統(tǒng)進(jìn)氣口，造成齒輪箱熱交換器性能下降，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱油溫過(guò)高，風(fēng)機(jī)限功率運(yùn)行甚至停機(jī)。為風(fēng)力發(fā)電設(shè)備研發(fā)一個(gè)高效多元化、能同時(shí)滿足監(jiān)控、處理風(fēng)電問(wèn)題的機(jī)組機(jī)艙環(huán)境智能控制系統(tǒng)的是很有必要的。風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙環(huán)境智能控制系統(tǒng)能夠有效提高機(jī)艙的清潔度，計(jì)劃同時(shí)解決齒輪箱散熱器由于污染造成的溫度過(guò)高，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)故障停機(jī)的問(wèn)題，并且實(shí)時(shí)監(jiān)視風(fēng)機(jī)機(jī)艙溫度等運(yùn)行參數(shù)變化情況，通過(guò)對(duì)機(jī)艙內(nèi)部系統(tǒng)的智能自動(dòng)調(diào)節(jié)，可以改善風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率低，發(fā)電量小的缺點(diǎn)，提高風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及原理

本系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)改善機(jī)艙環(huán)境，減輕風(fēng)場(chǎng)運(yùn)維強(qiáng)度，減少風(fēng)機(jī)齒輪箱油溫過(guò)高故障率，提高風(fēng)場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙環(huán)境智能控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，包括以下四部分。

（1）機(jī)艙智能通風(fēng)系統(tǒng)，根據(jù)流體力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)理論、機(jī)械原理、研究機(jī)艙溫度變化規(guī)律，通過(guò)對(duì)不同種類型風(fēng)機(jī)的對(duì)比，選擇出適用于風(fēng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)部散熱條件的類型，整體設(shè)計(jì)機(jī)艙環(huán)境通風(fēng)控制系統(tǒng)，提高機(jī)艙所具有的清潔度，從而也可以大大的降低其整體溫度。

（2）更加先進(jìn)的智能過(guò)濾系統(tǒng)，然后選擇比較有效的過(guò)濾材料對(duì)阻力進(jìn)行過(guò)濾，同時(shí)也具有較高的過(guò)濾效率以及容塵量等，對(duì)這些不同的指標(biāo)進(jìn)行研究，選擇出先進(jìn)的防塵材料和精準(zhǔn)控制算法對(duì)齒輪箱熱交換器進(jìn)行智能防塵控制處理，有效阻隔灰塵、柳絮、沙粒。

（3）控制算法的建模，通過(guò)對(duì)多種控制算法的比較及結(jié)合，對(duì)機(jī)艙環(huán)境智能控制系統(tǒng)的控制算法進(jìn)行確立，通過(guò)先進(jìn)的傳感技術(shù)對(duì)機(jī)艙設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，控制算法通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算與處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)艙環(huán)境通風(fēng)系統(tǒng)和過(guò)濾系統(tǒng)進(jìn)行智能控制。

（4）開發(fā)機(jī)艙故障專家診斷系統(tǒng)，利用模糊邏輯原理在主控室建立風(fēng)機(jī)專家故障診斷系統(tǒng)，初步判斷機(jī)艙內(nèi)部的故障點(diǎn)及故障原因，提供風(fēng)機(jī)機(jī)艙故障診斷方案，為現(xiàn)場(chǎng)工作人員提供維護(hù)依據(jù)和解決方案。

2 自適應(yīng)PID算法的應(yīng)用

機(jī)艙智能控制系統(tǒng)主要是對(duì)控制系統(tǒng)當(dāng)中所采用的相應(yīng)控制算法做研究，通過(guò)其控制算法的確立實(shí)現(xiàn)根據(jù)機(jī)艙內(nèi)部溫度來(lái)控制系統(tǒng)中的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行智能運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送風(fēng)，自動(dòng)更替過(guò)濾網(wǎng)等動(dòng)作。該系統(tǒng)的研發(fā)可以遠(yuǎn)程控制保持機(jī)艙，保證機(jī)艙內(nèi)的溫度平衡和環(huán)境清潔，為運(yùn)維人員減少工作量?？刂葡到y(tǒng)包括很多不同的組件，例如傳感器、控制器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口等。控制器中的對(duì)應(yīng)輸出都必須要通過(guò)對(duì)應(yīng)的輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，然后才能夠被加到對(duì)應(yīng)的被控系統(tǒng)當(dāng)中；對(duì)于控制系統(tǒng)中的被控量來(lái)說(shuō)，首先它需要通過(guò)傳感器和變送器，然后再通過(guò)輸入接口直接被輸送到控制器當(dāng)中。通常情況下，不同控制系統(tǒng)、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等各種器件也會(huì)表現(xiàn)出一定的區(qū)別。比如說(shuō)對(duì)于壓力控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)就需要通過(guò)壓力傳感器。而對(duì)于電加熱控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，則需要采用的是溫度傳感器。

本文采用的是專家自適應(yīng)PID算法，也就是說(shuō)首先需要通過(guò)調(diào)制技術(shù)對(duì)整個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)控制。這種算法主要是以被控對(duì)象以及相應(yīng)的控制規(guī)律作為基礎(chǔ)，然后再通過(guò)專家系統(tǒng)把所有的知識(shí)應(yīng)用進(jìn)來(lái)，最終形成一個(gè)更加優(yōu)化和實(shí)用化的控制系統(tǒng)。本次所設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)，其最大的特征就在于具有大慣性以及大滯后性，因此在使用微分系數(shù)調(diào)節(jié)的過(guò)程中基本上是沒(méi)有效果的，因此就需要使用PID控制的方式。

3 系統(tǒng)試驗(yàn)分析

在本系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的集成組合之后，將系統(tǒng)安裝在位于吉林省大安市風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，其并網(wǎng)容量為100MW，并選取其中三臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，分別標(biāo)號(hào)為12#、13#和14#，并對(duì)13#風(fēng)機(jī)進(jìn)行安裝機(jī)艙環(huán)境智能控制系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)型號(hào)為東汽FD70-1500KW。通過(guò)對(duì)安裝了機(jī)艙環(huán)境智能控系統(tǒng)的13#樣機(jī)與未安裝該系統(tǒng)的12#、14#樣機(jī)的齒輪箱進(jìn)行溫度傳感器安裝，并與SCADA系統(tǒng)進(jìn)行連接，進(jìn)行為期30天的測(cè)試數(shù)據(jù)收集，并得出SCADA生成曲線。

根據(jù)曲線可以看出，在大風(fēng)高溫天氣下，安裝了機(jī)艙環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的13#風(fēng)機(jī)，齒輪箱油溫明顯低于相鄰的未安裝該系統(tǒng)的12#、14#風(fēng)機(jī)，并能使溫度保持在趨于穩(wěn)定范圍內(nèi)，可見(jiàn)該系統(tǒng)能充分降低機(jī)艙內(nèi)部齒輪箱的溫度。

除了通過(guò)機(jī)艙溫度來(lái)測(cè)試機(jī)艙環(huán)境智能控制系統(tǒng)的可行性以外，還可進(jìn)行對(duì)比三組樣機(jī)的輸出有功功率來(lái)判斷該系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的影響。通過(guò)對(duì)安裝了機(jī)艙環(huán)境智能控制系統(tǒng)的13#樣機(jī)與未安裝該系統(tǒng)的12#、14#樣機(jī)的SCADA系統(tǒng)進(jìn)行最大概率法的鏈接，進(jìn)行為期30天的測(cè)試數(shù)據(jù)收集，并得出SCADA生成曲線。由此曲線可以看出，安裝了機(jī)艙智能監(jiān)控系統(tǒng)的13#風(fēng)機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)，在大風(fēng)高溫環(huán)境下風(fēng)機(jī)出力一直處于高水平發(fā)電狀態(tài)；相鄰未安裝該系統(tǒng)的12#、14#風(fēng)機(jī)出力不達(dá)標(biāo)，每運(yùn)行幾個(gè)小時(shí)就會(huì)出現(xiàn)降出力運(yùn)行，甚至停機(jī)的情況，造成不可利用小時(shí)數(shù)的增加和發(fā)電量損失。由此可以看出機(jī)艙環(huán)境智能控制系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行、發(fā)電效率起到了明顯的提升作用，進(jìn)而帶來(lái)更多的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)機(jī)艙環(huán)境智能控制系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)功能需求進(jìn)行分析，選擇并研究出適用于機(jī)艙智能通風(fēng)系統(tǒng)與機(jī)艙智能過(guò)濾系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制算法。通過(guò)對(duì)PID算法以及專家自適應(yīng)PID算法等相關(guān)方法的應(yīng)用，與機(jī)艙智能控制系統(tǒng)控制原理進(jìn)行結(jié)合，給出了步進(jìn)電機(jī)控制

運(yùn)行的邏輯判斷，實(shí)現(xiàn)了接受溫度傳感器所傳數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)算法判斷，從而對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)行控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)艙內(nèi)部進(jìn)行送風(fēng)動(dòng)作與智能過(guò)濾系統(tǒng)過(guò)濾網(wǎng)的自動(dòng)更替給進(jìn)，以提高風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率。通過(guò)對(duì)三組風(fēng)機(jī)樣機(jī)進(jìn)行了機(jī)艙環(huán)境智能控制系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)三組樣機(jī)機(jī)艙內(nèi)部齒輪箱溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集對(duì)比，進(jìn)一步分析了機(jī)艙環(huán)境智能控制系統(tǒng)所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益。隨后對(duì)機(jī)艙環(huán)境智能控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了直接與間接的估計(jì)。

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