楊紅亮, 李鐵康, 趙栓亮, 陳東偉, 田廣奪

北京強度環(huán)境研究所, 北京 100076

風(fēng)電正成為新能源領(lǐng)域發(fā)展的熱點之一,為了俘獲更多的能量,風(fēng)電葉片的尺寸越來越大[1-3]。風(fēng)力發(fā)電機組的風(fēng)輪葉片是風(fēng)力發(fā)電機的關(guān)鍵部件之一,也是風(fēng)機機組中較易發(fā)生損傷的部件,葉片的好壞直接影響風(fēng)力發(fā)電機組的效率、壽命和性能。風(fēng)電葉片的產(chǎn)品化必須得到相應(yīng)國際組織的認證,風(fēng)電葉片的靜力認證是風(fēng)電葉片必不可少的認證項目之一[4-5]。靜力加載試驗的主要目的是對風(fēng)電葉片承受的極限載荷進行校驗,對風(fēng)電葉片的強度極限和剛度性能考核驗證,為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供必要的試驗數(shù)據(jù)及分析結(jié)果。

靜力加載試驗是考核風(fēng)電葉片靜力強度特性的重要手段,兆瓦級風(fēng)電葉片的靜力加載試驗多采用多點同步加載拉力的方法實現(xiàn)[6-9],在載荷拉力加載過程中,應(yīng)確保每個加載點的載荷拉力勻速變化,以保證隨著載荷拉力的增加而保持載荷分布。但是風(fēng)電葉片的靜力加載控制過程具有非線性、時變、大滯后等特性[10-12],且各加載點之間互相干擾、交叉耦合,容易引起加載點拉力突變,從而導(dǎo)致葉片受力非均勻變化而損壞。隨著加載過程遞增,耦合程度逐漸增加,加載力之間不同步現(xiàn)象愈加嚴重,需不斷調(diào)節(jié)各加載點力的大小來保證加載過程的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)控制算法,包括經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論,大多都是基于被控對象精確建模的控制方式[13-14],由于葉片材料及結(jié)構(gòu)的特殊性導(dǎo)致加載過程中葉片模型在時刻發(fā)生變化,多個加載點之間的耦合性比較復(fù)雜,從剛體耦合控制來做的話困難比較大,很難采用傳統(tǒng)的解耦控制方法完全消除加載點之間的耦合性問題。

為了使各加載力之間協(xié)調(diào)、均勻變化,且能夠適用于不同尺寸、不同載荷的各種葉片,本文提出了一種不基于葉片數(shù)學(xué)模型的靜力加載自適應(yīng)控制算法,采用伺服絞車+力傳感器+三坐標(biāo)測量儀+控制采集裝置搭建試驗控制系統(tǒng),根據(jù)算法通過反饋的載荷值自適應(yīng)實時調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速來實時調(diào)整靜力加載載荷的變化率,從而實現(xiàn)各加載點靜力載荷同步、勻速、穩(wěn)定變化,無需葉片精確數(shù)學(xué)模型,也無需考慮各個加載點之間的耦合性,并對不同葉片具有一定的兼容性,可實現(xiàn)試驗過程的加載、卸載及保載過程,具有較高的加載協(xié)調(diào)一致性和控制精度。

1 系統(tǒng)組成及原理

靜力加載方式主要有液壓執(zhí)行機構(gòu)加載、絞車加載、重物加載和分配梁加載等幾種方式[15],按加載方向則可分為豎向加載和橫向加載。橫向側(cè)拉方式受空間所限,目前主要應(yīng)用于小功率葉片的靜力試驗。

1.1 系統(tǒng)組成

本文采用自主研制的伺服絞車豎向靜力加載模式,基座和地梁提前預(yù)埋并保證足夠的強度,葉片根部固定安裝于預(yù)埋基座上,葉片各靜力加載點通過仿形木質(zhì)夾具連接300 kN拉力傳感器,并通過鋼絲繩和動、靜滑輪組合連接至伺服絞車,伺服絞車再通過條形桁架螺接在預(yù)埋地梁上以保證加載強度,如圖1所示。靜力加載系統(tǒng)預(yù)留8個加載通道,可滿足單點到多點的加載協(xié)調(diào)控制,可根據(jù)葉片的實際加載需求靈活選用所需加載通道,1×1、1×2、…、5×5等多種不同的動、定滑輪組合的方式可保證加載載荷多樣性的需求。

1.葉片;2.基座;3.應(yīng)變片;4.仿形夾具;5.拉力傳感器;6.動滑輪組;7.鋼絲繩;8.三坐標(biāo)測量儀;9.定滑輪組;10.伺服絞機;11.地梁;12—19.加載裝置①—⑧

1.2 工作原理

靜力試驗控制系統(tǒng)由加載控制裝置和數(shù)據(jù)采集裝置兩部分組成。加載控制裝置通過PLC采集拉力傳感器的反饋數(shù)據(jù),根據(jù)載荷分級需求控制伺服電機的轉(zhuǎn)速,完成加載、卸載及保載過程,從而實現(xiàn)各加載點的同步、協(xié)調(diào)控制。數(shù)據(jù)采集裝置通過電腦高速同步數(shù)據(jù)采集模塊采集葉片上應(yīng)變片及拉力傳感器的數(shù)據(jù),并通過三坐標(biāo)位移測量儀采集葉片各加載點的變形量。圖2為系統(tǒng)控制原理圖。

圖2 系統(tǒng)控制原理圖

2 無模型自適應(yīng)控制算法

靜力加載系統(tǒng)各加載點理論上按該靜力加載點設(shè)計載荷的20%、40%、60%、80%、100%共5級進行階梯狀加載,在各階梯段停留一段時間(10 s左右)用于保載,當(dāng)加載到100%最大載荷后再按100%、80%、60%、40%、20%的逆向順序進行卸載,如圖3所示。試驗過程中對試驗的載荷、應(yīng)力及一致性等數(shù)據(jù)進行記錄,以驗證考核風(fēng)電葉片的強度極限和剛度性能。

圖3 靜力加載系統(tǒng)各加載點加載理論曲線

PID控制算法是結(jié)合比例、積分和微分三種環(huán)節(jié)于一體的控制算法,在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用[16-18]。P比例調(diào)節(jié)可成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號以減小偏差,I積分調(diào)節(jié)可消除靜差提高系統(tǒng)的無差度,D微分調(diào)節(jié)可反映偏差信號的變化趨勢,減小調(diào)節(jié)時間。PID控制器可根據(jù)給定值r(t)和實際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差e(t):

e(t)=r(t)-y(t),

(1)

然后按偏差比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量,PID控制的微分方程為

(2)

式中,u(t)為控制的輸出,kP為比例系數(shù),TI為積分時間常數(shù),TD為微分時間常數(shù)。

本文結(jié)合靜力加載控制系統(tǒng)自身工作原理和加載過程的參數(shù)特征,設(shè)計了一種不基于數(shù)學(xué)模型的自適應(yīng)靜力加載控制方法,其控制拓撲圖如圖4所示。

圖4 控制方法拓撲圖

拉力傳感器實時采集葉片靜力加載點的拉力f,采樣頻率1 000 Hz,與設(shè)定拉力F做差,調(diào)整頻率為200 Hz,在加載初段載荷與目標(biāo)載荷大于等于5%且加載同步性小于1%時,采用預(yù)測控制以平均速度運行以保證加載速度,如下式:

(3)

式中,V為電機速度,L為加載(卸載)目標(biāo)級數(shù)對應(yīng)的位移,N為動滑輪組數(shù),n為減速機減速比,R為卷筒半徑,T為單級加載(卸載)時間,m為加載級數(shù),V(k)為實時的電機速度輸出,是實時轉(zhuǎn)速與1 500 r/min電機滿轉(zhuǎn)時的百分比。

當(dāng)載荷與目標(biāo)載荷小于5%或加載同步性大于1%時采用離散模糊PID控制方式,保證加載精度及加載一致性,如式(4)和式(5)所示:

e(k)=f(k)-F(k),

(4)

(5)

式中,e(k)為設(shè)定壓力與反饋壓力的偏差,f(k)為第k次采集壓力,F(k)為第k次設(shè)定壓力,KP為比例因子,KI為積分系數(shù),KD為微分系數(shù),fm為目標(biāo)拉力。為保證速度協(xié)調(diào)一致,在計算的基礎(chǔ)上進行了速度限制,比如在加載過程中控制速度在[0,1],卸載過程中控制速度在[-1,0]。

在調(diào)試過程中為保證同步性和精度最優(yōu),PID的KP、KI、KD參數(shù)根據(jù)表1所述的模糊規(guī)則庫去不斷優(yōu)化,根據(jù)輸入變量de、de/dt,輸出變量ΔKP、ΔKI、ΔKD,模糊集合分為7個等級,語言變量表示為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}。

表1 模糊控制規(guī)則庫

加載時電機不能反轉(zhuǎn)卸載,否則原地踏步;同樣,卸載時電機不能正轉(zhuǎn)加載,否則原地踏步,電機速度設(shè)置為0。

3 靜力加載試驗結(jié)果分析

現(xiàn)場對某10 MW風(fēng)電葉片采用七點五級靜力加載靜力試驗,葉片靜力加載20%～100%五級試驗現(xiàn)場工況分別如圖5所示。從圖中可以看出,隨著拉力的逐級變化,葉片的形變量也在逐漸增大,靜力加載到100%時達到峰值。

(a) 20%加載力 (b) 40%加載力 (c) 60%加載力

某葉片7個加載點加載位置、加載載荷及試驗數(shù)據(jù)如表2所示,經(jīng)試驗驗證,加載誤差最大不超過1%,滿足風(fēng)電葉片靜力試驗最大誤差的要求。

表2 某葉片加載試驗數(shù)據(jù)

試驗采集得到的7個加載點載荷同步變化曲線如圖6所示,從圖中可以看出,7個加載點載荷變化曲線平穩(wěn),同步性良好,加載曲線平緩,加載載荷變化速率最大值0.38 kN/s,不會導(dǎo)致葉片試驗過程中載荷急劇變化而破壞葉片。靜力試驗單級加載基本穩(wěn)定在155 s左右,各加載點穩(wěn)定時間相差不超過5 s,整個靜力試驗可在18 min內(nèi)全部完成,能夠適應(yīng)各種材料、結(jié)構(gòu)的風(fēng)電葉片,在實際應(yīng)用中滿足同步加載協(xié)調(diào)性和一致性的要求。

圖6 靜力加載載荷變化曲線圖

在保載的情況下采集各通道的靜力載荷數(shù)據(jù),繪制其隨時間的變化曲線如圖7所示,從圖中可以看出,靜力載荷加載完成保載的穩(wěn)定控制精度穩(wěn)定誤差在1%以內(nèi),近似一條直線。

圖7 保載穩(wěn)定控制精度曲線

圖8為60%～80%單級加載、卸載載荷百分比時間曲線圖,從圖中可以看出,靜力載荷百分比曲線同步性良好,加載時間151 s,卸載時間153 s,加載穩(wěn)定性良好,加載載荷百分比各加載點趨于一條直線。一般情況下葉尖剛性較差且易受臨近加載點的干擾影響,但從試驗結(jié)果葉尖載荷曲線可以看出,其加載同步性和控制精度也在合格范圍內(nèi)。

(a) 加載同步曲線

通過試驗數(shù)據(jù)分析對比,搭載無模型自適應(yīng)控制算法的控制系統(tǒng)試驗結(jié)果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的加載控制方法,加載誤差由原來的2%降為1%,試驗時間縮短了40%,加載一致性也明顯優(yōu)于原先加載控制方法。

4 結(jié)語

本文以風(fēng)電葉片為研究對象進行了靜力加載控制試驗研究,提出了一種不基于葉片對象數(shù)學(xué)模型的靜力加載自適應(yīng)控制方法,在此基礎(chǔ)上完成了靜力加載試驗系統(tǒng)的設(shè)計與試驗。控制系統(tǒng)通過實時調(diào)整伺服電機的轉(zhuǎn)速來改變加載力的加載速率,從而實現(xiàn)風(fēng)電葉片多通道分級加載/卸載時各加載點載荷同步穩(wěn)定變化,加載速度快,加載一致性高,具有較強的自適應(yīng)能力,解決了不同風(fēng)電葉片靜力加載時數(shù)學(xué)模型不一致而導(dǎo)致的各加載點相互耦合問題。該系統(tǒng)目前已申請專利[1],并應(yīng)用于國內(nèi)某試驗場,經(jīng)實踐檢驗,該設(shè)備運轉(zhuǎn)良好,工作可靠,各種性能指標(biāo)均滿足了客戶要求,具有較大的推廣價值,可廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域的靜力加載控制過程。