发电机组及控制 Ｅ瞰 电札再植帚Ｊ应用２０１０，３７（３） 基于Ｆｕｚｚｙ－ＰＩＤ的风力发电机润滑油 温度控制系统术 郑 翔， 刘 军 （上海电机学院电气学院，上海２００２４０） 摘要：简述了一种基于模糊自整定ＰＩＤ控制的风力发电机齿轮箱润滑油温度控制系统的设计，给出了 应用ＭＡＴＬＡＢ中的模糊推理系统设计模糊控制查询表的方法。仿真及试验结果表明，模糊自整定ＰＩＤ控制 器能适应对象参数的变化，具有较强的鲁棒性和自适应能力，能显著提高系统的动、静态性能。 关键词：模糊自整定；ＰＩＤ控制器；模糊查询表；风力发电机 中图分类号：ＴＭ３１５文献标识码：Ａ文章编号：１６７３－６５４０（２０１０）０３－００４２－０４ Ｇｅａｒ Ｏｉｌ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ａｅｒｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｕｚｚｙ．ＰＩＤ ＺＨＥＮＧ Ｘｉａｎｇ，ＬＩＵ Ｊｕｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｄｉａｎｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｅｒｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｇｅａｒ ｂｏｘ ｏｉｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｕｚｚｙ ｓｅｌｆ－ｔｕｎｉｎｇ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｗａｓ ｄｅ— ｓｃｒｉｂｅｄ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｆｕｚｚｙ ｓｅａｒｃｈ ｔａｂｌｅ ｗｉｔｈ ｆｕｚｚｙ ｉｌｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｒｍ ｏｆ ＭＡＴＬＡＢ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｈａｓ ｐｒｅ￣ｒａｂｌｙ ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ ａｎｄ ａｄａｐｔｉｖｅ，ｉｔ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｓｔａｔｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｕｚｚｙ ｓｅｒｆ－ｔｕｎｉｎｇ；ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｆｕｚｚｙ ｓｅａｒｃｈ ｔａｂｌｅ；ａｅｒｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ ０ 引 言 好的鲁棒性和较好的控制品质。 风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受 １ 监控系统硬件设计 到世界各国的重视…。风力发电机组齿轮箱的 本系统以应用在我国北方的某国产１．６５ 润滑系统采用了主动润滑方式，对于齿轮来说，属 ＭＷ风力发电机为对象，通过实时检测风电机组 于飞溅润滑和喷淋润滑相结合的混合润滑。目 齿轮箱润滑油的温度，判断是否需要起动对润滑 前，风力发电机组的齿轮箱润滑油温控装置大都 油进行风冷。齿轮箱润滑油温度监控系统正常运 采用传统的ＰＩＤ控制。ＰＩＤ控制器对线性定常系 行时，控制润滑油温度在７０℃平衡，当齿轮箱润 统非常有效，其调节的品质取决于ＰＩＤ控制器各 滑油温度大于等于６５￣Ｃ时，系统起动散热装置， 参数的整定。风力发电机组齿轮箱润滑油温易受 当齿轮箱润滑油温度超过８５℃时，系统发出报警 风机转速及外部气温等因素的影响，属于时变、大 信号，系统的最大复位延迟时间为１０ Ｓ。其硬件 滞后系统，常规ＰＩＤ控制器效果很不理想，这样易 部分包括温度传感器、信号放大、Ａ／Ｄ转换器、数 导致齿轮润滑不充分或润滑剂过热失效，因此故 字信号处理器（ＤＳＰ）最小系统、固态继电器及其 障率很高。本文基于模糊自整定ＰＩＤ控制器理 驱动、串行通信等部分。风力发电机组齿轮箱润 论 Ｊ，以误差及其变化率为输入，经模糊控制对 滑油监控系统硬件框图如图１所示。 ＰＩＤ控制器的参数进行在线整定，使系统具有较 上海市高校选拔培养优秀青年教师科研专项基金资助项目（ｓｄｊ－０７００２）；上海市教委重点学科（Ｊ５１９０１） ４２－－—— 迫札与牲制应闭２０１￣３７（３） 散热装置卜－＋ｌ齿轮箱润滑油卜叫油温传感器ＬＭ３５ 固态继电器Ｈ Ｊ Ｊ调理电路ＩＣＬ７６５０ ３２０Ｆ２８ｌ２ ＭＡＸ３ｓｃＩ通信Ｕ ２３２ ｌ Ｉ 图ｌ 齿轮箱润滑油温度监控系统硬件框图 温度传感器采用ＬＭ３５，其测温范围为一５５～ ＋１５０℃，比常用的ＤＳ１８Ｂ２０宽，更适合于在我国 北方工作的风力发电机。处理器采用美国德州仪 器公司生产的ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２，它是一款用于控制 的高性能、多功能、高性价比的３２位定点ＤＳＰ芯 一 片，最高可在１５０ ＭＨｚ主频下工作。信号放大部 分采用ＩＣＬ７６５０作为温度信号的线性放大器件。 ＩＣＬ７６５０是自稳零载波运算放大器，它具 有极低的温度漂移（０．０２ Ｖ／℃），用其构建成同 相比例放大器，将温度（电压）信号放大５倍左右 送给Ａ／Ｄ转换器。在初期调试时发现Ｆ２８１２内 部的ＡＤＣ采样值跳动较大，采样值和真实值之问 的误差存在非线性，故在ＤＳＰ系统外部扩展一片 ＡＤＣ。选用ＢＵＲＲ—ＢＲＯＷＮ公司生产的ＡＤＳ７８４４ 进行模数转换，该芯片具有３．３ Ｖ供电电压、８通 道ｌ２位精度、串行接口。Ｆ２８１２对上电顺序有严 格要求，所以在控制板上采用ＤＳＰ专用的电源管 理芯片 ｒＰＳ７６７Ｄ３１８。１１Ｐｓ７６７Ｄ３１８为双通道输出 的可控电源转换芯片，通过控制使能端从而实现 先输出３．３ Ｖ，后输出１．９ Ｖ。Ｆ２８１２中的ＳＣＩ接 口通过美信公司的ＭＡＸ３２３２设计成ＲＳ－２３２口， 与工业ＧＳＭ模块进行连接实现远程通信。 ２ 监控系统软件设计 为使控制系统具有最小的稳态误差、最优的 动态过程，采用最优化控制模型是实现高精度控 制的关键。系统采用分段控制方法，当温差大时 利用开关控制迅速减小温差，以缩小调节时间；当 温差进入精控区后采用ＰＩＤ控制，以使系统快速 结束过渡过程。软件模块包括：数据采集处理模 块、显示模块、按键与系统参数设置模块、冷却控 制模块、模糊ＰＩＤ查询模块、ＰＩＤ控制模块、脉宽 调制（ＰＷＭ）模块、主程序模块。 发电机组及控制ｌ Ｅ Ａ ２．１模糊自整定ＰＩＤ控制器的设计 模糊自整定ＰＩＤ的离散表达式如下： “（ｋ）＝（Ｋ ＋△ ｅ（ｋ）＋（Ｋ ｄ＋△ ）。 －１ ・ ∑ｅｉ＝０ （ ）＋（ ＋ＡＫ ）［ｅ（ ）一ｅ（ｋ一１）］ （１） 式中：Ｋ 。，Ｋ ｉ，Ｋ＇ｄ——ＰＩＤ控制器的离线预整定 值； ＡＫ。，ＡＫｉ，ＡＫｄ——模糊控制器在线整定的 修正值。 图２中ｒ（ｔ）是设定温度；ｅ（￡）是温度的误差； △ｅ（ ）是温度的变化率； （ ）是模糊ＰＩＤ控制器 的最终输出。 。， ｉ， 自整定的原理是：根据采 样时刻误差及误差的变化率，可以确定参数修正 量的大小 。模糊自整定ＰＩＤ算法把输入变量 转化成模糊变量，并查找知识库中的模糊规则，如 果他们和一些规则匹配，则执行这些规则的结果。 图２模糊自整定ＰＩＤ控制基本结构图 本模糊控制器是一个２输入３输出的ＭＩＭＯ 系统，输入量取温度误差Ｅ及其变化率Ｅ ，Ｅ及 的基本论域为［一３０℃，＋３０℃］， 、Ｅ ＝ ｛一３，一２，一１，０，１，２，３｝。其模糊子集为Ｅ、 Ｅ ＝｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，０，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ｝。总结专家操 作经验，确定各语言变量在论域上的隶属度函数， 误差Ｅ的隶属度函数曲线如图３所示：输人输出 变量均采用三角形隶属函数曲线分布。建立针对 ，Ｋ，Ｋｄ三个参数分别整定的模糊控制表，如表 ｌ所示。模糊推理方法采用Ｍａｍｄａｎｉ推理，两个 前提条件取最小化因子，结论部分取最大化因子。 解模糊采用重心法（ＣＯＡ）。 ２．２模糊控制查询表的设计 Ｅ、Ｅ 的论域是（一３～３），所以输出的个数 ・－——４３・－—— 发电机组及控制＿￡№Ａ 迫札与柱帚Ｊ应ｔ习２０１０，３７（３） 为７ Ｘ７ Ｘ３＝１４７个，如果每个数据都用模糊推理 和解模糊的方法会很复杂，为了简化程序结构，减 少计算量，△Ｋｐ，ＡＫ。，ＡＫ 通过模糊控制查询表获 得，借助ＭＡＴＬＡＢ仿真软件中的模糊逻辑工具 箱，完成模糊控制查询表的设计 』：首先利用模 糊推理系统（ＦＩＳ）编辑器建立一个模糊系统。在 隶属函数编辑器中输入Ｅ、Ｅ 及输出量的论域， 图３ Ｅ，Ｅ 的隶属度函数曲线 隶属度函数取三角型；然后在规则编辑器下输入 表１的控制规则；最后利用ｅｖａｌｉｆｓ函数完成模糊 推理计算。 表１ Ｋｐ、Ｋ；、Ｋａ的模糊规则表 在ＤＳＰ软件设计中通过查表法即可得出模 制规则的三维效果图。 糊ＰＩＤ自整定的结果。图４给出了Ｋ ， ， 控 ０．２ ０ —０２ （ａ）Ｋ。模糊规则表面效果图 （ｂ）Ｋ；模糊规则表面效果图 （ｃ）Ｋｄ模糊规则表面效果图 图４模糊规则三维表面效果图 ３仿真及试验结果 效果良好。 齿轮箱润滑油温控程序流程图如图７所示。 用ＭＡＴＬＡＢ进行仿真得到仿真曲线，如图５ 所示。从图５可以看出对模糊自整定控制器在 ４ 结 语 ｔ＝０．２ Ｓ时加扰动，响应曲线超调略有增加但很 风力发电机齿轮箱润滑油温度控制系统通过 快稳定。图６为在ＤＳＰ集成开发环境（ＣＣＳ３．３） 模糊自整定原理自动调整ＰＩＤ控制器的 、 ｉ、 下看到的实际控制曲线，通过对风机润滑油温度 三个参数，使控制器具有更好的性能。试验结 进行模糊ＰＩＤ自整定控制，可以将温度控制在设 果表明，该系统有过渡时间短、超调量小（２ ｏＣ）和 定值附近，并且具有较好的快速性和稳定性，控制 稳态误差小（０．４℃）的特点，其自动生成的模糊 ４４一 迫札与控制应用２０１￣３７（３） ＼ Ｏ Ｏ Ｏ ３ ７ Ｏ ３ ７ Ｏ ３ ７ 发电机组及控制 ＥＭＣＡ １＿４ １．２ １．０ ＂：宝 叭 船 ¨ ｌ里塑 ｆ ｔ ０．８ ０．６ Ｏ・４ ０．２ ０ 厂… ０．１ ＯＩ２ Ｏ．３ ０．４ ０．５ ，／Ｓ 计算Ｉｅｉ［２ｌＩ＝ｅ ＋ Ｉ更新△ （ 一１）和△ｇ（ 一２）Ｉ ’ 图５模糊自整定控制器在０．２ Ｓ加扰动时的 一Ｎ］ 响应仿真曲线 一 １ｊ］Ｊ］Ｊ］Ｊ 、……… … Ｃｏｕｎｔ（输出控制时间周期内输出的周波数＝ 。） ｆ／Ｓ 图６风机润滑油温度模糊自整定ＰＩＤ控制曲线 韩力群．智能控制理论及应用［Ｍ］．北京：机械工 业出版社，２００８． 控制查询表可供其他设计借鉴。系统对于及时发 陶永华．新型ＰＩＤ控制及其应用［Ｍ］．北京：机械工 现齿轮箱润滑油温度异常、延长润滑油寿命、降低 业出版社，２００２． 风机齿轮箱故障率都起到了很好的作用，具有较 王勇，张东来，郑大鹏，等．基于Ｆｕｚｚｙ—ＰＩＤ的大功率 好的实用价值。 ＵＰＳ智能充电系统设计［Ｊ］．电力电子技术，２００６， ４０（４）：１１７—１１９． 【参考文献】 Ｚｉｅｇｌｅｒ Ｊ Ｇ．Ｎｉｃｈｏｌｓ Ｎ Ｂ．Ｏｐｔｉｍｕｍ ｓｅｔｔｉｎｇｓ ｆｏｒ ａｕｔｏ— ［１］ 熊礼检．风力发电新技术与发电工程设计、运行、维 ｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｆ ＡＳＭＥ，２００２，６４ 护及标准规范实用手册［Ｍ］．北京：中国科技文化 （５）：７５９－７６８． 出版社，２００５． Ｚｈｕａｎｇ Ｍ，Ａｔｈｅ￣ｏｎ Ｄ Ｐ．Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｕｎｉｎｇ ｏｆ ｏｐｔｉ— ［２］刘金琨．先进ＰＩＤ控制及其ＭＡＴＬＡＢ仿真［Ｍ］．北 ｍｕｍ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ［Ｃ］∥Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ＩＥＥ（Ｐａｒｔ 京：电子工、Ｉ 出版社，２００３． Ｄ），２００２，１４０（３）：２１６－２２４． 收稿日期：２００９—１１—１１ 欢迎投稿 欢迎订阅 欢迎刊登广告 网上投稿：ｍｏｔｏｒ—ａｂｃ．ｃｈｉｎａｅｌｃ．ｃｎ ．．——４５．．—— １』
