基于最小方差理論的風(fēng)電葉片自動(dòng)配膠機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉衛(wèi)生，黃雪梅，張磊安，胡 俊

（1.中復(fù)連眾復(fù)合材料集團(tuán)有限公司，連云港 222002；2.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，淄博 255049）

基于最小方差理論的風(fēng)電葉片自動(dòng)配膠機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉衛(wèi)生1，黃雪梅2，張磊安2，胡 俊2

（1.中復(fù)連眾復(fù)合材料集團(tuán)有限公司，連云港 222002；2.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，淄博 255049）

為了解決風(fēng)電葉片制造過程中，人工配膠出現(xiàn)的生產(chǎn)效率低、原料配比精度差等問題，以風(fēng)電葉片配膠過程為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種基于最小方差控制的自動(dòng)配膠機(jī)。首先，結(jié)合風(fēng)電葉片配膠工藝的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)配膠機(jī)構(gòu)。然后，采用了上位機(jī)—控制器—執(zhí)行結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)構(gòu)架模式并采用了一種基于最小方差理論的配膠策略。最后，完成了風(fēng)電葉片自動(dòng)配膠機(jī)的搭建并進(jìn)行了配膠實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自行設(shè)計(jì)的自動(dòng)配膠機(jī)不僅極大提高了生產(chǎn)效率，而且提高了配膠質(zhì)量。

風(fēng)電葉片；自動(dòng)配膠機(jī)；最小方差理論；PLC

0 引言

隨著煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)化石燃料的日益耗盡，風(fēng)能作為一種新型綠色能源具有良好的發(fā)展前景。隨著聯(lián)網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)，風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。國(guó)際能源署《風(fēng)能技術(shù)路線圖》指出，到21世紀(jì)中葉風(fēng)力發(fā)電占全球電力供應(yīng)的比例將從目前的2%上升到12%。為了滿足日益大型化的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在使用性能方面的要求，風(fēng)電葉片均采用復(fù)合材料為主體制造。風(fēng)電葉片已成為復(fù)合材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。具有輕質(zhì)高強(qiáng)，剛度好，疲勞性能好等突出優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合材料是生產(chǎn)風(fēng)電葉片的主要原材料之一。但是，目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電葉片的生產(chǎn)仍以人工配膠為主，效率低，精確度差，原材料浪費(fèi)嚴(yán)重，產(chǎn)品合格率低等缺點(diǎn)嚴(yán)重影響風(fēng)電葉片的生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

為了解決上述問題，設(shè)計(jì)一種具有良好控制精度的風(fēng)電葉片自動(dòng)配膠設(shè)備具有重要的實(shí)際意義。Astrom和Wittenmark提出了最小方差自校正調(diào)節(jié)器[1]，這種調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易，采用單片機(jī)便可實(shí)現(xiàn)。但該調(diào)節(jié)器不能用于逆不穩(wěn)定系統(tǒng)，功能單一。Clark和Gawthrop提出了廣義最小方差自校正控制器[2]，克服了自校正調(diào)節(jié)器的主要缺點(diǎn)。但該算法在處理逆不穩(wěn)定系統(tǒng)時(shí)，目標(biāo)函數(shù)確定較為復(fù)雜。韓穎等采用最小方差自校正與積分校正相結(jié)合的方法對(duì)液壓閥控馬達(dá)速度伺服系統(tǒng)進(jìn)行了研究[3]，提高了電液伺服系統(tǒng)的阻尼比，降低了系統(tǒng)的超調(diào)量。而且在系統(tǒng)研究過程中，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中復(fù)雜的參數(shù)整定問題，僅需調(diào)整積分系數(shù)，在保持較好控制結(jié)果的前提下，大大減少了系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)的工作量。以上研究成果為風(fēng)電葉片自動(dòng)配膠設(shè)備的研制提供了良好的借鑒作用。

在上述基礎(chǔ)上，本文以風(fēng)電葉片配膠過程為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種風(fēng)電葉片專用的自動(dòng)配膠機(jī)。為了解決配膠過程中存在的配膠效率低問題，控制系統(tǒng)采用了上位機(jī)—控制器—執(zhí)行機(jī)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架模式。上位機(jī)采用昆侖通態(tài)觸摸屏，下位機(jī)采用西門子200系列PLC。為了解決混料比例誤差問題，采用了最小方差控制的配膠策略。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)配膠實(shí)驗(yàn)表明，配膠比例精準(zhǔn)，極大地提高了風(fēng)電葉片配膠工藝的自動(dòng)化程度。

1 整體方案設(shè)計(jì)

結(jié)合風(fēng)電葉片配膠過程的特點(diǎn)，提出了一種風(fēng)電葉片專用的自動(dòng)配膠機(jī)設(shè)計(jì)方案，自動(dòng)配膠機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。風(fēng)電葉片自動(dòng)配膠機(jī)主要由配料機(jī)構(gòu)、攪拌機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三部分組成。其中配料機(jī)構(gòu)主要由伺服閥、氣缸、配料桶以及其他氣動(dòng)輔助系統(tǒng)組成，攪拌機(jī)構(gòu)主要由氣動(dòng)導(dǎo)軌、步進(jìn)電機(jī)和攪拌葉片組成。

圖1 自動(dòng)配膠機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

風(fēng)電葉片自動(dòng)配膠機(jī)控制原理圖如圖2所示。控制系統(tǒng)主要由觸摸屏、PLC、力傳感器和相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括氣動(dòng)電磁閥，步進(jìn)電機(jī)和伺服閥。氣動(dòng)電磁閥通過氣動(dòng)導(dǎo)軌控制混料機(jī)構(gòu)和托盤動(dòng)作；步進(jìn)電機(jī)連接攪拌葉片進(jìn)行混料；伺服閥控制原料出料。自動(dòng)配膠機(jī)在自動(dòng)狀態(tài)下的工作過程為：首先通過觸摸屏上的監(jiān)控界面輸入配方混合比和總質(zhì)量。然后，按下啟動(dòng)按鈕控制原料出料的伺服閥開始工作，將原料輸送到配膠桶中，當(dāng)配膠桶中原料重量達(dá)到設(shè)定值時(shí)伺服閥自動(dòng)停止，同時(shí)攪拌器自動(dòng)落下混料。混料結(jié)束后，攪拌器復(fù)位，同時(shí)接收廢料的托盤自動(dòng)伸出到攪拌器的正下方，接收出料口跟攪拌器上的殘留液滴從而完成一次配膠過程。

圖2 自動(dòng)配膠機(jī)控制原理圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 最小方差控制設(shè)計(jì)

為了解決手工配膠過程中出現(xiàn)的配膠誤差大，原料配比精度低的問題。采用了基于最小方差理論的偏差控制策略，以提高樹脂與固化劑的配比精度。基于最小方差理論的被控自回歸滑動(dòng)平均模型如式(1)所示[4,5]。

式中，y(k)為k時(shí)刻的系統(tǒng)輸出；u(k-m)為k-m時(shí)刻的系統(tǒng)輸入；m為配膠機(jī)控制系統(tǒng)采樣周期；e(k)為系統(tǒng)輸出與系統(tǒng)輸入的偏差值；q-1為時(shí)移算子。由式(1)可知k+m時(shí)刻的系統(tǒng)輸出如式(2)所示。

為了找出m步預(yù)報(bào)最優(yōu)解y(k+m/k)，令預(yù)報(bào)誤差方差最小，即：

式中，D(q-1)為C(q-1)/A(q-1)的商式；q-mE(q-1)為C(q-1)/A(q-1)的余式。最優(yōu)預(yù)報(bào)規(guī)律為：

基于最小方差理論的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。在本控制系統(tǒng)中結(jié)合圖2可知，yr為k時(shí)刻伺服閥流量的期望值，u(k)為該時(shí)刻的控制器輸出，y(k)為該時(shí)刻伺服閥輸出的實(shí)際流量，參數(shù)估計(jì)和參數(shù)調(diào)整為最小方差控制的實(shí)現(xiàn)部分，通過對(duì)k時(shí)刻伺服閥流量的實(shí)際值、期望值進(jìn)行比較，根據(jù)最小方差控制律對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。從而改變控制器輸出，實(shí)現(xiàn)下一時(shí)刻伺服閥流量的精確控制。

圖3 最小方差控制框圖

2.2 步進(jìn)電機(jī)控制

為了實(shí)現(xiàn)配膠過程中對(duì)攪拌機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，選用西門子200系列的PLC。該P(yáng)LC通過晶體管輸出高速脈沖控制攪拌機(jī)構(gòu)中的步進(jìn)電機(jī)。PLC生成高速脈沖的方式有PTO和PWM兩種[6,7]。PTO方式能夠產(chǎn)生高速脈沖串，按照給定的脈沖個(gè)數(shù)和周期，輸出占空比為50%的方波。這種控制方式需指定脈沖數(shù)和周期，系統(tǒng)通過輸出脈沖的速度來控制伺服步進(jìn)電機(jī)的速度，通過輸出脈沖個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)精確定位。PWM方式能夠產(chǎn)生一個(gè)占空比變化并且周期固定的脈寬調(diào)制信號(hào)波形。在設(shè)定其周期和脈沖寬度的條件下，系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)占空比實(shí)現(xiàn)速度控制。風(fēng)電葉片自動(dòng)配機(jī)選用PTO方式控制步進(jìn)電機(jī)。

采用PTO方式控制步進(jìn)電機(jī)首先應(yīng)對(duì)特殊存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置。該特殊存儲(chǔ)器應(yīng)包含以下數(shù)據(jù)：控制字節(jié)、脈沖計(jì)數(shù)值、周期和脈沖寬度值。這些值全部存儲(chǔ)在特殊寄存器的指定位置中。然后采用脈沖輸出指令PLS執(zhí)行脈沖輸出。該指令從特殊存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)，使程序按照其存儲(chǔ)值控制PTO發(fā)生器。自動(dòng)配膠機(jī)通過帶有脈沖包絡(luò)的PTO控制步進(jìn)電機(jī)。該步進(jìn)電機(jī)要求產(chǎn)生的輸出信號(hào)波形應(yīng)包括步進(jìn)電機(jī)加速、勻速和減速三部分。其頻率-時(shí)間圖如圖4所示。包絡(luò)表存放在從VB500開始的V存儲(chǔ)器區(qū)如表1所示，該表給出了產(chǎn)生所要求信號(hào)波形的值。

圖4 頻率-時(shí)間圖

表1 步進(jìn)電機(jī)包絡(luò)表

2.3 監(jiān)控界面

風(fēng)電葉片自動(dòng)配膠機(jī)通過MCGS組態(tài)軟件完成監(jiān)控界面的編程如圖5所示，界面在PC機(jī)上設(shè)計(jì)好后通過編程電纜下載到觸摸屏上。自動(dòng)配膠機(jī)上位機(jī)界面由監(jiān)控主界面、手動(dòng)自動(dòng)切換界面、參數(shù)設(shè)置界面、報(bào)警界面和數(shù)據(jù)記錄界面組成。

圖5 監(jiān)控主界面

監(jiān)控主界面主要由當(dāng)前配料總質(zhì)量、比例，實(shí)時(shí)質(zhì)量顯示，六種配膠質(zhì)量的選擇與監(jiān)控，設(shè)備復(fù)位按鈕，界面切換等部分組成。可供后臺(tái)切換的界面為手動(dòng)操作界面、參數(shù)設(shè)置界面、報(bào)警界面和數(shù)據(jù)記錄界面。其中手動(dòng)操作界面主要用于三種原料的手動(dòng)加料控制，電機(jī)手動(dòng)控制，支架上下移動(dòng)控制，托盤前后移動(dòng)控制。參數(shù)設(shè)置界面主要用于設(shè)置六種不同的配膠質(zhì)量設(shè)定值以及每種質(zhì)量下的混合原料比例值。報(bào)警界面主要用于實(shí)現(xiàn)配膠機(jī)報(bào)警顯示及報(bào)警復(fù)位。數(shù)據(jù)記錄界面主要用于配膠數(shù)據(jù)的查詢、編輯和存儲(chǔ)工作。

3 配膠實(shí)驗(yàn)

在完成設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，搭建了風(fēng)電葉片自動(dòng)配膠機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)配膠實(shí)驗(yàn)。部分實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖分別如表2和圖6所示。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖6 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

配膠實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)不同配膠質(zhì)量，不同配膠原料的幾種常用混合比進(jìn)行了多次測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示，其中原料采用生產(chǎn)復(fù)合材料風(fēng)電葉片所需要的固化劑、樹脂A和樹脂B作為實(shí)驗(yàn)的原材料。

配膠實(shí)驗(yàn)過程中受到配膠原料的限制，只對(duì)30kg混合質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)試，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在30kg范圍內(nèi)質(zhì)量誤差值可以控制在±0.02kg以內(nèi)，完全滿足高性能配膠機(jī)的控制要求。

表3 配膠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

針對(duì)復(fù)合材料生產(chǎn)過程中配膠工藝存在的問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于最小方差理論的風(fēng)電葉片自動(dòng)配膠機(jī)控制系統(tǒng)，完成了自動(dòng)配膠機(jī)設(shè)備的搭建。在上述基礎(chǔ)上，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)配膠試驗(yàn)。得出以下結(jié)論：

1）為了解決人工配膠過程中生產(chǎn)效率低等問題，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)配膠機(jī)構(gòu)。采用了上位機(jī)—控制器—執(zhí)行結(jié)構(gòu)控制方案，通過PLC控制閥門流量進(jìn)行配膠，實(shí)現(xiàn)了配膠過程自動(dòng)化，大大提高了生產(chǎn)效率。

2）為了解決配膠過程中出現(xiàn)的樹脂和固化劑配比精度低等問題，采用了一種基于最小方差控制的配膠算法。通過現(xiàn)場(chǎng)配膠試驗(yàn)表明，配膠質(zhì)量能夠控制在±0.02kg以內(nèi)，極大地提高了原料配比精度。為風(fēng)電葉片自動(dòng)配膠機(jī)的設(shè)計(jì)與控制提供借鑒。

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Design of control system of automatic adhesives mixing machine for wind turbine blade based on minimum variance theory

LIU Wei-sheng1, HUANG Xue-mei2, ZHANG Lei-an2, HU Jun2

TP273

A

1009-0134(2016)12-0011-04

2016-08-27

國(guó)家自然科學(xué)基金（51405275,51305243）；山東省自然科學(xué)基金（ZR2014EL027）

劉衛(wèi)生（1974 -），男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)閺?fù)合材料新產(chǎn)品研發(fā)、材料性能、生產(chǎn)工藝及質(zhì)量控制。