基于單神經元PID的風力發電機機艙輪轂專用吊具電液伺服系統控制研究

孫宇峰，蘇東海，楊皓琦，趙志鑫

（沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽 110870）

0 引言

風力發電機機艙輪轂專用吊具屬于液壓自平衡梁式吊具。液壓自平衡梁式吊具在傳統的機械結構上增加了液壓系統和電氣控制，解決了起吊物起吊不平衡的問題[1]。隨著化石能源的枯竭，風力發電越來越被重視[2]。因此風力發電機機艙輪轂專用吊具具有良好的發展前景。在起吊過程中，風力的干擾是不可抗拒的，所以本文采用自學習能力強的單神經元PID對系統進行控制[3]。

1 專用吊具電液伺服系統數學模型

1.1 電液伺服系統各組成部分數學模型

1）伺服放大器數學模型。

伺服放大器可看作比例環節，用放大器系數表示：

式中：Kq為電液伺服閥的流量增益；Kc為電液伺服閥的壓力-流量系數；qL為電液伺服閥流量。

對其進行拉氏變換得

式中：mt為活塞及負載折算到活塞上的總質量；Bp為活塞及負載的黏性阻尼系數；K為負載彈簧剛度；FL為作用在活塞上的意外負載力。

對其進行拉氏變換得

聯立三式，并對傳遞函數進行簡化，得到閥控非對稱

1.2 系統傳遞函數

電液伺服系統的開環傳遞函數為

2 專用吊具電液伺服系統普通PID控制器設計

普通PID控制將系統檢測到的誤差進行組合，然后反饋到被控對象上，對系統誤差有很強的矯正能力。普通PID控制的數學表達式為

本文在MATLAB/Simulink中建立普通PID控制的電液伺服系統仿真模型，運用Z-N臨界比例法確定比例系數上限后通過不斷試湊，得到了控制效果最好的一組PID控制器參數，仿真結果如圖1所示。

設定不同的KP、KI和KD等3個參數的取值，對比不同的KP、KI和KD等3個參數的取值對系統輸入信號響應的影響。從圖1中可以看出，設定KP=3.6、KI=1.5和KD=0.01時，系統的響應速度、系統的穩定時間和系統的穩態誤差相比于其他幾組表現更好，并且系統沒有發生超調，此時PID控制的控制效果較好。

圖1 基于電液伺服控制系統階躍響應仿真結果

3 專用吊具電液伺服系統單神經元PID控制器設計

3.1 單神經元PID控制器設計

單神經元PID控制器控制原理如圖2所示，單神經元PID控制具有結構簡單、響應迅速的特點。

圖2 單神經元PID控制原理圖

單神經元PID控制器的學習規則分為無監督型和有監督型[5]。本文將采用有監督型Hebb學習規則。單神經元PID控制器的輸出為：

對比增量式PID控制模型可得，kω2、kω1、kω3分別對應于KP、KI、KD, 因此單神經元系數k和學習效率是影響最終輸出結果的關鍵因素。單神經元系數k的數值選擇是非常重要的，當k的取值越大，系統達到穩定的時間越短，但超調量也會增大，系統的振蕩也會增大；當k的取值超過某一極限后，系統甚至會處于不穩定的狀態。

將基于有監督型Hebb學習規則的單神經元PID控制算法編寫成.m函數再封裝成為s函數。建立的單神經元控制模塊如圖3所示。

圖3 單神經元控制模塊

3.2 單神經元PID控制仿真分析

在MATLAB/Simulink中建立添加單神經元PID控制的專用吊具電液伺服系統與加普通PID控制的專用吊具電液伺服系統仿真模型，同時對兩種控制方式的電液伺服系統輸入一個階躍信號，仿真結果如圖4所示。

圖4 單神經元PID控制與普通PID控制仿真曲線

對圖4進行分析可得，改進型單神經元PID控制響應速度更快，相對于普通PID控制，改進型單神經元PID控制更早進入穩定狀態，最終穩態誤差略大于普通PID控制，但仍在設計要求允許范圍之內。

4 結語

本文研究了風力發電機機艙輪轂專用吊具電液伺服系統的2種控制方式，在MATLAB/Simulink建立了仿真模型，對比分析仿真結果得出，單神經元PID控制穩定時間更短，控制效果良好，滿足專用吊具的使用要求。