本發(fā)明涉及用于風(fēng)電偏航系統(tǒng)的角度PI控制器整定方法。

背景技術(shù)：

風(fēng)電機(jī)組中，偏航系統(tǒng)是其重要組成部分。葉輪需要迎向風(fēng)吹來的方向以獲得最佳風(fēng)能，而改變?nèi)~輪及航倉(cāng)方向，正是通過偏航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。

偏航系統(tǒng)控制的好壞，將影響著風(fēng)能利用效率和偏航動(dòng)作的可靠性。偏航控制系統(tǒng)的性能，主要體現(xiàn)在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面。靜態(tài)上，要求提高對(duì)風(fēng)精度，動(dòng)態(tài)上，要求能夠及時(shí)跟蹤風(fēng)向的變化。前者的難題是如何克服風(fēng)向儀檢測(cè)不準(zhǔn)的影響，這也是目前偏航系統(tǒng)研究比較集中的部分，往往通過搜索的方法提高精度。后者主要體現(xiàn)在風(fēng)向快速變化的場(chǎng)合，要求提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，但單純提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，往往會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使得系統(tǒng)振蕩，造成載荷變化，支架顫動(dòng)。為了使得系統(tǒng)工作穩(wěn)定，控制器的調(diào)整過程較慢，而且往往根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行各種控制參數(shù)的設(shè)置。這種方式成本低，技術(shù)難度小，已經(jīng)獲得了較多的實(shí)際應(yīng)用，但在風(fēng)向變化頻繁的場(chǎng)合效率較低，偏航裝置調(diào)整不及時(shí)，將浪費(fèi)風(fēng)力，增加損耗。

實(shí)際工程中，偏航控制系統(tǒng)調(diào)整過程主要通過PLC進(jìn)行簡(jiǎn)單的PI控制實(shí)現(xiàn)，包括外環(huán)角度PI控制和內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)速PI控制，其中外環(huán)角度PI控制器對(duì)系統(tǒng)角度跟蹤性能影響較大，因此本發(fā)明只研究外環(huán)角度PI控制器參數(shù)整定方法。PI控制器參數(shù)整定時(shí)往往由現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況和調(diào)試人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置。為了提高穩(wěn)定性，往往參數(shù)選取的較為保守，偏航系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能較差，不利于風(fēng)向快速變化場(chǎng)合。此外，風(fēng)電機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間工作，其傳動(dòng)軸參數(shù)具有時(shí)變性，工作一段時(shí)間后，原來的控制參數(shù)可能不合適，需要進(jìn)行不斷維護(hù)，增加了后期費(fèi)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是實(shí)現(xiàn)偏航系統(tǒng)角度PI控制器的在線整定，通過在線辨識(shí)的方法，獲得偏航轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的自回歸模型，利用該模型，研究不同控制參數(shù)下，偏航角度與目標(biāo)值的差異，以差異的平方和最小為優(yōu)化條件，搜索最優(yōu)PI控制器參數(shù)。本發(fā)明所需參數(shù)均為風(fēng)電機(jī)組常規(guī)監(jiān)測(cè)參數(shù)，無(wú)需安裝新的傳感器，僅需增加相應(yīng)軟件即可。

本發(fā)明原理分為兩部分：偏航轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)線性回歸模型在線辨識(shí)，基于最小平方和優(yōu)化函數(shù)的PI控制器整定方法。

(1)偏航轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)線性回歸模型的在線辨識(shí)

偏航控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中θ*為機(jī)艙角度指令，一般通過風(fēng)向儀檢測(cè)加上一些補(bǔ)償算法給出。θ為機(jī)艙實(shí)際檢測(cè)角度。指令角度和實(shí)際角度之差通過角度PI控制器，得到偏航系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速指令ω*。ω*減去偏航機(jī)構(gòu)實(shí)際反饋轉(zhuǎn)速ω，二者之差送入轉(zhuǎn)速PIS控制器，得到轉(zhuǎn)矩指令T*，轉(zhuǎn)矩指令通過驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，作用到傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。由于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)速度很快，此過程近似用一低通濾波器實(shí)現(xiàn)，即K₃/(1+T₀s)。最終得到的轉(zhuǎn)矩T作用于負(fù)載傳動(dòng)系統(tǒng)，J_m為其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，D為其摩擦阻尼。

實(shí)際風(fēng)電偏航控制系統(tǒng)中，角度控制器PI和轉(zhuǎn)速控制器PIS是由風(fēng)電設(shè)備集成商開發(fā)的，而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的裝置，如伺服驅(qū)動(dòng)器，則通常由第三方提供，其等效模型一般無(wú)法直接得到。同時(shí)，一般J_m和D也是未知的，且具有時(shí)變特性，運(yùn)行一段時(shí)間后參數(shù)可能發(fā)生偏移。因此，框圖中B部分結(jié)構(gòu)是未知的，給PI控制器的設(shè)計(jì)帶來困難，如果能夠辨識(shí)該模型，則可對(duì)PI控制器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

為了不增加傳感器，這里不選擇偏航系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩信息作為觀測(cè)量，而采用偏航轉(zhuǎn)速，即以ω*為輸入量，ω為輸出量，對(duì)包含轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的模型F進(jìn)行辨識(shí)。在辨識(shí)出F后，可對(duì)偏航角度控制器PI進(jìn)行整定。由于偏航角度θ的控制是外環(huán)，它決定了整個(gè)偏航系統(tǒng)的主要性能，因此僅對(duì)其整定是可行的。

偏航系統(tǒng)中F部分模型辨識(shí)方法為：

1)建立帶控制量的線性回歸模型。

對(duì)于單輸入單輸出系統(tǒng)(SISO)，輸出y與輸入u之間的關(guān)系可用線性回歸模型表述為

y(k)＝a₁y(k-1)+a₂y(k-2)+…+a_nay(k-n_a)+b₁u(k-1)+b₂u(k-2)+…+b_nby(k-n_b)

(1)

對(duì)于偏航系統(tǒng)，輸出量y即為ω，輸入量u即為ω*。k,k-1,k-2,…,代表各采樣時(shí)刻。如果能夠辨識(shí)a＝(a₁，a₂，…，a_na)，b＝(b₁，b₂，…，b_nb)參數(shù)，即可辨識(shí)模型F。

2)參數(shù)辨識(shí)

線性回歸模型的辨識(shí)方法較多，這里采用利于計(jì)算機(jī)在線實(shí)現(xiàn)的最小二乘遞推辨識(shí)算法。對(duì)于式(1)，寫成矩陣形式為

其中，是數(shù)據(jù)向量，λ是模型參數(shù)向量，即

λ＝[a₁,...,a_na,b₁,...,b_nb]^T

則遞推最小二乘法迭代步驟為：

最終可得到是模型參數(shù)向量λ，即式(1)中a，b各參數(shù)的值，這樣圖1中的F部分模型已辨識(shí)得到。

(2)基于最小平方和優(yōu)化函數(shù)的PI控制器整定方法

辨識(shí)得到模型F后，即可對(duì)控制器PI的參數(shù)進(jìn)行整定。這里采用的整定方法是誤差的最小平方和優(yōu)化函數(shù)方法。由于已經(jīng)辨識(shí)出模型F的結(jié)構(gòu)，可用辨識(shí)模型近似替代實(shí)際模型對(duì)控制器進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)而言，優(yōu)化后的控制器會(huì)使得偏航系統(tǒng)的角度與指令角度誤差最小，即

f＝∫e²dt (4)

其中，e＝θ*-θ。在相同輸入角度激勵(lì)下，如果PI控制器參數(shù)不同，得到的輸出響應(yīng)也不同，通過遍歷搜索的辦法，能夠找到滿足使式(4)最小的的參數(shù)。為了加快搜索過程，這里采用信賴域?qū)?yōu)算法。

假設(shè)要設(shè)計(jì)的控制器參數(shù)為x＝[Kp Ki]，尋優(yōu)范圍為L(zhǎng)B≤x≤UB，LB和UB值根據(jù)實(shí)際情況人為設(shè)定。參數(shù)x通過不斷迭代實(shí)現(xiàn)，

x^k+1＝x^k+d^k (5)

d^k應(yīng)小于當(dāng)前信賴域半徑。由于難以直接從式(4)獲得二者關(guān)系，考慮用其二次逼近模型q(d)近似代替f，

如果沿著d^k方向q^k的值減小，則按(5)更新參數(shù)，同時(shí)保留信賴域，否則，不更新參數(shù)，信賴域縮小。

這樣，通過不斷迭代更新，x可收斂，此時(shí)式(4)的值具有局部最小值。選取多個(gè)初始點(diǎn)，得到對(duì)應(yīng)收斂后的參數(shù)，最終選取使(4)最小的參數(shù)。

發(fā)明效果：

偏航系統(tǒng)中需要一種能夠自動(dòng)在線整定角度PI控制器參數(shù)的偏航系統(tǒng)控制方法，它能夠自動(dòng)獲取機(jī)組的運(yùn)行特征，以此優(yōu)化控制器參數(shù)，提高對(duì)角位移指令的響應(yīng)速度和精度。本發(fā)明通過對(duì)偏航傳動(dòng)系統(tǒng)的線性回歸模型的在線辨識(shí)，獲取機(jī)組運(yùn)行特征，即其傳遞函數(shù)，然后通過尋優(yōu)算法，得到控制誤差最小的PI控制器參數(shù)，并實(shí)時(shí)更新控制器參數(shù)，提高風(fēng)電機(jī)組的智能化水平。經(jīng)本發(fā)明方法整定后，PI控制器具有更良好的靜動(dòng)態(tài)特性。

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是實(shí)現(xiàn)偏航系統(tǒng)PI控制器的在線整定，通過在線辨識(shí)的方法，獲得偏航轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的自回歸模型，以其自回歸模型為參考，研究不同輸入下，系統(tǒng)輸出與目標(biāo)值的差異，以差異的平方和最小為優(yōu)化條件，搜索最優(yōu)PI控制器參數(shù)。本發(fā)明所需參數(shù)均為風(fēng)電機(jī)組常規(guī)監(jiān)測(cè)參數(shù)，無(wú)需安裝新的傳感器，僅需增加相應(yīng)軟件即可。

附圖說明

圖1為偏航系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明的偏航系統(tǒng)線性回歸模型辨識(shí)圖；

圖3為本發(fā)明的基于信賴域的PI參數(shù)尋優(yōu)方法圖；

圖4為線性回歸模型轉(zhuǎn)速模擬結(jié)果與實(shí)際轉(zhuǎn)速的比較圖；

圖5為整定前后角位移控制效果比較圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明方法的原理、實(shí)現(xiàn)及效果作詳細(xì)闡述。本發(fā)明提出的基于系統(tǒng)線性回歸模型辨識(shí)的PI控制器整定方法。

首先，通過辨識(shí)，得到偏航系統(tǒng)的自回歸模型。需要注意的是模型階次，即確定式(1)中na和nb值得大小?？紤]如圖1所示偏航系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)(F)的傳遞函數(shù)為，

因此模型階次為3，即取na＝nb＝3對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行辨識(shí)。具體實(shí)施時(shí)，以間隔采樣周期Ts，獲取角位移閉環(huán)輸出值，即參考角速度ω*，并通過轉(zhuǎn)速觀測(cè)器得到偏航系統(tǒng)的實(shí)際角速度ω，以ω*為輸入量，ω為輸出量，通過式(3)進(jìn)行迭代操作，最終獲取式(1)中的a，b參數(shù)，即得到辨識(shí)模型。該過程如圖2所示。

其次，根據(jù)辨識(shí)模型，建立完整的如結(jié)構(gòu)圖1所示的偏航系統(tǒng)模型。模擬角位移指令θ^*，送入該模型，在不同角度控制器PI參數(shù)下，將得到不同輸出θ。按信賴域收斂算法，在當(dāng)前PI參數(shù)x^k下，按式(5)改變參數(shù)值，對(duì)模型通過軟件編程進(jìn)行仿真，并得到當(dāng)前參數(shù)下由式(4)描述的誤差。根據(jù)誤差值，調(diào)整當(dāng)前信賴域，最終當(dāng)信賴域半徑足夠小時(shí)得到當(dāng)前的最優(yōu)點(diǎn)。該過程如圖3所示。

最后，根據(jù)搜索到的最佳PI參數(shù)，將其固化到控制設(shè)備如PLC中，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的在線自動(dòng)更新。

線性回歸模型識(shí)別效果如圖4所示，通過辨識(shí)模型得到的角速度曲線和實(shí)際角速度曲線非常接近。圖5反映了正定前后PI控制器角位移跟蹤控制的差異，經(jīng)整定后，PI控制器具有更良好的靜動(dòng)態(tài)特性。