李成良，張磊安，孔令科，張登剛，張金峰，黃雪梅

(1.中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司，北京 100192；2.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430070；3.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博 255049；4.北京鑒衡認(rèn)證中心有限公司，北京 100013)

0 前言

風(fēng)電葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)接收風(fēng)能的主要部件，其設(shè)計(jì)壽命長達(dá)20年。研究表明，由于長期受到交變載荷影響，疲勞破壞是葉片主要失效形式，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)是驗(yàn)證葉片性能和壽命最有效的方式。目前，葉片疲勞試驗(yàn)普遍采用單點(diǎn)激振方法，使葉片持續(xù)上下振動(dòng)，以此來測試其疲勞壽命。

隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，葉片的尺寸也越來越大，由于葉片疲勞試驗(yàn)通常要求葉片的彎矩滿足測試標(biāo)準(zhǔn)，大型葉片在采用單點(diǎn)激振方法時(shí)會(huì)產(chǎn)生激振力不足和彎矩分布精度低的問題。采用兩臺(tái)激振設(shè)備實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)激振，可以滿足葉片疲勞測試在新形勢下的要求。但是，基于葉片柔性連接兩激振器之間的振動(dòng)是一個(gè)非線性強(qiáng)耦合過程，會(huì)使兩激振器的相位趨于零或某個(gè)值附近。為提高激振系統(tǒng)的同步性能，研究人員對此進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[10]中采用多點(diǎn)配重進(jìn)行風(fēng)電葉片全尺寸疲勞試驗(yàn)的方法，以改善激振力不足的問題。文獻(xiàn)[11]中應(yīng)用智能模糊控制方案，在控制系統(tǒng)的高精度、快速響應(yīng)和穩(wěn)定運(yùn)行方面取得了理想效果。文獻(xiàn)[12]中研究了基于剛性連接的兩激振器振動(dòng)系統(tǒng)自同步特性，分析了兩激振器同步的影響因素。文獻(xiàn)[13]中在多機(jī)驅(qū)動(dòng)自同步振動(dòng)系統(tǒng)耦合特性的基礎(chǔ)上，研究實(shí)現(xiàn)多機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)控制同步的理論方法。文獻(xiàn)[14]中研究了液壓伺服激振系統(tǒng)中多執(zhí)行機(jī)構(gòu)同步控制的方法。

針對目前單點(diǎn)激振驅(qū)動(dòng)力不足和兩激振器間存在耦合效應(yīng)等問題，本文作者設(shè)計(jì)基于模糊PI的虛擬主軸并行同步控制策略，并搭建風(fēng)電葉片兩點(diǎn)慣性激振試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行解耦試驗(yàn)，驗(yàn)證了該同步控制策略能有效減小耦合影響，具有良好的激振同步精度，并能獲得更大的激振力。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建

兩點(diǎn)慣性激振系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用上位機(jī)-主控制器-從控制器-執(zhí)行裝置的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。上位機(jī)采用LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控及控制算法，主、從控制器在西門子200Smart系列PLC中編程實(shí)現(xiàn)。通過變頻器調(diào)節(jié)對應(yīng)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變激振器的激振頻率。

圖1 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

葉片通過高強(qiáng)度螺栓安裝在試驗(yàn)臺(tái)上，兩激振器通過夾具分別安裝在葉片的相應(yīng)位置。激振器主要包括三相異步電機(jī)、減速機(jī)、擺臂及配重塊。擺臂安裝在減速機(jī)的輸出軸上，并且擺臂上安裝質(zhì)量可調(diào)的配重塊，如圖2所示。試驗(yàn)時(shí)，擺臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生激振力，當(dāng)激振器的激振頻率接近葉片固有頻率時(shí)，迫使葉片在激振器安裝面方向振動(dòng)，使用激光測距儀測量葉片振幅變化。通過傳感器采集高速脈沖信號(hào)，用于計(jì)算激振器的轉(zhuǎn)速和相位；使用限位開關(guān)為每臺(tái)激振器設(shè)置相位零位基準(zhǔn)。

圖2 激振器局部放大圖

2 控制策略設(shè)計(jì)

2.1 同步控制方案設(shè)計(jì)

兩激振器的同步是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速使相位差保持為0實(shí)現(xiàn)的。由于兩激振器在振動(dòng)過程中存在耦合效應(yīng)，會(huì)對兩激振器的同步產(chǎn)生阻礙，因此在同步方案的設(shè)計(jì)上，應(yīng)協(xié)調(diào)好轉(zhuǎn)速與相位之間的關(guān)系。

異步電機(jī)作為一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合、多變量的輸入輸出系統(tǒng)，采用矢量控制技術(shù)控制異步電機(jī)可實(shí)現(xiàn)與直流電機(jī)調(diào)速相似的效果。變頻器的矢量控制在異步電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制上已得到廣泛應(yīng)用。

相位控制的目的是保證兩激振器轉(zhuǎn)速穩(wěn)定下擺臂相位一致，得到合力激振的效果。因此，制定了虛擬主軸并行同步控制方案，如圖3所示。其中，為2號(hào)激振器產(chǎn)生的耦合扭矩、為1號(hào)激振器產(chǎn)生的耦合扭矩。虛擬主軸是軟件生成的傳感信號(hào)，可作為理想的基準(zhǔn)相位，使兩臺(tái)激振器作為獨(dú)立單元跟隨基準(zhǔn)相位，可減小耦合效應(yīng)對兩激振器的互相擾動(dòng)，提高系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

圖3 同步控制方案

2.2 基于模糊PI的相位控制器設(shè)計(jì)

相位控制器采用模糊PI算法，調(diào)節(jié)兩激振器的相位。模糊PI算法的核心是根據(jù)相位差及相位差變化率，通過模糊推理對和進(jìn)行修正，修正規(guī)律為

式中：為當(dāng)前比例系數(shù)值；為比例系數(shù)初始設(shè)定值；Δ為模糊控制器輸出比例系數(shù)修正值；為當(dāng)前積分系數(shù)值；為積分系數(shù)初始設(shè)定值；Δ為模糊控制器輸出積分系數(shù)修訂值。

模糊PI算法原理如圖4所示。、為輸入變量的量化因子；、為模糊控制器輸出值的比例因子。通過量化因子將控制器的輸入映射到模糊論域，確定模糊子集的大小，利用比例因子可對控制器的輸出實(shí)現(xiàn)比例調(diào)節(jié)。

圖4 模糊PI算法控制原理

根據(jù)試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)，確定相位差和相位差變化率的基本論域分別為[-180°,180°]、[-15°,15°]。定義輸入、輸出變量的模糊子集均為{NB,NM,NS,ZO,PS, PM,PB}。

模糊規(guī)則的制定以盡快消除相位差以及保持相位差在零值附近為主。根據(jù)試驗(yàn)測試，制定模糊規(guī)則如表1所示。

表1 模糊規(guī)則

解模糊是將模糊值轉(zhuǎn)化為實(shí)際值的過程，文中解模糊采用重心法，公式如下：

式中：為模糊控制器的輸出值；為模糊論域的模糊值；()為的隸屬度值。

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)

以某型號(hào)葉片為試驗(yàn)對象，測試風(fēng)電葉片兩點(diǎn)慣性激振系統(tǒng)的同步性能，試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。試驗(yàn)過程中，測試了非同步控制和同步控制兩種工況下的相位差曲線，驗(yàn)證兩激振器間的耦合效應(yīng)對激振同步的影響及該同步控制策略的有效性。

表2 試驗(yàn)參數(shù)

3.2 試驗(yàn)分析

慣性激振試驗(yàn)中，設(shè)定兩臺(tái)激振器的激振頻率等于葉片的固有頻率,初始相位差為0，同時(shí)啟動(dòng)。由圖5和圖6可知：雖然兩激振器設(shè)定激振頻率接近于葉片的固有頻率，但實(shí)際工程當(dāng)中，兩激振器間的耦合效應(yīng)雖然會(huì)使相位差維持在零值附近，但是相位差存在較大波動(dòng)，激振器與葉片難以同時(shí)處于共振狀態(tài)，葉片振幅呈不規(guī)則變化。該試驗(yàn)現(xiàn)象說明耦合現(xiàn)象存在于葉片疲勞試驗(yàn)兩點(diǎn)激振系統(tǒng)中，影響兩激振器與葉片實(shí)現(xiàn)聯(lián)振，不滿足葉片疲勞試驗(yàn)的要求。

圖5 耦合影響下相位差變化曲線

圖6 耦合影響下葉片振幅曲線

采用同步控制的兩激振器相位差曲線如圖7所示，可知：相位基本保持同步，相位差穩(wěn)定在零值附近，且相位差較小，約為±1.5 °。葉片振幅曲線如圖8所示，單點(diǎn)激振葉片振幅曲線如圖9所示。由圖8和圖9可知：同步控制下，葉片振幅值可穩(wěn)定在±0.8 m，同單點(diǎn)激振下的葉片振幅相比，其振幅值明顯提高，說明同步狀態(tài)下的兩點(diǎn)激振系統(tǒng)可提供更大的激振力。

圖7 同步控制下相位差變化曲線

圖8 同步控制下葉片振幅變化曲線

圖9 單點(diǎn)激振葉片振幅變化曲線

設(shè)定兩個(gè)激振器先后啟動(dòng)，檢驗(yàn)同步控制算法在不同初始相位下的魯棒性。如圖10所示，當(dāng)一臺(tái)激振器啟動(dòng)后，相位差在±180 °之間變化，當(dāng)?shù)诙_(tái)激振器啟動(dòng)后，相位差快速收斂至0，并能保持在如圖10所示的誤差范圍內(nèi)。

圖10 非同時(shí)啟動(dòng)相位差測量曲線

4 結(jié)論

為提高風(fēng)電葉片疲勞試驗(yàn)的驅(qū)動(dòng)力，優(yōu)化疲勞測試精度，本文作者設(shè)計(jì)了風(fēng)電葉片兩點(diǎn)慣性激振試驗(yàn)系統(tǒng)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得出以下結(jié)論：

(1)非控制狀態(tài)下的耦合效應(yīng)影響激振系統(tǒng)同步，兩激振器的相位差波動(dòng)較大，葉片振幅紊亂，不滿足葉片疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；

(2)設(shè)計(jì)了基于模糊PI的虛擬主軸并行同步控制策略，可使兩激振器的相位差維持在[-1.5°,1.5°]，葉片振幅可保持穩(wěn)定，驗(yàn)證了該同步策略的同步性能；

(3)通過與目前普遍采用的單點(diǎn)激振方法相比較，兩點(diǎn)激振可提供更大的激振力，可改善葉片彎矩分布精度差的問題，為后續(xù)的大型風(fēng)電葉片疲勞測試提供了參考。