基于觀測器模型的海上風(fēng)電機(jī)群干擾抑制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐孝峰，劉勁堯，林圣輝，夏曙光

（1.華電（福建）風(fēng)電有限公司，福建 福州 350000；2.中國華電集團(tuán)有限公司福建分公司，福建 福州 350000）

海上風(fēng)電機(jī)群在海上正常運(yùn)行時(shí)，會(huì)受到海上 風(fēng)力、壓力等較多外界因素的影響，并且海上風(fēng)電機(jī)群需要直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，在驅(qū)動(dòng)負(fù)載以及受到較多外界因素影響時(shí)，各種干擾也會(huì)作用于海上風(fēng)電機(jī)群，所以海上風(fēng)電機(jī)群干擾抑制系統(tǒng)需要較好的抗干擾性能，海上風(fēng)電機(jī)群的抗干擾性能會(huì)直接影響海上風(fēng)電機(jī)群的帶負(fù)載能力、旋轉(zhuǎn)的精度以及風(fēng)電機(jī)群的運(yùn)行速度[1-2]。

為了提高海上風(fēng)電機(jī)群的抗干擾能力，國內(nèi)的許多專家、學(xué)者作過很多細(xì)致的研究，認(rèn)為采用干擾觀測器模型可以有效消除海上風(fēng)電機(jī)群受到的電磁設(shè)備等干擾，但除了電磁設(shè)備干擾之外，海上風(fēng)電機(jī)群還會(huì)受到海風(fēng)風(fēng)力、壓力、船上電子設(shè)備的無線電干擾等。海上風(fēng)電機(jī)群在受到不確定干擾時(shí)，干擾觀測器消除海上風(fēng)電機(jī)群受到的干擾時(shí)不能達(dá)到對各種干擾的完全補(bǔ)償，并且海上風(fēng)電機(jī)群干擾的程度較高，在調(diào)試、控制過程中存在一定的難度[3-5]。基于以上出現(xiàn)的問題，文中設(shè)計(jì)了基于觀測器模型的海上風(fēng)電機(jī)群干擾抑制系統(tǒng)，構(gòu)建海上風(fēng)電機(jī)群干擾模型，該模型能夠有效消除海上風(fēng)力、壓力、無線電設(shè)備等的干擾，從而可以實(shí)現(xiàn)對海上風(fēng)電機(jī)群具體位置的準(zhǔn)確跟蹤、控制。

1 基于觀測器模型的海上風(fēng)電機(jī)群干擾抑制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于觀測器模型的海上風(fēng)電機(jī)群干擾抑制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 海上風(fēng)電機(jī)群干擾抑制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 單片機(jī)設(shè)計(jì)

基于觀測器模型的海上風(fēng)電機(jī)群干擾抑制系統(tǒng)的單片機(jī)選用三星公司生產(chǎn)的最新SD64A21，該單片機(jī)內(nèi)部設(shè)有8 kB 的高速轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器能夠簡單、快速存儲(chǔ)由采集器采集的信號數(shù)據(jù)，并且在編寫程序時(shí)使用方便，對高速轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器不需要進(jìn)行外部編程，簡化了硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并且該單片機(jī)功耗較低，具有6 通道10 位A/D 轉(zhuǎn)換器[6-8]。

單片機(jī)的外圍電路需要與內(nèi)部設(shè)置的光電耦合器相連，外圍電路選用SIMENS 公司最新推出的SM4143 型驅(qū)動(dòng)芯片，該款芯片可以有效驅(qū)動(dòng)光電耦合器，外圍電路的供電電壓控制在8～12 V，電阻的最大值為6 Ω，外圍電路的工作電流控制在4～6 A，外圍電路的驅(qū)動(dòng)芯片可為光電耦合器提供工作電流，耐壓最大值為30 V。外圍電路的驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部設(shè)有一個(gè)集電極和一個(gè)二極管，所以在單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置光電耦合器時(shí)不需要在光電耦合器線圈上串聯(lián)集電極與二極管[9-10]。

1.2 電源電路設(shè)計(jì)

基于觀測器模型的海上風(fēng)電機(jī)群干擾抑制系統(tǒng)硬件中的電源電路供電電壓為12 V，電源電壓具有范圍寬、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，電源電路的輸入電壓為3.3 V，電壓經(jīng)過硬件系統(tǒng)芯片時(shí)可調(diào)節(jié)單片機(jī)的內(nèi)部穩(wěn)壓管，通過內(nèi)部穩(wěn)壓管的電壓為1.8 V，電流為1.2 A，電源電路通過電阻分壓可以產(chǎn)生2 V、3 V、4 V、5 V 共4 路信號，方便A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。硬件中的單片機(jī)需要6 V供電，在電源電路中可添加濾波電容，這樣可有效減小電流[11-12]。電源電路如圖2所示。

圖2 電源電路

電源電路的集成芯片動(dòng)態(tài)范圍較大，最高能夠達(dá)到50 dB，最大的線性失真在0.1%左右。為了使集成電路芯片具有較好的線性失真，可將電源的工作頻率調(diào)整到0.1，這時(shí)的電源轉(zhuǎn)換精度較高，內(nèi)部的穩(wěn)壓管數(shù)字分辨率最高達(dá)10 位，電源電路不需要再外接電路，必要時(shí)接入較少的器件就可以正常工作[13-14]。

1.3 采集器設(shè)計(jì)

海上風(fēng)電機(jī)群干擾抑制系統(tǒng)硬件設(shè)備中的采集器芯片選用ST 公司最新推出的ST6396 采集芯片，該款采集芯片為10 位高速芯片，具有低功耗、準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)。數(shù)字分辨采用逼近式頻率調(diào)節(jié)器，供電電壓為1.8～3.3 V，采樣頻率最高可達(dá)2.5 MSPS，能夠有效保障采集回速變信號以及緩變信號。采集器的輸入信號電壓控制在1～8 V，設(shè)計(jì)采集器時(shí)需要使用運(yùn)算放大器將電路放大，輸入信號的電壓變成1.8 V，控制開關(guān)經(jīng)過調(diào)整后，在采集器的穩(wěn)壓管中輸入A/D 轉(zhuǎn)換器，2 路輸入信號使用一個(gè)3 V 的穩(wěn)壓管，將轉(zhuǎn)換器中的低電平信號控制在4 V 以內(nèi)，這樣可以提高采集器的調(diào)壓作用[15]。采集器結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 采集器結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖3 可知，海上風(fēng)電機(jī)群干擾抑制系統(tǒng)需要采集器同時(shí)多通道采集數(shù)字信號，根據(jù)輸入信號穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，選用3 路模擬開關(guān)對采集器的多通道進(jìn)行實(shí)時(shí)切換，3 路模擬開關(guān)的開關(guān)速度較快，可以實(shí)現(xiàn)采集器完成多通道不同路信號的采集測試。單路采樣信號的采樣頻率最低為20 kHz，這樣在每次采集完速變信號后，可以繼續(xù)采集緩變輸入信號，速變信號的采樣頻率大于50 kHz，緩變輸入信號的單路采樣頻率為25 kHz。

1.4 控制器設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的控制器選用SD公司生產(chǎn)的SDM8201作為無線傳輸?shù)暮诵?，該款控制器單片? 位且功耗較低，自身帶有16 片高速數(shù)字程序存儲(chǔ)器，控制器的時(shí)鐘頻率最高可達(dá)120 MHz，全動(dòng)態(tài)的工作方式使控制器較容易完成串、并行的轉(zhuǎn)換?？刂破骶哂?個(gè)中斷優(yōu)先級以及8個(gè)頻率中斷源、8位A/D 串行端口以及2個(gè)8位定時(shí)時(shí)鐘。定位時(shí)鐘如圖4所示。

圖4 定位時(shí)鐘

除此之外，在控制器的內(nèi)部帶有單雙工降低型的端口，端口可進(jìn)行信號數(shù)據(jù)的甄別檢測和自動(dòng)識(shí)別定時(shí)器位置，控制器的外圍電路采用電源控制方式，對定時(shí)器的停止以及恢復(fù)可以較快地進(jìn)行，同時(shí)具有時(shí)鐘空閑模式和定時(shí)器的掉電模式，控制器的外部控制設(shè)備設(shè)有外部中斷喚醒模式，該款控制器的以上設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電機(jī)群干擾抑制系統(tǒng)對控制器的無線傳輸需求[16]。

2 基于觀測器模型的海上風(fēng)電機(jī)群干擾抑制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了使海上風(fēng)電機(jī)群能夠準(zhǔn)確定位在某一位置，在某一時(shí)刻，速度和加速度需要保持一致，文中引入了觀測器模型，該觀測器模型可以將海上風(fēng)電機(jī)群受到的干擾進(jìn)行分類，對影響速度的干擾可通過加速度進(jìn)行觀測，并且使干擾的受力保持平衡。觀測器模型中與加速度呈線性相關(guān)的主要是粘滯摩擦力，所以針對海上風(fēng)電機(jī)群的干擾因素，設(shè)計(jì)了一種加速度模型對干擾因素進(jìn)行補(bǔ)償觀測，該觀測器模型不涉及對干擾因素的方式控制，因此觀測器模型設(shè)置得較為簡單，比較容易實(shí)現(xiàn)，對海上風(fēng)電機(jī)群的抗干擾可以達(dá)到較高的控制效果，對風(fēng)電機(jī)群受到外界壓力影響的加速度可以很好地進(jìn)行控制，對其可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、精密的定位。

基于觀測器模型的海上風(fēng)電機(jī)群干擾抑制系統(tǒng)軟件流程如圖5 所示。

圖5 海上風(fēng)電機(jī)群干擾抑制系統(tǒng)軟件流程

首先，上電啟動(dòng)，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置。系統(tǒng)軟件使用C 語言進(jìn)行編寫、調(diào)試，上電啟動(dòng)后，對傳感器參數(shù)進(jìn)行配置，編輯濾波參數(shù)以監(jiān)控顯示界面的實(shí)時(shí)狀態(tài)，通過連接數(shù)據(jù)對頻譜進(jìn)行分析，對傳感器的采樣時(shí)間、采樣率以及標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置，實(shí)現(xiàn)干擾抑制系統(tǒng)的檢測、通信。

然后，命名海上風(fēng)電機(jī)群的文件并保存，對傳輸信號數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。系統(tǒng)編輯的文件通過C 語言程序進(jìn)行命名，命名完成后將其保存在干擾抑制系統(tǒng)的內(nèi)部存儲(chǔ)器中，配置海上風(fēng)電機(jī)群的報(bào)警閾值，根據(jù)海上閾值的結(jié)果，判斷報(bào)警信息的分類屬性，報(bào)警結(jié)果確定后，由傳感器發(fā)出報(bào)警信息，對傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。

最后，對海上風(fēng)電機(jī)群受到的干擾進(jìn)行繪制并實(shí)時(shí)顯示出來，記錄導(dǎo)入干擾抑制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行頻譜分析，對軟件系統(tǒng)的報(bào)警設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)檢測，并與報(bào)警設(shè)備中的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行交互處理，處理完成后加載閾值數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)寫入文件中并進(jìn)行保存，完成與海上風(fēng)電機(jī)群設(shè)備的通信。

3 實(shí)驗(yàn)研究

文中設(shè)計(jì)了基于觀測器模型的海上風(fēng)電機(jī)群干擾抑制系統(tǒng)，采用了觀測器模型，節(jié)約了系統(tǒng)程序的編寫時(shí)間，提高海上風(fēng)電機(jī)群干擾抑制系統(tǒng)穩(wěn)定性，即使受到海上風(fēng)力、壓力等多種外界因素的干擾，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也沒有受到影響。為檢測文中設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性，與傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比，得到的干擾抑制效果如圖6 所示。

觀察圖6 可知，文中提出的系統(tǒng)抗干擾能力更強(qiáng)，該系統(tǒng)硬件方面設(shè)計(jì)了電源電路、單片機(jī)、采集器以及控制器，硬件器件的設(shè)計(jì)使海上風(fēng)電機(jī)群干擾抑制系統(tǒng)能夠獲得較高的干擾抑制性能，傳統(tǒng)的干擾抑制系統(tǒng)存在較為明顯的超調(diào)，而文中設(shè)計(jì)的干擾抑制系統(tǒng)消除了外界較多種因素的干擾，使系統(tǒng)避免了積分環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對海上風(fēng)電機(jī)的準(zhǔn)確定位與實(shí)時(shí)跟蹤。

采用設(shè)計(jì)的干擾抑制系統(tǒng)，在添加超額負(fù)載的情況下，海上風(fēng)電機(jī)群的抗干擾性能沒有受到太大影響，提高了系統(tǒng)的可靠性及系統(tǒng)對各種干擾因素的抗干擾能力，對海上風(fēng)電機(jī)群位置控制時(shí)無線電設(shè)備的干擾可以得到很好的抑制效果，進(jìn)而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度，降低了維護(hù)海上風(fēng)電機(jī)的成本，減少了信息在傳遞過程中產(chǎn)生的失真，使基于觀測器模型的海上風(fēng)電機(jī)群干擾抑制系統(tǒng)更具有實(shí)用性，對海上風(fēng)電機(jī)群受到的各種干擾具有較好的控制效果，有效抑制了海上風(fēng)力、壓力以及其他外界因素對風(fēng)電機(jī)群產(chǎn)生的干擾，極大地提高了海上風(fēng)電機(jī)群干擾抑制系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，達(dá)到了較為明顯的控制效果。

4 結(jié)束語

針對海上風(fēng)電機(jī)群受到較多干擾的問題，設(shè)計(jì)了基于觀測器模型的海上風(fēng)電機(jī)群干擾抑制系統(tǒng)，采用了觀測器模型，對海上風(fēng)電機(jī)群在海上正常運(yùn)行過程中的電磁設(shè)備干擾進(jìn)行了系統(tǒng)的建模，并以此對電磁設(shè)備以及無線電設(shè)備產(chǎn)生的干擾進(jìn)行了有效的消除，達(dá)到了較好的抗干擾效果，既可以獲得較明顯的控制效果，又提高了基于觀測器模型的海上風(fēng)電機(jī)群干擾抑制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使海上風(fēng)電機(jī)群具有較高的準(zhǔn)確度，提高了系統(tǒng)的安全性和靈活性，降低了系統(tǒng)運(yùn)行的成本，使設(shè)計(jì)的基于觀測器模型的海上風(fēng)電機(jī)群干擾抑制系統(tǒng)具有更高的應(yīng)用價(jià)值。