基于改進(jìn)PID的風(fēng)電探測控制系統(tǒng)設(shè)計

張萬強(qiáng)，張紅雷，賈建超，王江淮，張 偉

(1.國家電投集團(tuán)東方新能源股份有限公司衡水分公司，河北 衡水 053000；2.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100084)

風(fēng)電場工作環(huán)境十分復(fù)雜，影響因素很多，使得風(fēng)電探測控制系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境具有時變性，設(shè)計性能優(yōu)異的風(fēng)電控制探測系統(tǒng)已成為了目前風(fēng)電控制系統(tǒng)智能化方向的研究重點[1-2]。國外研究探測控制系統(tǒng)起步較早[3]，以激光發(fā)射組件發(fā)出的激光范圍作為探測范圍，通過調(diào)整探測激光的照射范圍，對探測系統(tǒng)產(chǎn)生控制作用[4]。國內(nèi)研究探測控制系統(tǒng)起步較晚，以激光照射光路逆向反射作為處理原理，設(shè)計探測控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)[5]。文獻(xiàn)[6]中的探測控制系統(tǒng)變換處理為多個開度環(huán)境，并利用三次項系數(shù)關(guān)系式風(fēng)電場的變化數(shù)值模型，設(shè)計了PID控制器的探測控制系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7]中的探測控制系統(tǒng)運(yùn)用混合差分進(jìn)化算法建立了風(fēng)電場空載數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化PID控制算法的縮放因子以及風(fēng)電探測控制系統(tǒng)的性能。經(jīng)過階段性的應(yīng)用可知，現(xiàn)有的風(fēng)電探測控制系統(tǒng)在處理控制進(jìn)程時，容易出現(xiàn)配置錯誤。

為了改善風(fēng)電探測控制效果，設(shè)計基于改進(jìn)PID的風(fēng)電探測控制系統(tǒng)。按照不同的速度參數(shù)，將風(fēng)電工況區(qū)處理為不同的分區(qū)，以分區(qū)內(nèi)表現(xiàn)出的各項參數(shù)，優(yōu)化探測控制系統(tǒng)的回波特性，實現(xiàn)了有針對性的風(fēng)電探測參數(shù)配置。

1 改進(jìn)PID算法

傳統(tǒng)的PID控制方法難以匹配風(fēng)電場探測系統(tǒng)的時變性，無法完整貼合系統(tǒng)控制的非線性函數(shù)。比例控制是最簡便的控制方法，其輸出與輸入功率呈線性關(guān)系，而只有比例控制時，則會出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)偏差，且與控制器的比例因子呈反比關(guān)系。在集成控制中，由于控制器的輸出與輸入信號的積分直接相關(guān)，因此能夠很好地解決穩(wěn)態(tài)誤差。在這種結(jié)構(gòu)下，比例—積分控制可以充分地達(dá)到基本的控制性能，并利用比例系數(shù)和積分系數(shù)實現(xiàn)相應(yīng)的動力特性和穩(wěn)定的精度。然而，在風(fēng)電場探測系統(tǒng)中，由于階躍反應(yīng)的影響，其誤差往往難以在短期之內(nèi)得到完全的解決，而積分項則會導(dǎo)致過大幅度的過調(diào)量，重則會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定度下降。雖然通過提升比例系數(shù)使得控制精度得到提升，但同時也會使其穩(wěn)定性下降，無法適應(yīng)實際的要求。文中提出了一種改進(jìn)的 PID控制方法，它是以變化的比例因子為基礎(chǔ)，利用實時的誤差值選取比例因子，并在有較大的偏差情況下選取更少的比例因子以維持整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和不超調(diào)；當(dāng)系統(tǒng)的誤差很少時，增加比例因子以改善控制的準(zhǔn)確性。改進(jìn)PID控制的原理如圖1所示。

圖1 改進(jìn)PID控制的原理Fig.1 Principle of improving PID control

2 改進(jìn)PID的風(fēng)電探測控制系統(tǒng)

2.1 風(fēng)電探測控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計風(fēng)電探測控制系統(tǒng)基于PLC進(jìn)行控制，根據(jù)風(fēng)電工況及功能要求，在PLC的基礎(chǔ)上，設(shè)計風(fēng)電探測控制系統(tǒng)分為3大模塊：風(fēng)速探測模塊、變量馬達(dá)恒速控制模塊及監(jiān)控模塊，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。本文設(shè)計的改進(jìn)PID的風(fēng)電探測控制系統(tǒng)中，風(fēng)速探測模塊是核心組成。因此，對此模塊進(jìn)行深度設(shè)計。

2.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.2.1 風(fēng)電場探測處理單元

探測處理單元采用STM32F103RET6處理芯片作為管理核心，定義芯片的I/O串口PC3、PB1用于轉(zhuǎn)換A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換[8]，并在組件定時器內(nèi)放置插件，形成的插件結(jié)構(gòu)如圖3所示。根據(jù)圖2設(shè)計形成的插件結(jié)構(gòu)，經(jīng)過核心管理芯片PWM輸出驅(qū)動放大信號后，轉(zhuǎn)換電路的運(yùn)行電平，并在高頻開關(guān)管的外部串聯(lián)一個UART控制器[9]。驅(qū)動器內(nèi)選擇CMOS核心處理單元，將外部風(fēng)電場的傳感器參數(shù)傳輸至插件的光感像元后，像元內(nèi)部的感光二極管經(jīng)放大器加載，與信號投切模塊之間形成整流反饋作用。插件內(nèi)的阻波電路實質(zhì)上為CPLD器件[10]，轉(zhuǎn)換原有電路的線陣驅(qū)動。

圖2 風(fēng)電探測控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Wind power detection and control system

圖3 插件結(jié)構(gòu)Fig.3 Plug-in structure

2.2.2 探測控制裝置設(shè)計

利用光學(xué)映射設(shè)計探測控制裝置。采用二向色性偏振片，以多偏振片輪轉(zhuǎn)的方式獲取不同入射光的偏振輻射，不僅能夠有效降低探測控制過程中產(chǎn)生的檢偏角度誤差，還可減小風(fēng)電電機(jī)運(yùn)動對偏振方向產(chǎn)生的影響[11]。將偏振片放置在工程樹脂載板結(jié)構(gòu)內(nèi)，在各個偏振片之間保留一定的空間。采用進(jìn)步電機(jī)作為驅(qū)動裝置，通過調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)帶動偏振載片在傳動杠上做直線運(yùn)動。在控制電路外側(cè)串聯(lián)一個無線串口。偏振片在傳動絲杠上感知的各項信息傳輸至運(yùn)行控制系統(tǒng)上位機(jī)，以實現(xiàn)控制信息數(shù)據(jù)的實時交互[12]。具體偏振控制模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 偏振控制模塊結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of polarization control module

2.3 風(fēng)電場探測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.3.1 改進(jìn)PID劃分風(fēng)電工況區(qū)

風(fēng)電場內(nèi)存在額定的風(fēng)速，在劃分風(fēng)電工況區(qū)時，以不同風(fēng)速對應(yīng)產(chǎn)生的角值參數(shù)作為劃分變量。首先，建立變換參數(shù)與風(fēng)電場之間的線性模型。采用最小二乘法擬合處理劃分變量內(nèi)的數(shù)值，擬合處理形成的數(shù)值關(guān)系。然后，采用黃金優(yōu)選法標(biāo)定改進(jìn)PID控制數(shù)值關(guān)系的線性插值[13]，劃定數(shù)值分區(qū)，根據(jù)對應(yīng)的轉(zhuǎn)折參數(shù)構(gòu)建線性插值過程，并確定風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)速數(shù)值。

2.3.2 優(yōu)化探測控制系統(tǒng)回波特性

探測波處理如圖5所示。

圖5 探測波處理Fig.5 Detection wave processing

風(fēng)電工況分區(qū)間形成的收發(fā)間隙較小，在探測風(fēng)速時，系統(tǒng)收發(fā)控制信號產(chǎn)生了周期性的回波。對于高氣壓層的風(fēng)電場，控制信號在大氣環(huán)境中形成透過系數(shù)[14]，在透過參數(shù)的影響下，生成系統(tǒng)控制信號動態(tài)回波參數(shù)。在上述回波參數(shù)控制下，探測控制系統(tǒng)形成如圖5所示的探測波處理過程。在優(yōu)化探測控制系統(tǒng)回波特性時，將控制目標(biāo)處理為非拓展形式，采用積分拓展上述構(gòu)建的回波方程，完成優(yōu)化處理過程。綜合上述研究設(shè)計，最終完成對基于改進(jìn)PID的風(fēng)電探測控制系統(tǒng)優(yōu)化的研究。

本文設(shè)計的基于改進(jìn)PID的風(fēng)電探測控制流程如圖6所示。

圖6 控制流程Fig.6 Control flow

3 實例分析

3.1 選擇風(fēng)電場核心元件

核心元件采用增強(qiáng)型的8051內(nèi)核，并在風(fēng)電場內(nèi)部放置一個8位的單片機(jī)作為風(fēng)電場內(nèi)的互感器，通過調(diào)整內(nèi)部多個組成組件，數(shù)值化處理不同模式的使用功耗，設(shè)定系統(tǒng)仿真參數(shù)見表1。設(shè)置檢驗過程，在系統(tǒng)的上位機(jī)實現(xiàn)仿真參數(shù)代碼的檢測?？紤]到控制系統(tǒng)服務(wù)器架構(gòu)需要在不同宿主機(jī)上實現(xiàn)部署運(yùn)行，故采用Kubernetes容器集群項目統(tǒng)一編排管理宿主機(jī)，調(diào)整中控子系統(tǒng)與協(xié)控子系統(tǒng)集群化處理不同階段的調(diào)度任務(wù)，并根據(jù)探測控制系統(tǒng)的應(yīng)用性能，整定系統(tǒng)優(yōu)化過程中的PID控制參數(shù)。

表1 設(shè)定的探測仿真參數(shù)Tab.1 Set detection simulation parameters

3.2 整定PID控制參數(shù)

對于控制系統(tǒng)的常規(guī)控制指令來看，控制指令在分類處理后，形成多種類型格式的參數(shù)，存在一定的滯后性。為此，調(diào)整控制系統(tǒng)為閉環(huán)狀態(tài)，并設(shè)置PID的控制初始參數(shù)，以此消除微分運(yùn)算對系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾。直接輸出控制系統(tǒng)的響應(yīng)振幅，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)的輸出周期響應(yīng)Fig.7 Output periodic response of system

由圖7的輸出周期響應(yīng)可知，PID調(diào)節(jié)器存在固定的周期，且呈等幅振蕩，則輸出響應(yīng)的微分輸出函數(shù)為：

(1)

式中，TD為比例調(diào)節(jié)函數(shù)；c(t)為比例度函數(shù)；Ts為等幅振蕩周期。

累加上述微分輸出，形成累加輸出控制函數(shù)為：

u(t)=k[e(t)]+1/TD

(2)

式中，u(t)為輸出累加形成的輸出控制函數(shù)；e(t)為風(fēng)電場的線性控制偏差；TD為控制系統(tǒng)的指令輸出周期；k為應(yīng)用的微分處理函數(shù)。

按照PID整定形成的輸出控制函數(shù)，在風(fēng)電探測控制過程結(jié)合多個風(fēng)速等級輸出，實現(xiàn)分段控制過程，分段控制過程如圖8所示。

圖8 輸出的PID分段控制過程Fig.8 PID sectional control process of output

根據(jù)改進(jìn)PID輸出的分段控制過程，將風(fēng)電探測控制系統(tǒng)分為不同的控制等級，成功調(diào)試改進(jìn)PID至風(fēng)電探測控制系統(tǒng)后，準(zhǔn)備基于分布式平臺的探測控制系統(tǒng)、基于多光譜偏振的探測控制系統(tǒng)以及優(yōu)化后的探測控制系統(tǒng)參與測試，對比研究優(yōu)化后的探測控制系統(tǒng)性能。

3.3 測試結(jié)果及分析

根據(jù)上述實驗條件模擬設(shè)置風(fēng)電場內(nèi)的基本風(fēng)速為6.0 m/s，并設(shè)定基本風(fēng)速的基本周期為2 s，陣風(fēng)的持續(xù)時間為10 s，標(biāo)定風(fēng)電場內(nèi)的威爾分布尺度參數(shù)。仿真模擬控制系統(tǒng)探測得到的風(fēng)速曲線，風(fēng)速結(jié)果如圖9所示。由圖9所示的預(yù)估風(fēng)速結(jié)果可知，在設(shè)定的仿真的時間區(qū)間范圍內(nèi)，優(yōu)化后的探測控制系統(tǒng)在預(yù)估風(fēng)電場環(huán)境內(nèi)的風(fēng)速時，與實際設(shè)定的風(fēng)速相差不大且處于理想誤差之內(nèi)，計算上述實際風(fēng)速與控制系統(tǒng)預(yù)估風(fēng)速的風(fēng)速平均值，可知系統(tǒng)預(yù)估形成的風(fēng)速數(shù)值與實際風(fēng)速相比有著較強(qiáng)的統(tǒng)計性能，適合系統(tǒng)測試分析過程中應(yīng)用。

圖9 系統(tǒng)預(yù)估風(fēng)速結(jié)果Fig.9 Estimated wind speed results of system

調(diào)用上述0～5 s周期內(nèi)的系統(tǒng)運(yùn)行任務(wù)，并以該運(yùn)行任務(wù)作為測試探測控制系統(tǒng)的處理對象，調(diào)用承載運(yùn)行系統(tǒng)的上位機(jī)，并整理探測控制系統(tǒng)在記錄風(fēng)速數(shù)值產(chǎn)生的MX記錄配置錯誤，配置錯誤結(jié)果如圖10所示。

圖10 配置錯誤量結(jié)果Fig.10 Configuration error quantity result

調(diào)用承載控制系統(tǒng)運(yùn)行的上位機(jī)，根據(jù)統(tǒng)計得到的錯誤類型以及錯誤量結(jié)果可知，針對相同仿真時間周期內(nèi)的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)產(chǎn)生的錯誤類型共有6種，對應(yīng)整理錯誤類型的錯誤量，并取錯誤量的平均值作為最終的測試結(jié)果。所設(shè)計優(yōu)化的探測控制系統(tǒng)產(chǎn)生的平均配置錯誤量在0.6%左右，在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的配置錯誤量較少。

為進(jìn)一步驗證所設(shè)計優(yōu)化的探測控制系統(tǒng)的性能，統(tǒng)計該方法應(yīng)用下，得到預(yù)估風(fēng)電場環(huán)境內(nèi)的風(fēng)速結(jié)果耗費的時間，并重復(fù)5次實驗，結(jié)果見表2。由表2可知，所設(shè)計優(yōu)化的探測控制系統(tǒng)平均耗時較少，為6.48 s，能夠快速地實現(xiàn)風(fēng)電探測控制。

表2 耗時結(jié)果Tab.2 Time-consuming results

4 結(jié)語

針對現(xiàn)有風(fēng)電探測控制系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化處理過程，在改進(jìn)PID控制器過程中，根據(jù)控制數(shù)值關(guān)系，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行時各項參數(shù)間的線性關(guān)系。經(jīng)過測試對比可知，優(yōu)化后的探測控制系統(tǒng)能夠改善現(xiàn)有探測控制系統(tǒng)配置錯誤量較多的不足。在未來工作中，希望所構(gòu)建的探測控制系統(tǒng)優(yōu)化過程可為研究工作提供理論支持。