基于Automation Studio的风力发电变桨距液压系统的仿真分析

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在液压系统的设计中，为减少因重复试验和加工所带来的巨额费用，设计人员希望能够通过预测液压系统的静态和动态性能来了解液压缸的负载特性，从而，缩短液压系统的设计周期和试验周期，降低设计成本.1。仿真可以很好的解决上述问题，利用Automation Studio仿真软件建立了风机变桨距液压系统的仿真模型，形象直观的展现了液压系统的工作原理，摆脱了复杂的数学建模过程，而且在该平台上，能够模拟风机的各种运行状态，对实时数据进行有效的检测。

2 Automation Studio软件简介Automation Studio软件具有液压系统设计、动态仿真的功能和易操作的图形化用户操作界面的特点。液压元件模型在该软件中用图标表示，数学模型已经封装在内，只需调出图标后连线，即可由计算机自动生成回路的仿真模型，可实时看到仿真动作，显示全部的仿真数据日。

AutomationStudio软件的另-个特点是包含机、电、液、电磁、控制等多学科领域。通过建立电气模型来控制液压系统的运行。

该软件通用性强，易操作，大力推动了液压产品现代设计方法的实施。

3 Automation Studio平台下变桨距液压系统设计3.1变桨距机构的工作原理变桨距液压缸驱动示意图，如图1所示。外圈为连接桨叶根部的内压板，内圈为偏心块绕圆心0的旋转平面，P点为液压缸的支点， 点为液压缸活塞杆初始位置，此时桨叶节距角 为95。；Q点为桨叶节距角 为0。时活塞杆所在位置，随着桨距角的来稿日期：2012-08-11作者简介：任育杰，(1963-)，男，在读博士研究生，主要研究方向：机、电、液-体化：宋锦春，(1957-)，男，沈阳人，博士，教授，博士生导师，主要研究方向：机、电、液-体化第 6期 任育杰等：基于Automation Studio的风力发电变桨距液压系统的仿真分析 41变化，液压缸绕着P点摆动。

风力发电机在启动前，桨距角为95o，即桨叶在顺桨位置。当风速达到切入风速时，桨叶向 0。方向转动，直到气流对桨叶产生- 定的攻角，叶轮开始进入工作状态。变桨距风力发电机的并网运行根据风速的大猩以分为两个工况：当风速低于额定风速时，利用变速恒频技术，根据风速的大小相应控制转子的转速，可以使发电机工作在最佳功率状态，并不断追踪最佳功率曲线的过程，即是要求风能利用率 恒定为 c 的恒c 控制过程”。

当风速大于额定风速，小于切出风速时，风速变大使得发电机的输出功率也随之增加，这时输出功率已超过额定功率，由于风力发电机组的机械和电气极限的要求，使得发电机的转速和输出功率必须维持在限定值以下。增大桨距角，风能的利用率大幅减小，发电机的输出功率也相应减校因此，当发电机输出功率大于额定功率时，通过调节桨距角来降低发电机的输出功率，使之维持在额定功率附近。

图 1变桨距液压缸驱动不意图Fig.1 Operating Principle of the Hydraulic Cylinder3.2 Automation Studio平台下变桨距液压系统的仿真分析为了便于在 Automation Studio软件中进行建模和仿真，我们将变桨距的角度控制转换成液压缸的直线位移控制。在实际的液压原理图中，-个比例方向阀控制3个变桨距液压缸动作，而三个液压缸是完全相同的，我们对其中-个液压缸进行建模和仿真，同样能达到预期的效果。变桨距液压系统在 AutomationStudio中的仿真模型，如图2所示。

蛮 奖陌液 压缸器图2变桨距液压系统在 Automation Studio中的仿真模型Fig.2 The Simulation Model of Variable Pitch ofHydraulic System in Automation Studio在图2的右侧部分为电控系统，分别控制电机和各电磁阀。

顺桨时电磁阀2带电，电磁阀 1和3失电，输入信号为10，液压缸从 0。向95。变化，反馈装置的PID参数为 1， 0， O。顺桨时的仿真回路，如3图所示。输入信号，如4图所示。反馈装置，如 5图所示。

变桨距液压缸器图3变桨距系统在 Automation Studio中顺桨时的仿真回路Fig.3 The Simulation Circuit of Variable Pitch of Hydraulic Systemin Automation Studio During Closing Pitch输入信号苫 冒图4变桨距系统顺桨时的输入信号Fig.4 Input Signal During Closing Pitch反馈装置 图5变桨距系统顺桨时的 PID参数Fig.5 PID Parameters During Closing Pitch输入信号为 1O，变桨距系 I哽桨时液压缸的位移，如图6所示。整个顺桨过程历时 l2.2s。

吕吕变桨距系统顺桨时液压缸位移曲线，-- - - - ///// 。

/-. 0 2 4 6 8 10 12 14单位(s)图6变桨距系统顺桨时液压缸位移曲线Fig.6 The Displacement of Hydraulic Cylinder During Closing Pitch姗姗瑚 啪∞o42 机械设计与制造No.6June.2013赋予PID参数控制器的值为 6，K 0；Ke0，得到的变桨距系统顺桨时液压缸位移曲线，如图 7所示。响应时间缩短至8.8s，曲线更加平稳、光滑，符合实际工程要求的8s钟完成顺桨动作。 暑吕：噩L加入 PID的变桨距系统顺桨时液压缸位移曲线/ / / / / / / 单位(S)图 7加入 PID的变桨距系 顷桨时液压缸位移曲线Fig.7 The Displacement of Hydraulic Cylinder Adjustedby PID Controller During Closing Pitch逆桨时电磁阀1、2和3全部带电，输入信号为 10，液压缸从95。向0。变化，反馈装置的PID参数为 1， 0，K-0。逆桨时的仿真回路，如图8所示。

2 5M变桨距液压缸图8 Studio中逆桨时的仿真回路Fig.8 The Simulation Circuit of Variable Pitch of HydraulicSystem in Automation Studio During Opening Pitch输入信号为10，变桨距系统逆桨时液压缸的位移，如图9所示。整个逆桨过程历时 10.9s。

I魍各 、 单位(s)图9变桨距系统逆桨时液压缸的位移曲线Fig.9 The Displacement of Hydraulic Cylinder During Opening Pitch赋予PID参数控制器的值为 8， ，K-0，得到的变桨距系统逆桨时液压缸的位移曲线，如图10所示。响应时间缩短至l0.6s，曲线更加平稳、光滑，符合实际工程要求的 10s完成逆桨动作。

吕吕：田L加入 PID的变桨距系统逆桨时液压缸位移曲线、 单位(s)图1O加入PID的变桨距系统逆桨时液压缸位移曲线Fig.10 The Displacement of Hydraulic Cylinder Adjustedby PID Controller During Opening Pitch4结束语2通过利用 Automation Studio软件仿真演示了液压系统的工作运行情况，对实时的流量、压力和液压缸伸缩速度进行监测，避免繁琐的系统公式推导，简化参数设置步骤，有效地提高研究效率，有利于工程技术人员学习掌握该系统，为培训提供有效手段，Automation Studio仿真软件必将在工程领域得到广泛的应用。