模糊控制在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

劉克 苗斌 李付有

摘 要：本文通過(guò)模糊控制的基本概念、基本原理出發(fā)，闡述了模糊控制在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制中的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：模糊控制；風(fēng)力發(fā)電；控制理論

風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有強(qiáng)非線性，且風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能參數(shù)不確切可知，具有強(qiáng)烈的隨機(jī)性、時(shí)變性、不確定性，含有未建?；驘o(wú)法準(zhǔn)確建模的動(dòng)態(tài)部分，對(duì)這樣的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效控制是極為困難的。隨著電力電子技術(shù)及微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，先進(jìn)的控制方法在電子技術(shù)及微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，先進(jìn)的控制方法在風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)控制中的應(yīng)用研究已幾乎遍及系統(tǒng)的各個(gè)領(lǐng)域，本文介紹了模糊控制技術(shù)的基本理論及在風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的應(yīng)用。

無(wú)論是經(jīng)典控制理論還是現(xiàn)代控制理論，他們的共同特點(diǎn)是控制器的設(shè)計(jì)都必須建立在被控對(duì)象的精確模型基礎(chǔ)上，沒(méi)有精確的數(shù)學(xué)模型，控制器的控制效果及精度都將受到很大的制約。但是，在現(xiàn)實(shí)生活中，大多數(shù)系統(tǒng)都具有非線性、時(shí)變性、大延遲等特性，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型。因此，為了滿足現(xiàn)實(shí)的需要，人們開(kāi)始將模糊控制理論應(yīng)用于控制系統(tǒng)，這就是模糊控制產(chǎn)生的背景。

1 模糊控制的基本概念

在控制過(guò)程中，許多情況下由于被控對(duì)象（或過(guò)程）的復(fù)雜性或其機(jī)理的不明確性，缺乏必要的檢測(cè)手段或測(cè)試裝置不能進(jìn)入被測(cè)試區(qū)等各種原因，致使無(wú)法建立被控對(duì)象或過(guò)程的精確數(shù)學(xué)模型。這類過(guò)程一般為多變量、非線性、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，各種參數(shù)也往往存在時(shí)變性，因此用經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論往往難以解決。而對(duì)于這種常規(guī)方法難以控制的對(duì)象，采用有經(jīng)驗(yàn)的操作人員對(duì)其進(jìn)行手動(dòng)控制卻可以收到較為滿意的控制效果。

人的控制經(jīng)驗(yàn)或策略一般是用語(yǔ)言來(lái)描述的，這些語(yǔ)言表達(dá)的控制規(guī)則又帶有相當(dāng)?shù)哪：?。如在?jīng)驗(yàn)規(guī)則中，“較小”、“較大”、“接近”、“偏大”，“偏小”等表示控制動(dòng)作的詞語(yǔ)都具有一定的模糊性。這些規(guī)則的形式正是模糊條件語(yǔ)句的形式，用模糊數(shù)學(xué)的方法來(lái)描述過(guò)程變量和控制作用的這些模糊概念及它們之間的關(guān)系，又可以根據(jù)這種模糊關(guān)系及某時(shí)刻過(guò)程變量的檢測(cè)值（需化成模糊量）用模糊邏輯推理的方法得出此時(shí)刻的控制量。模糊控制的基本思想就是利用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)人的榨制經(jīng)驗(yàn)。

2 模糊控制的基本原理

模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，模糊控制器通常由輸入輸出量的規(guī)范化、輸入量的模糊化、模糊語(yǔ)言控制規(guī)則、邏輯推理、輸出量的清晰化幾個(gè)環(huán)節(jié)組成。模糊控制器框圖如1所示。

輸入輸出量的規(guī)范化是指將規(guī)范化的控制器的輸入、輸出限制在規(guī)定的范圍內(nèi)，以便于控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

模糊化運(yùn)算是將輸入空間的觀測(cè)量映射為輸入論域上的模糊集合。模糊化在處理信息方面具有重要的作用。在模糊控制中，觀測(cè)到的數(shù)據(jù)常常是清晰量。由于模糊控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理是基于模糊集合的方法，因此對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化是必不可少的一步。

語(yǔ)言規(guī)則和邏輯推理是模糊控制器的核心環(huán)節(jié)。規(guī)則庫(kù)由一系列“IF—THEN”型的模糊條件句構(gòu)成。條件句的前件為輸入變量，后件為控制變量。對(duì)于多輸入多輸出的（MIMO）模糊系統(tǒng)，則有多個(gè)輸入和前提條件以及多個(gè)結(jié)論。根據(jù)模糊輸入量和語(yǔ)言控制規(guī)則，模糊邏輯推理決定輸出量的一個(gè)分布函數(shù)。

清晰化運(yùn)算是將輸出量的分布函數(shù)轉(zhuǎn)化為規(guī)范化的輸出量，最后控制器將規(guī)范化的輸出量轉(zhuǎn)換為實(shí)際的輸出值（即控制量）去控制系統(tǒng)。

模糊控制算法可概括為下述四個(gè)步驟。

（1）根據(jù)本次采樣得到的系統(tǒng)輸出值，計(jì)算系統(tǒng)所選擇的系統(tǒng)輸入變量。

（2）將輸入變量的精確值變?yōu)槟：俊?/p>

（3）根據(jù)輸入的模糊量及模糊控制規(guī)則，按模糊推理合成規(guī)則計(jì)算控制量。

（4）由上述得到的控制量是模糊量，通過(guò)清晰化計(jì)算精確的控制量。

3 模糊控制在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

模糊控制系統(tǒng)是以模糊集合化、模糊語(yǔ)言變量及模糊推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)控制系統(tǒng)。從線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)的角度分類，模糊控制系統(tǒng)是一種非線性控制系統(tǒng)；從控制器的智能性看，模糊控制屬于智能控制的范疇，而且它已經(jīng)成為目前實(shí)現(xiàn)智能控制的一種重要而有效的形式。因此，當(dāng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型未知或不確定時(shí)，特別是對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)——非線性、多變量系統(tǒng)，模糊控制能達(dá)到令人滿意的效果。模糊控制系統(tǒng)框圖如2所示。

模糊控制系統(tǒng)一般可分為五個(gè)組成部分。

（1）模糊控制器。它是各類模糊控制系統(tǒng)的核心部分。由于被控對(duì)象的不同，以及對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性的要求和所應(yīng)用的控制規(guī)則各異，可以構(gòu)成各類型的控制器。在模糊控制理論中，采用基于模糊控制的知識(shí)表示和規(guī)則推理的語(yǔ)言型“模糊控制器”，這也是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別與其他控制系統(tǒng)的特點(diǎn)所在。模糊控制器的主要功能有三個(gè)：模糊化處理，模糊推理（決策），非模糊化處理（精確化處理）。

（2）輸入輸出接口。模糊控制器通過(guò)輸入---輸出接口從被控對(duì)象獲得數(shù)字信號(hào)量，并將模糊控制器決策的輸出數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)，然后送給被控對(duì)象。在I/0接口裝置中，除了A/D、D/A轉(zhuǎn)換外，還包括必要的電平轉(zhuǎn)換。

（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)。包括各種交、直流電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。

（4）對(duì)象。被控對(duì)象可以是一種設(shè)備或裝置以及他們的群體，也可以是一個(gè)生產(chǎn)的、自然的、社會(huì)的、生物的或其他各種對(duì)象或過(guò)程。對(duì)于那些難以建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜對(duì)象，更適宜采用模糊控制。

（5）檢測(cè)裝置。傳感器是較常用的檢測(cè)裝置，傳感器是將被控對(duì)象或各種過(guò)程的被控制量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)（模擬或數(shù)字）的一類裝置。被控量往往是非電量，如速度、加速度、壓力等。傳感器在模糊控制系統(tǒng)中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影響整個(gè)模糊控制系統(tǒng)的精度。因此，在選擇傳感器時(shí)，應(yīng)十分注意選擇精度高且穩(wěn)定性好的傳感器。

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