大型風(fēng)電機(jī)組模糊控制

王湘明　　賓焜 孟竟

【摘 要】文章對液壓變槳風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，研究了變槳距機(jī)構(gòu)模型并對其工作特性進(jìn)行深入分析，在此基礎(chǔ)上總結(jié)出了液壓變槳距傳遞函數(shù)模型?；诔Ｒ?guī)PID 控制和模糊控制的原理，結(jié)合實(shí)際工況和控制目標(biāo)提出模糊PID 控制，在MATLAB平臺下進(jìn)行仿真，結(jié)果表明模糊PID 能有效地對槳距角進(jìn)行控制。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電；液壓；模糊PID控制；變槳距

引言

風(fēng)能作為一種清潔能源已被廣泛利用，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)也得到了快速的發(fā)展。液壓變槳距控制系統(tǒng)是大型風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，對液壓系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)特性分析已經(jīng)成為風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)中非常必要的重要手段和必經(jīng)程序，而傳遞函數(shù)法是液壓系統(tǒng)建模仿真的一種有效的方式。本文在工程中常用的PID 控制的基礎(chǔ)上，通過研究將模糊控制與PID結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了無須確定被控對象精確模型，只須將操作人員實(shí)踐積累的經(jīng)驗(yàn)知識用語言規(guī)則模型化，然后用模糊推理在線辨識對象特征參數(shù)，實(shí)時(shí)改變控制策略，便可對PID 參數(shù)實(shí)現(xiàn)最佳調(diào)整，從而達(dá)到槳距控制的目的[1]。

1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大型風(fēng)電機(jī)組液壓變槳距系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)閥控缸系統(tǒng)，其液壓系統(tǒng)原理如圖1所示。液壓泵提供液壓變槳距系統(tǒng)動力，調(diào)節(jié)方向閥就能實(shí)現(xiàn)變距控制系統(tǒng)的節(jié)距控制。根據(jù)功率送達(dá)控制器的電信號，控制比例閥輸出流量的方向和大小，液壓缸根據(jù)電液比例閥輸出的方向和流量來操縱活塞的方向和速度，從而液壓缸的位移由電液比例方向閥完全控制。活塞向左移動，葉片節(jié)距向減小方向移動；當(dāng)電液比例閥通電到右位時(shí)，壓力油進(jìn)入油缸后端，活塞向右移動，相應(yīng)的葉片節(jié)距向增大方向移動。

圖一 變槳距液壓系統(tǒng)原理圖

2 變槳距系統(tǒng)傳遞函數(shù)

液壓變槳距控制系統(tǒng)對槳距角β的控制是通過比例閥來實(shí)現(xiàn)的。為了提高整個(gè)變槳距系統(tǒng)的動態(tài)性能，在油缸內(nèi)也裝有位移傳感器。變槳距液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型需要比例電磁鐵的傳遞函數(shù)、閥的開口方程、閥口的流量方程、液壓缸的流量連續(xù)性方程、液壓缸的力平衡方程和曲柄連桿機(jī)構(gòu)位移方程[2]。

比例電磁鐵傳遞函數(shù)和先導(dǎo)級力平衡方程

式中， i—比例電磁鐵輸入電流；Ki—比例電磁鐵力電流放大系數(shù)；Ksf—比例方向先導(dǎo)閥反饋檢測彈簧剛度；Kb—電流位移放大系數(shù)；Xv—比例方向閥閥芯位移。

閥口流量方程

（3）

式中，Q1—電液比例閥流量；Kq —流量放大系數(shù)；Kc—流量壓力放大系數(shù)；Pc—負(fù)載壓差。

液壓缸流量連續(xù)性方程

（4）

式中，A c—液壓缸活塞面積；Vc—液壓缸總?cè)莘e；βe—等效容積彈性模數(shù)；y—液壓缸活塞位移；C1—總泄漏系數(shù)。

液壓缸受力平衡方程

（5）

式中，M—活塞與負(fù)載折算到活塞上的總質(zhì)量；Bc —活塞與負(fù)載運(yùn)動的粘性阻尼系數(shù)；K—負(fù)載彈簧剛度。

整合并化簡可得液壓變槳機(jī)構(gòu)對象傳遞函數(shù)：

（6）

3 模糊PID控制器

單純的模糊控制難以滿足高精度或高性能要求。首先，輸入變化量為系統(tǒng)偏差和偏差變化量，相當(dāng)于一個(gè)PD調(diào)節(jié)器，由于不含積分機(jī)制，控制結(jié)果會產(chǎn)生靜差，影響控制精度；其次，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，它不能對自己的控制規(guī)則和控制參數(shù)（比例及量化因子）進(jìn)行有效和實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。結(jié)合PID控制的良好動態(tài)性能和在實(shí)際中的大量應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)了模糊PID 控制器對節(jié)距角進(jìn)行控制[3]， 如圖2所示。

圖2 變槳距模糊PID控制原理

3.1 首先定義輸入變量e，ec 和輸出變量kp，ki，kd在模糊集上的論域，將其變化分為7個(gè)等級：

Kp={-0.6，-0.4，-0.2，0，0.2，0.4，0.6}

Ki={-0.06，-0.04，-0.02，0，0.02，0.04，0.06} （ 7）

Kd={-6，- 4，- 2，0， 2， 4， 6}

E，ec={-6，-4，-2，0，2，4，6} （ 8）

它們的模糊子集均為：

Kp，Ki，Kd，E，EC={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB} （9）

子集中的元素分別代表負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大。

3.2 定義一個(gè)模糊子集，實(shí)際上就是要確定模糊子集的隸屬函數(shù)。將確定的隸屬函數(shù)曲線離散化，就得到了有限各點(diǎn)上的隸屬度，便構(gòu)成了一個(gè)相應(yīng)的模糊變量的模糊子集。常用的隸屬函數(shù)可分為三類：偏小型、偏大型、中間對稱型，本文采用三角形型隸屬度函數(shù)，這種隸屬函數(shù)的形狀和分布由三個(gè)參數(shù)表示：一般可描述為：

3.3模糊規(guī)則的設(shè)計(jì)，控制核心是模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識，建立合適的模糊規(guī)則表“IF E=* AND EC=*，THEN KP，KI，KD=***”：

表一 Kp的模糊規(guī)則表

根據(jù)設(shè)定的模糊控制規(guī)則表，可以得到相應(yīng)的模糊關(guān)系R，通過給定的如何E，EC和模糊合成運(yùn)算，可以得出kp，ki，kd的調(diào)整后的表達(dá)式，即在第k個(gè)采樣時(shí)刻kp的整定參數(shù)：

（11）

根據(jù)調(diào)整后的PID參數(shù)對槳距控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。

4 仿真結(jié)果

本文在傳統(tǒng)PID控制變槳的基礎(chǔ)上，加入了現(xiàn)代模糊控制理論，并在Matlab/ Simulink仿真環(huán)境下對大型風(fēng)電機(jī)組變槳距系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究。給定輸入角度，控制目標(biāo)使輸出跟蹤輸入變化。通過實(shí)時(shí)E、EC的值，通過模糊控制系統(tǒng)調(diào)取Kp（k） ，Ki（k），Kd（k）的值，計(jì)算出實(shí)時(shí)Kp，Ki，Kd值的大小，得到輸出量以控制變槳機(jī)構(gòu)槳距角，并由閉環(huán)負(fù)反饋達(dá)到控制要求。

本文簡單分析了液壓變槳風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特性，以及變槳距的功率控制方法，在對模糊控制理論和常規(guī)PID控制進(jìn)行比較的基礎(chǔ)上提出了模糊自適應(yīng)PID 控制，并對基于模糊PID 的變槳距控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，仿真結(jié)果表明，模糊PID 能有效地對風(fēng)力機(jī)槳距角進(jìn)行控制，響應(yīng)時(shí)間更短，偏差量更小，為進(jìn)一步研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率控制奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]何玉林，劉軍.大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距控制技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2010，27（7）

[2]孔屹剛，徐大林，顧浩，等.大型風(fēng)力機(jī)液壓變槳機(jī)構(gòu)建模分析[J].太陽能學(xué)報(bào)，2010，31（2）：210-215.

[3]寧海峰.參數(shù)模糊自整定PID控制器的研制[D] . 福建省泉州市：華僑大學(xué)，2006：30-45

作者簡介：王湘明（1963-），男，遼寧沈陽人，副教授，碩士，主要從事風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)研究。