模糊控制論文范文格式

1、 基于模糊控制的風(fēng)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)研究 摘 要：就整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)控制技術(shù)是機(jī)組高效穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵, 而偏航控制系統(tǒng)是水平軸風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的重要組成部分。近年來(lái)兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組對(duì)偏航系統(tǒng)穩(wěn)定性提出了更高的要求，提出了將模糊控制應(yīng)用于偏航控制系統(tǒng)中。由于風(fēng)向變化具有隨機(jī)性和不確定性，風(fēng)力發(fā)電面臨的自然環(huán)境也一般比較惡劣，存在很多的不確定因素，因此一些傳統(tǒng)的方法很難取得很好的效果。模糊理論在處理不確定性問(wèn)題上具有其天然的優(yōu)越性，將模糊控制理論應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)，能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性,有效進(jìn)行迎風(fēng)控制。分析了偏航控制系統(tǒng)的工作原理；對(duì)偏航系統(tǒng)設(shè)計(jì)了模糊控制器，并對(duì)其控制過(guò)程設(shè)計(jì)了軟件流程圖

2、；在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)中搭建了該系統(tǒng)的仿真模型， 進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，并與傳統(tǒng)PID控制方法的控制效果進(jìn)行了比較分析。結(jié)果表明,模糊控制系統(tǒng)能同時(shí)滿足偏航系統(tǒng)對(duì)控制精度和穩(wěn)定性的要求，其整體性能優(yōu)于PID控制系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；偏航系統(tǒng)；模糊控制；PID控制；0引 言 風(fēng)電是一種可再生的清潔能源, 取之不盡、用之不竭,發(fā)電過(guò)程不消耗礦產(chǎn)資源, 不排放污染物和溫室氣體,是人與自然和諧共處、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的新能源。20 多年來(lái), 風(fēng)電已從孤立運(yùn)行的小型機(jī)組發(fā)展成為可較大規(guī)模集中提供電力的大型機(jī)組, 技術(shù)日趨成熟, 應(yīng)用規(guī)模越來(lái)越大。隨著國(guó)際社會(huì)對(duì)全球氣候變化問(wèn)題的日益

3、關(guān)注,風(fēng)力發(fā)電得到了高度重視。在國(guó)家政策支持下，近年來(lái)我國(guó)風(fēng)電發(fā)展迅速。截至2012年底，并網(wǎng)容量達(dá)到6083萬(wàn)千瓦，居世界第一位,占全國(guó)發(fā)電總裝機(jī)容量的5.3%。 偏航系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組特有的伺服系統(tǒng)，也稱為對(duì)風(fēng)裝置，它的性能優(yōu)劣直接影響著機(jī)組的整體性能以及對(duì)風(fēng)能的利用效率和發(fā)電效率。但是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組國(guó)產(chǎn)化率較低、對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)的控制技術(shù)研究甚少,破切需要具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的機(jī)型。風(fēng)作為自然界的產(chǎn)物，具有隨機(jī)性的特點(diǎn)，且其方向也在時(shí)刻發(fā)生著變化，因此在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制中， 偏航系統(tǒng)需要頻繁起動(dòng)使風(fēng)輪盡量保持在迎風(fēng)狀態(tài)， 以提高風(fēng)能利用效率。但是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在發(fā)電狀態(tài)下偏航時(shí)會(huì)產(chǎn)

4、生陀螺力矩波動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)塔架、葉片等的振動(dòng)， 從而對(duì)整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的安全性構(gòu)成威脅,因此偏航系統(tǒng)不適合頻繁起動(dòng)。此外，近年來(lái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的大型化也對(duì)偏航系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了更高的要求。如果將常規(guī)的PID隨動(dòng)控制器應(yīng)用于偏航系統(tǒng)中,偏航執(zhí)行機(jī)構(gòu)很容易因?yàn)轭l繁動(dòng)作而損壞。模糊邏輯控制作為智能控制的一個(gè)重要分支,憑借其突出優(yōu)點(diǎn)， 近年來(lái)得到了快速發(fā)展，它是模仿人的思維形式進(jìn)行的一種自動(dòng)控制,具有較好的動(dòng)態(tài)性能和較強(qiáng)的魯棒性， 能夠有效地改善偏航系統(tǒng)的響應(yīng)速度,因此本文提出將模糊控制應(yīng)用于偏航控制系統(tǒng)中。1 偏航系統(tǒng)的工作原理 1.1 偏航裝置簡(jiǎn)介 對(duì)于不同類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組, 應(yīng)用不同的偏航裝置是非

5、常必要的。 1) 尾舵對(duì)風(fēng) 微小型風(fēng)力機(jī)常用尾舵對(duì)風(fēng),將尾翼裝在尾桿上與風(fēng)輪軸平行或成一定的角度。尾舵調(diào)向結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單調(diào)向可靠、制造容易、成本低。 2) 側(cè)風(fēng)輪對(duì)風(fēng) 中小型風(fēng)機(jī)可用側(cè)風(fēng)輪作為對(duì)風(fēng)裝置,當(dāng)風(fēng)向變化時(shí),位于風(fēng)輪后面的兩個(gè)側(cè)風(fēng)輪( 其旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面相垂直)旋轉(zhuǎn),并通過(guò)一套齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)使風(fēng)輪偏轉(zhuǎn),當(dāng)風(fēng)輪重新對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向后, 側(cè)風(fēng)輪停止轉(zhuǎn)動(dòng), 對(duì)風(fēng)過(guò)程結(jié)束。 3) 伺服電機(jī)或調(diào)向電機(jī)調(diào)向大中型風(fēng)力機(jī)一般采用電動(dòng)的伺服或調(diào)向電機(jī)來(lái)調(diào)整風(fēng)輪并使其對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。偏航系統(tǒng)一般包括感應(yīng)風(fēng)向的風(fēng)向標(biāo), 偏航電機(jī), 偏航行星齒輪減速器, 回轉(zhuǎn)體大齒輪等。其工作原理如下: 風(fēng)向標(biāo)作為感應(yīng)元件將風(fēng)向的變化用電

6、信號(hào)傳遞到偏航電機(jī)的控制回路里, 經(jīng)過(guò)比較后處理器給偏航電機(jī)發(fā)出順時(shí)針或逆時(shí)針的偏航命令, 為了減少偏航時(shí)的陀螺力矩, 電機(jī)轉(zhuǎn)速將通過(guò)同軸聯(lián)接的減速器減速后, 將偏航力矩作用在回轉(zhuǎn)體大齒輪上, 帶動(dòng)風(fēng)輪偏航對(duì)風(fēng), 當(dāng)對(duì)風(fēng)完成后, 風(fēng)向標(biāo)失去電信號(hào), 電機(jī)停止工作,偏航過(guò)程結(jié)束?？傊? 尾舵對(duì)風(fēng)與側(cè)風(fēng)輪對(duì)風(fēng)是在風(fēng)力的作用下葉輪自行調(diào)至迎風(fēng)位置, 這種方式稱之為被動(dòng)迎風(fēng)。而由調(diào)向電機(jī)將葉輪調(diào)至迎風(fēng)位置則被稱為主動(dòng)迎風(fēng)。由于風(fēng)向存在隨機(jī)性, 被動(dòng)迎風(fēng)時(shí)葉輪平面頻繁擺動(dòng), 影響調(diào)向機(jī)構(gòu)的壽命, 所以被動(dòng)迎風(fēng)僅適用于調(diào)向力矩小的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中。而對(duì)于大型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng), 則必須設(shè)計(jì)一套主動(dòng)對(duì)風(fēng)的偏航

7、控制系統(tǒng)。 1.2 典型的偏航控制系統(tǒng) 偏航系統(tǒng)是一個(gè)隨動(dòng)的位置伺服控制系統(tǒng)，它的主要作用有2個(gè)：一是在可用風(fēng)速范圍內(nèi)能夠控制風(fēng)輪使之穩(wěn)定地跟蹤風(fēng)向變化，在非可用風(fēng)速范圍下可以進(jìn)行90°側(cè)風(fēng)控制； 二是在由于持續(xù)跟蹤風(fēng)向而造成電纜纏繞超過(guò)規(guī)定限值的情況下能夠自動(dòng)解纜，保障風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行。 如圖1所示為偏航控制系統(tǒng)的原理框圖，其工作過(guò)程可描述為： 風(fēng)向標(biāo)實(shí)時(shí)地檢測(cè)風(fēng)向的變化情況，并用電信號(hào)將檢測(cè)結(jié)果傳遞到偏航控制器中，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以確定風(fēng)向信號(hào)和機(jī)艙中心線的夾角，從而決定是否需要啟動(dòng)偏航機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)整機(jī)艙的方向。如果需要啟動(dòng)， 微處理器會(huì)發(fā)信號(hào)給偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)， 帶動(dòng)風(fēng)輪偏航對(duì)風(fēng)， 最終將

8、風(fēng)機(jī)調(diào)整到與風(fēng)向一致的位置。 圖1 偏航控制系統(tǒng)原理框圖2 模糊控制的原理 基本模糊控制系統(tǒng)包括模糊化處理、模糊推理和清晰化控制三個(gè)環(huán)節(jié)。模糊控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示: 圖 2 模糊控制系統(tǒng)框圖 模糊化處理就是將模糊控制器輸入量的確定值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模糊語(yǔ)言變量值的過(guò)程, 此相應(yīng)語(yǔ)言變量值均由對(duì)應(yīng)的隸屬度來(lái)定義。通過(guò)這樣一個(gè)把輸入變量映射到合適的響應(yīng)論域量程的過(guò)程, 精確的輸入數(shù)據(jù)就變換成適當(dāng)?shù)恼Z(yǔ)言值或模糊集合的標(biāo)識(shí)符。一般的模糊控制器采用誤差及其變化作為輸入語(yǔ)言變量。模糊推理一般采用 IF A T HEN B 形式的條件語(yǔ)句來(lái)描述, 包括三個(gè)組成部分: 大前提、小前提和結(jié)論。大前提是多個(gè)多維

9、模糊條件語(yǔ)句, 構(gòu)成規(guī)則庫(kù),調(diào)整和校準(zhǔn)模糊規(guī)則是模糊控制中的關(guān)鍵問(wèn)題。小前提是一個(gè)模糊判斷句。清晰化是模糊系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié), 是將模糊推理中產(chǎn)生的模糊量轉(zhuǎn)化為精確量。常見(jiàn)的非模糊化方法主要有最大隸屬度值法、面積平均法、重心法和最大隸屬度平均值法。模糊控制的過(guò)程就是上述三個(gè)環(huán)節(jié)相互作用的結(jié)果, 其關(guān)鍵部分就是選用合適的隸屬度函數(shù)進(jìn)行模糊化, 運(yùn)用合理的推理方法得到結(jié)論, 采用適當(dāng)?shù)那逦椒ㄟ€原出精確量。在模糊控制的發(fā)展過(guò)程中, 基本上是圍繞著這些問(wèn)題來(lái)的, 同進(jìn)還運(yùn)用或融合了其它的智能控制方法。使模糊控制得以發(fā)展。3 偏航系統(tǒng)模糊控制器的設(shè)計(jì) 3.1模糊控制原理 模糊控制不需要精確的數(shù)學(xué)模型,

10、能不受非線性因素的影響,可以高效地綜合專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí),具有較好的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性, 在機(jī)組最大風(fēng)能捕獲、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤監(jiān)測(cè)、機(jī)組的發(fā)電機(jī)最大功率捕獲及其風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)魯棒性等方面均取得了比較理想的控制效果。 確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)模糊控制器根據(jù)被控對(duì)象的實(shí)際情況,確定輸入變量和輸出變量的形式與數(shù)量。通常,輸入變量采用輸出變量與給定變量的誤差與誤差變化率,通常用E(或 e) 與 Ec(或 ec)表示;輸出變量則為被控對(duì)象變量的變化,通常用 Y表示。文中提出的雙輸入單輸出的模糊偏航控制模型,輸入量為:由測(cè)風(fēng)裝置測(cè)得的實(shí)際角度理論轉(zhuǎn)動(dòng)角度與理論角度的偏差e及其變化率ec輸出量為偏航控制系統(tǒng)的角度控制

11、量 u。其結(jié)構(gòu)如圖 3所示。 圖 3 模糊控制器的系統(tǒng)框圖 3.2 輸入輸出變量的模糊化根據(jù)模糊控制器的設(shè)計(jì)方法, 將輸入語(yǔ)言變量 E和 Ec的論域量化為 13個(gè)等級(jí), 即 X, Y = - 6, - 5,- 4, - 3, - 2, - 1, 0, 1, 2, 3, 4, 5 , 6。將其模糊子集A ,B = NB, NM , NS , ZE, PS, PM , PB , 它們分別代表 負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小零,正小,正中,正大 。設(shè)輸出語(yǔ)言變量(控制量變化 )U的模糊子集: C = NB, NM , NS, ZE , PS , PM , PB , 將 U的論域 Z同樣分為十三個(gè)等級(jí), 即: Z

12、= - 6 , - 5, - 4, - 3, - 2, -1, 0, 1, 2 , 3, 4, 5, 6 3.3 定義模糊隸屬度函數(shù)三角形隸屬函數(shù)的靈敏度強(qiáng)分辨率較高,因此文中的E,Ec,U的模糊子集均采用三角形隸屬度函數(shù)。 3.4 定義模糊控制規(guī)則 對(duì)于模糊化的輸入輸出變量, 可以根據(jù)一定的專家經(jīng)驗(yàn)或模糊模型確定相應(yīng)的模糊控制規(guī)則, 常用 if, then條件語(yǔ)句表示。筆者也是參考實(shí)際動(dòng)手的人平時(shí)使用操作總結(jié)得出的控制方法, 最后獲得了一串用模糊條件語(yǔ)句構(gòu)成的符合偏航控制系統(tǒng)的控制規(guī)則?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)就是: 若誤差比較大的時(shí)候, 控制量就必須盡最大能力地縮短誤差; 若誤差比較小的時(shí)候, 就應(yīng)該盡可

13、能地減滅誤差, 當(dāng)然同時(shí)也要注意確保整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性, 盡量減少不必要的超調(diào)和震蕩。將模糊控制規(guī)則加以歸納, 得出偏航系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則如表 1所示。 表 1 模糊控制規(guī)則表3.5 模糊推理和解模糊方法 本文采用MIN-MAX推理法進(jìn)行偏航控制系統(tǒng)的模糊推理，解模糊時(shí)采用重心法。4 軟件流程圖設(shè)計(jì)當(dāng)風(fēng)向與機(jī)艙中心線的偏離角度在自動(dòng)偏航設(shè)定值范圍之內(nèi)時(shí)，通過(guò)偏航模糊控制器進(jìn)行自動(dòng)迎風(fēng)控制，如圖4所示為模糊控制實(shí)現(xiàn)過(guò)程的流程圖。圖4 模糊控制流程圖 根據(jù)風(fēng)向標(biāo)傳感器對(duì)角度信號(hào)的分析，可以設(shè)計(jì)偏航方向確定過(guò)程的流程如圖5所示。圖5 偏航方向確定過(guò)程流程圖5 仿真結(jié)果與分析 5.1 仿真模型圖圖6 含

14、模糊控制器的偏航系統(tǒng)仿真模型 5.2 仿真結(jié)果及比較對(duì)上述含模糊控制器的偏航系統(tǒng)加階躍信號(hào)進(jìn)行仿真， 并與PID控制器的仿真結(jié)果（經(jīng)試湊,PID控制器的最佳調(diào)節(jié)參數(shù)為k p =50,k i =0.001, k d =20 ） 進(jìn)行比較，得到的響應(yīng)曲線如圖6所示， 其中橫坐標(biāo)為時(shí)間,縱坐標(biāo)為響應(yīng)幅值。 5.3仿真結(jié)果分析 以上仿真結(jié)果表明：與傳統(tǒng)的PID控制器相比，模糊控制器的性能更為優(yōu)越， 它具有超調(diào)量低、振蕩小的優(yōu)點(diǎn)。另外，從圖7還可以看出，模糊控制器仿真曲線的響應(yīng)時(shí)間比PID控制器的要快1.5 s。同時(shí)要求偏航系統(tǒng)無(wú)超調(diào)，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)機(jī)艙的安裝高度一般都在數(shù)十米甚至上百米，在這樣的高空進(jìn)行自動(dòng)

15、對(duì)風(fēng)時(shí)，若響應(yīng)出現(xiàn)超調(diào)，會(huì)使偏航系統(tǒng)頻繁起動(dòng)， 導(dǎo)致機(jī)艙不穩(wěn)定。因此，采用模糊控制器可在保證偏航系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下具有更快的響應(yīng)速度。圖7 模糊控制器與PID控制器仿真曲線對(duì)比圖6 結(jié)束語(yǔ)由于風(fēng)向變化具有隨機(jī)性和不確定性的特點(diǎn)，如果將傳統(tǒng)的PID隨動(dòng)控制器應(yīng)用于偏航系統(tǒng)中，雖然可滿足基本要求，但是響應(yīng)速度較慢,會(huì)導(dǎo)致風(fēng)能的浪費(fèi)。所以本文設(shè)計(jì)了一種模糊控制器來(lái)完成對(duì)偏航系統(tǒng)的控制。仿真結(jié)果表明， 模糊控制系統(tǒng)的整體性能要優(yōu)于PID控制系統(tǒng)，它能同時(shí)滿足偏航系統(tǒng)對(duì)控制精度和穩(wěn)定性的要求， 因此可以更好地達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)。 參考文獻(xiàn)1 樸海國(guó)，王志新.風(fēng)電機(jī)組偏航Fuzzy-PID合成控制系統(tǒng)仿真 J.電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2009，24 （3 ）：183-1882 劉曙光, 王志宏, 費(fèi)佩燕等.模糊控制 的發(fā)展與展 望(J).機(jī)電工程, 2000 年第 17 卷 第 1 期 9 -113 徐德,諸靜.風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)向隨動(dòng)控制系統(tǒng) J.太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2000 , 21(2):