CN105508135A - 一种基于模糊前馈与模糊pid控制结合的变桨控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于模糊前馈与模糊PID控制结合的变桨控制方法，属于风电行业技术领域。步骤为：发电机的测量转速及额定转速的差值不大于0时，输出桨距角为0；大于0时，该差值输入模糊变桨PID控制器；所得转速差值和差值的变化率输入至模糊变桨控制器，输出为增量型桨距角设定值β1；所述差值的积分值为桨距角偏移量β2；β1和β2之和为模糊PID变桨控制器的输出值；在风速超过额定风速时，将测量的风速值及风速的微分值输入至模糊前馈控制器；将模糊PID变桨控制器的输出值β1、β2和模糊前馈控制器的输出值之和作为变桨控制器输出的桨距角，控制变桨执行机构。本发明能够实现动态前馈补偿，缩短调节时间，提高响应速度。

Description

一种基于模糊前馈与模糊PID控制结合的变桨控制方法
技术领域
本发明属于风电行业技术领域，特别是涉及一种基于模糊前馈与模糊PID结合的变桨控制器。
背景技术
大型变桨距风电机组在额定风速以上通常采用变桨距控制方式，通过调整桨叶桨距角，改变气流对叶片的攻角，从而改变风电机组获得的空气动力转矩，使机组输出功率保持稳定。在此工况下风速成为外部扰动。由于风电机组具有强非线性和较大的转动惯量，导致变桨距系统控制困难。目前国内风电机组大多采用PID控制器完成变桨距控制。但由于风速变化的随机性和风电机组的强非线性，PID控制算法并不能取得令人满意的效果。
发明内容
针对上述存在的技术问题，在模糊PID控制的基础上，本发明提供一种基于模糊前馈与模糊PID控制结合的变桨控制方法，当在额定风速以上发生风速变化时，利用模糊推理，给出合适的桨距角前馈值，与模糊PID控制器的输出相加作为桨距角变化的设定值。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明一种基于模糊前馈与模糊PID控制结合的变桨控制方法，包括如下步骤：
(1)分别将发电机在运行过程中的测量转速及发电机的额定转速输入至模糊PID变桨控制器；
(2)判断测量转速和额定转速间的差值是否大于0，当不大于0时，输出桨距角为0；大于0时，将该差值输入模糊PID变桨控制器；
(3)通过微分器计算所述差值的微分为差值的变化率，所得转速差值和差值的变化率输入至模糊变桨控制器，输出为增量型桨距角设定值β1；通过积分器计算所述差值的积分值为桨距角偏移量β2；β1和β2之和为模糊PID变桨控制器的输出值；
(4)在风速超过额定风速时，启动模糊前馈控制器，将测量的风速值及风速的微分值输入至模糊前馈控制器；
(5)将模糊PID变桨控制器的输出值和模糊前馈控制器的输出值之和作为变桨控制器输出的桨距角，控制变桨执行机构。
进一步地，所述模糊PID变桨控制器的控制方法为：取转速差值和差值的变化率的基本论域为[0,60rpm]，取输出量β1的基本论域为[-6°,6°]；模糊变桨控制器的输入和输出的模糊论域均为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，模糊子集为：{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},隶属函数采用平滑的高斯型隶属函数。
进一步地，所述模糊前馈控制器的输入：风速增量Δv的基本论域为[-3m/s,3m/s]，其对应的模糊论域为{-3,-2,-1,0,1,2,3}，模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。
进一步地，在风速变化最大(增量Δv)为±3m/s时，桨距角的最大增量变化范围为[-12°,12°]，模糊前馈控制器输出量的模糊论域和模糊子集分别为：{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}和{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。
进一步地，所述模糊前馈控制器的输入输出隶属度函数均为三角隶属函数。
进一步地，所述模糊前馈控制器的去模糊化方法采用重心法。
本发明的有益效果为：
1.本发明能够有效地减小系统的超调量，缩短调节时间。能有效的在额定风速以上的不同风速段，根据风速给出不同的适当的前馈桨距角，实现动态前馈补偿，提高控制系统的响应速度。
2.本发明模糊PID控制器是模糊控制与PID控制器的结合，不仅具有良好的控制性能，而且在应用于非线性系统时，不依赖于控制对象的精确模型，可兼顾系统的动态与静态性能的要求，表现出很好的控制品质与很强的鲁棒性在较大偏差范围内利用模糊推理的方法给出控制量，达到快速稳定的调节。
附图说明
图1为本发明的控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
实施例：如图1所示，本发明在模糊PID控制的基础上，提出基于风速的模糊前馈方法。当在额定风速以上发生风速变化时，利用模糊推理，给出合适的桨距角前馈值，与模糊PID控制器的输出相加作为桨距角变化的设定值。
模糊控制器工作的基本原理，是将输入的数字信号经过模糊化变成模糊量，送入含有模糊规则的模糊推理模块，经过近似推理得出结论，然后被清晰化模块变换成清晰量，再输入下一级去调节被控对象，使其输出满意的结果。各种模糊控制器的设计中，最基本的结构单元是单变量二维模糊控制器，它结构简单、原理清晰、便于组合、应用广泛，而且极具代表性，可以应用于各种复杂情况的模糊控制。
本发明一种基于模糊前馈与模糊PID控制结合的变桨控制方法，包括如下步骤：
(1)分别将发电机在运行过程中的测量转速及发电机的额定转速输入至变桨控制器；转速为高速轴通过接近开关测量得到的发电机的转速；
(2)判断测量转速和额定转速间的差值是否大于0，当不大于0时，输出桨距角为0；大于0时，将该差值输入模糊变桨控制器；
(3)通过微分器计算所述差值的微分为差值的变化率，所得转速差值和差值的变化率输入至模糊变桨控制器，输出为增量型桨距角设定值β1；通过积分器计算所述差值的积分值为桨距角偏移量β2；β1和β2之和为模糊PID变桨控制器的输出值；
(4)在风速超过额定风速时，启动模糊前馈控制器，将测量的风速值及风速的微分值输入至模糊前馈控制器；风速为机舱上风速仪测量得到的风速值；
(5)将模糊PID变桨控制器的输出值和模糊前馈控制器的输出值之和作为变桨控制器输出的桨距角，控制变桨执行机构,对风轮进行控制，改变叶片的攻角，从而改变叶片吸收的风能达到稳定风轮转速的作用，保持发电机输出功率恒定。
所述模糊PID变桨控制器的控制方法为：取转速差值和差值的变化率的基本论域为[0,60rpm]，取输出量β1的基本论域为[-6°,6°]；模糊控制器的输入和输出的模糊论域均为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，模糊子集为：{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},隶属函数采用平滑的高斯型隶属函数。
由于风电场中风速的采样时间很短，一般为20ms，因此2次采样间的风速变化一般不会超过±3m/s。所述模糊前馈控制器的输入：风速增量Δv的基本论域为[-3m/s,3m/s]，其对应的模糊论域为{-3,-2,-1,0,1,2,3}，模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。
在风速变化最大(增量Δv)为±3m/s时，桨距角的最大增量变化范围为[-12°,12°]，模糊前馈控制器输出量的模糊论域和模糊子集分别为：{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}和{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。所述模糊前馈控制器的输入输出隶属度函数均为三角隶属函数。所述模糊前馈控制器的去模糊化方法采用重心法。

Claims (6)

1.一种基于模糊前馈与模糊PID控制结合的变桨控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)分别将发电机在运行过程中的测量转速及发电机的额定转速输入至模糊PID变桨控制器；
(2)判断测量转速和额定转速间的差值是否大于0，当不大于0时，输出桨距角为0；大于0时，将该差值输入模糊PID变桨控制器；
(3)通过微分器计算所述差值的微分为差值的变化率，所得转速差值和差值的变化率输入至模糊变桨控制器，输出为增量型桨距角设定值β1；通过积分器计算所述差值的积分值为桨距角偏移量β2；β1和β2之和为模糊PID变桨控制器的输出值；
(4)在风速超过额定风速时，启动模糊前馈控制器，将测量的风速值及风速的微分值输入至模糊前馈控制器；
(5)将模糊PID变桨控制器的输出值和模糊前馈控制器的输出值之和作为变桨控制器输出的桨距角，控制变桨执行机构。
2.根据权利要求1所述基于模糊前馈与模糊PID结合的变桨控制方法，其特征在于：所述模糊PID变桨控制器的控制方法为：取转速差值和差值的变化率的基本论域为[0,60rpm]，取输出量β1的基本论域为[-6°,6°]；模糊变桨控制器的输入和输出的模糊论域均为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，模糊子集为：{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},隶属函数采用平滑的高斯型隶属函数。
3.根据权利要求1所述基于模糊前馈与模糊PID结合的变桨控制方法，其特征在于：所述模糊前馈控制器的输入：风速增量Δv的基本论域为[-3m/s,3m/s]，其对应的模糊论域为{-3,-2,-1,0,1,2,3}，模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。
4.根据权利要求1所述基于模糊前馈与模糊PID结合的变桨控制方法，其特征在于：在风速变化最大(增量Δv)为±3m/s时，桨距角的最大增量变化范围为[-12°,12°]，模糊前馈控制器输出量的模糊论域和模糊子集分别为：{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}和{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。
5.根据权利要求1所述基于模糊前馈与模糊PID结合的变桨控制方法，其特征在于：所述模糊前馈控制器的输入输出隶属度函数均为三角隶属函数。
6.根据权利要求1所述基于模糊前馈与模糊PID结合的变桨控制方法，其特征在于：所述模糊前馈控制器的去模糊化方法采用重心法。
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