基于模糊控制的智能風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙控制的研究

　　能源危機(jī)的出現(xiàn)和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，使人們對(duì)新型的無污染的能源有了更加強(qiáng)烈的要求，而風(fēng)力發(fā)電就是在這個(gè)大的趨勢(shì)下逐漸進(jìn)入人們的視野。從定漿距到變漿距、雙饋調(diào)速控制方式的引入，無一不是為了提高風(fēng)能的利用率。人們對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行有效控制時(shí)，不論是利用經(jīng)典控制方法還是利用現(xiàn)代控制方法，由于它們均須進(jìn)行模型的建立，而風(fēng)速和風(fēng)向的隨機(jī)性、空氣動(dòng)力學(xué)的不確定性，使風(fēng)機(jī)機(jī)艙模型的建立有一定的困難，而機(jī)艙的自適應(yīng)追隨風(fēng)力和風(fēng)向是增大風(fēng)電機(jī)的效率和功率的前提，在這中前題下智能控制正好避開數(shù)學(xué)模型的建立，對(duì)于多變量非線性的風(fēng)機(jī)的控制有很好的效果。

　　1、 風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙的旋轉(zhuǎn)工作原理

　　現(xiàn)在使用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于控制方式的不同，如雙饋調(diào)速控制、失速控制等，在進(jìn)行風(fēng)能的撲捉時(shí)，其調(diào)整機(jī)艙的機(jī)構(gòu)有著區(qū)別，但是其原理是一樣的，大家都通過風(fēng)速儀和風(fēng)向標(biāo)把得到的信息從機(jī)艙頂部傳到風(fēng)機(jī)底部的CPU板上，通過模數(shù)量的轉(zhuǎn)化，把數(shù)字量輸入到中央處理單元，讓中央處理單元分析和處理是否進(jìn)行調(diào)整偏航馬達(dá)的運(yùn)行，利用動(dòng)力機(jī)構(gòu)（最常用的液壓機(jī)構(gòu)）調(diào)整發(fā)電機(jī)機(jī)艙的姿態(tài)，使風(fēng)輪葉片始終朝著迎風(fēng)的方向，以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)能夠充分利用已有的風(fēng)力資源；或者當(dāng)風(fēng)速超過額定的最大風(fēng)速時(shí)，進(jìn)行偏航剎車馬達(dá)的運(yùn)行、或者直接進(jìn)行90°偏航，以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠正常安全的運(yùn)行；而當(dāng)風(fēng)速太小時(shí)，為了防止風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電，不如他的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁從電網(wǎng)上吸收的電能，也要進(jìn)行脫離電網(wǎng)的處理，已節(jié)約電網(wǎng)上的電力資源。這種方法需要把風(fēng)力資源的信息風(fēng)向和風(fēng)速反饋到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的底部信息處理主板上，增加了發(fā)電機(jī)中央處理單元的負(fù)荷，延緩了機(jī)艙的旋轉(zhuǎn)時(shí)間，出于上述的考慮，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于模糊控制的智能風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙的設(shè)計(jì)，讓機(jī)艙的風(fēng)能撲捉的機(jī)構(gòu)直接成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的智能終端，減小系統(tǒng)中央處理單元的負(fù)荷。

　　2、 智能機(jī)艙硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　智能機(jī)艙硬件原理圖如下圖1所示：

　　由上可知以往的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是把所采集到的風(fēng)能的信息交給地面控制臺(tái)，而本設(shè)計(jì)使機(jī)艙有一定的主動(dòng)性。其原理是當(dāng)風(fēng)速傳感器和風(fēng)向儀采集到風(fēng)力資源的信息，放大并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換該信息后，進(jìn)入到單片機(jī)利用模糊控制算法進(jìn)行智能處理，把得到的結(jié)果通過后向通道，驅(qū)動(dòng)液壓電機(jī)，是機(jī)艙旋轉(zhuǎn)至迎風(fēng)的方向。如果風(fēng)速和風(fēng)向稍有變動(dòng)，則風(fēng)速傳感器和風(fēng)向標(biāo)重新進(jìn)行采集信息，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)的得到控制，充分利用風(fēng)能。當(dāng)然如果要進(jìn)行人為的操作，如檢修、維護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，可通過中央控制室的人機(jī)交互平臺(tái)發(fā)送停機(jī)信號(hào)之機(jī)艙。如果風(fēng)速小于或者大于額定風(fēng)速時(shí)，單片機(jī)發(fā)送偏離迎風(fēng)方向的命令，以防止風(fēng)力發(fā)電機(jī)在大風(fēng)時(shí)的破毀和對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

　　系統(tǒng)主機(jī)采用單片機(jī)模糊控制器80C552，這是由于出于對(duì)系統(tǒng)軟件要用模糊控制算法的考慮，因?yàn)樵搯纹瑱C(jī)將模糊邏輯控制理論和單片機(jī)技術(shù)結(jié)合起來，能夠起到簡化軟件的開發(fā)；其次80C552內(nèi)部有8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，簡化了電路，并且在80C552內(nèi)部有一個(gè)WATCHDOG保護(hù)電路，使該系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)防止程序飛奔，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，由于該單片機(jī)內(nèi)部僅有256byte的RAM且無ROM，因此必須對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。

　　系統(tǒng)的輸出可分為兩部分：第一部分由80C552的一個(gè)并行口輸出給LED數(shù)碼管，顯示當(dāng)前的風(fēng)速；第二部分由另一個(gè)并口輸出給功率放大器，以驅(qū)動(dòng)液壓電機(jī)。當(dāng)傳感器檢測(cè)到風(fēng)速和風(fēng)向信號(hào)的時(shí)候，單片機(jī)發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由于從單片機(jī)出來的信號(hào)比較小，只有通過放大電路，才能驅(qū)動(dòng)各種也要電機(jī)使機(jī)艙達(dá)到迎風(fēng)或者背風(fēng)的狀態(tài)。

　　在與風(fēng)力發(fā)電機(jī)底部和中央控制式的通信時(shí)，因?yàn)?0C552有著一個(gè)全雙工異步的串行通信口SIO0，和一個(gè)I 2C傳行總線口SIO2，只要把從單片機(jī)的COMS信號(hào)換成表準(zhǔn)的RS-232信號(hào)就可以進(jìn)行串行通信，不僅僅可以與風(fēng)力發(fā)電機(jī)底部主板有著可靠的通信，而且還可以與中央控制室直接進(jìn)行通信，以便當(dāng)檢修風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)或風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙出現(xiàn)毛病時(shí)，人們可以可靠的停止風(fēng)力發(fā)電機(jī)，到艙頂進(jìn)行維修。

　　3、 智能機(jī)艙系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

　　由于空氣動(dòng)力學(xué)的隨機(jī)、不確定性，很建立一個(gè)確定的關(guān)于風(fēng)力和風(fēng)向的數(shù)學(xué)關(guān)系式，為了達(dá)到最佳的控制效果，我們采用了模糊控制算法。其系統(tǒng)控制原理圖如下：

　　當(dāng)風(fēng)速或風(fēng)向低于（或高于）或偏離設(shè)定值Vmin（或Vmax）時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)停機(jī)并使風(fēng)力機(jī)在脫離電網(wǎng)狀態(tài)（甚至旋轉(zhuǎn)機(jī)艙在背風(fēng)的方向）。當(dāng)傳感器檢測(cè)到的信息在設(shè)定值之間時(shí)，微機(jī)系統(tǒng)將本次所得到的風(fēng)速與風(fēng)向的信息與上次所得到的信進(jìn)行比較，得出風(fēng)速和風(fēng)向的誤差值，并設(shè)定論域?yàn)椋?/FONT>

　　X=［-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4 ］

　　Y=［-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4 ］

　　其中風(fēng)速偏差e的論域?yàn)閄，風(fēng)向偏差變化q的論域?yàn)閅。這兩個(gè)語言變量模糊化后分別用E和Q表示，控制器的輸出為u，模糊后用U表示。將e和q的在 ［-4，4］之間分為5當(dāng)：｛NB（負(fù)大），NS（負(fù)?。?，ZE（零），PS（正?。≒B正大）｝，U的論域也為 ［-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4］。

　　由于該系統(tǒng)的輸入是兩個(gè)變量的，故模糊算法的控制語言采用如下：

　　IF E AND Q THEN U

　　其中E代表風(fēng)速，Q代表風(fēng)向，可得到控制表（略）。

　　如果檢測(cè)到的信息不是上述的定點(diǎn)，取三角形函數(shù)為隸屬度函數(shù)、利用單值隸屬度法進(jìn)行數(shù)值的模糊化。在數(shù)值的反模糊化時(shí)，利用重心算法得出控制量進(jìn)行機(jī)艙的旋轉(zhuǎn)，以最大程度的撲捉風(fēng)力資源。

　　對(duì)上述模糊語句進(jìn)行MATLAB仿真得到信號(hào)響應(yīng)曲線如下：

　　由上面的系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖可知，雖然本設(shè)計(jì)有著超調(diào)量，但其比例不是很大，且能夠在較短的時(shí)間里使系統(tǒng)達(dá)到較穩(wěn)定的輸出。由于機(jī)艙在高空中旋轉(zhuǎn)，如果響應(yīng)太快的話對(duì)機(jī)艙本身來說也不是一件太好的事，那樣會(huì)使機(jī)艙本身不穩(wěn)定的，因此在系統(tǒng)控制機(jī)艙旋轉(zhuǎn)時(shí)，這個(gè)反應(yīng)時(shí)間因該說是較快的控制反應(yīng)時(shí)間，所以從上面的分析來看，本設(shè)計(jì)有著較好的總體性能。

　　4、 結(jié)論與展望

　　該系統(tǒng)得中央處理單片機(jī)通過調(diào)整系數(shù)并結(jié)合控制表，不僅僅減輕了風(fēng)機(jī)底座中央處理單元的的負(fù)荷，而且對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)艙做了實(shí)時(shí)的控制，以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)充分的利用風(fēng)力資源，這對(duì)能源的危機(jī)已一定的改善作用。