基于模糊PID控制器的风力发电偏航控制系统设计

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇基于模糊PID控制器的风力发电偏航控制系统设计范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：为了保证风力发电机组发挥最大效能，机舱必须准确对风，只有风力发电机叶轮法线方向与风向一致时，风机吸收的功率最大。当风向改变，风向角与偏航角的差值超过允许误差范围时，对风偏航系统必须执行及时准确的校正动作。但是由于偏航系统具有惯性大、非线性的特点，一般的PID很难达到较好的控制效果，因此文章设计了一种基于模糊pid控制器的风力发电偏航控制系统。

关键词：风力发电；模糊控制；PID

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）30-0016-03

1 偏航系统构成

偏航系统能对风向变化进行识别，并进行自动对风；偏航电机采用软启动方式并装有减速器，减少启动电流的冲击，使启动过程平稳，延长电机使用寿命；此外还有扭缆保护装置、可靠的执行电路、叶轮锁定装置，来提高风机的可靠性。当系统检测到风速大于切出风速时，偏航系统执行90°侧风操作，从而起到保护风轮的作用。偏航过程中采用异步电机作为执行机构，当对风结束时进行机械抱闸使其停止偏航。偏航系统控制结构图如下图1所示：

2 偏航方向判别策略

如图2，风向角α的范围是-180°～180°，定义正北方向为风向角0°方向。风向从正北方向顺时针变化时，风向角正向增加，正南方为180°方向；风向从正北方向逆时针变化时，风向角反向增加，正南方为-180°方向。

如图3，偏航角γ的范围是-1800°～1800°，定义正北方为偏航角0°方向。机舱顺时针旋转时，偏航角正向增加（右偏航）；机舱逆时针旋转时，偏航角反向增加（左

偏航）。

把风向角与偏航角的差值（记作θ，即θ=α-γ，取θ的范围为-1260°～1260°），在对风控制过程中，要选择合理路径，即需要机舱以最短路径跟随风向变化，可遵循以下两条规则：

（1）机舱顺时针偏转角度与逆时针偏转角度存在关

系式：

顺时针偏转角度=360°-逆时针偏转角度

即机舱可按顺时针或逆时针两种方向偏转跟踪风向实现对风的目的，本设计中为了缩短对风时间，提高效率，选择偏转角度小的方向（顺时针方向/逆时针方向）进行偏转。

（2）θ与θ±360°×n（n=0，1，2，3）机头的偏转路径一样。

由以上分析给出偏航方向判别表，见表1，其中：n为扭缆的圈数，可以通过计数传感器进行测量。

当检测到机头方向与风向角差值超过设定角度（5°），风力发电机组将执行偏航对风，当此角度达到设定角度（1°）之内时，风力发电机组停止偏航。风力发电机组连续地检测风向角变化，并计算单位时间（10min）内平均风向，然后根据平均风向判断是否需要偏航，防止在阵风扰动下的频繁偏航。当偏航条件具备时，风力发电机组释放偏航刹车，偏航电动机动作执行偏航任务。

3 偏航控制的控制算法

采用模糊PID控制器能够选择合适的，克服风机起停过程中大惯性的影响，加快偏航响应速度。偏航控制系统框图如图4所示：

比例控制器虽然简单快速，但对于具有自平衡性的被控对象存在静差。加入积分调节后积分，虽然可以消除静差，但其代价是降低系统的响应速度。为了加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，不但要对偏差量作出反应，而且要按偏差的变化趋势进行控制，使偏差在萌芽状态被抑制。因此为了达到控制目的，首先要选择PID控制。

用模糊自适应整定PID控制对偏航机构进行控制，具体方法是找出PID三个参数与e和ec之间的模糊关系，在运行中通过不断地检测e和ec，根据模糊控制原理对三个参数进行修改，以满足不同e和ec时对控制参数的不同要求，从而使被控对象有良好的动静态性能。模糊控制系统的组成如下图5所示：

PID参数整定必须考虑到在不同风向角与偏航角时三个参数的作用以及相互之间的互联关系。模糊控制设计的核心是总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，建立合适的模糊规则表，得到针对三个参数分别整定的模糊控制表。首先建立的模糊控制规则表，再根据如下方法进行的自适应校正。

将e和ec的变化范围定义为模糊集上的论域。

其模糊子集为，子集中元素分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。设e、ec和均服从三角函数分布，因此可以得出各模糊子集的隶属度，根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型，应用模糊合成推理设计PID参数的模糊矩阵表，查出修正参数代入下式计算。其中为修正后的参数值，为修正前的参数值。运行过程中，控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算，完成对PID参数的自

校正。

4 偏航控制的实现

模糊自适应PID控制器的实现方法是，先在PLC存储器中根据模糊规则建立模糊规则表，再通过输入进行查表确定并经过矫正后得到参数。再将参数送到“PID-Compact”指令中，其输出值即为控制量。具体步骤如下：

（1）在Matlab中，打开模糊推理编辑器，并将编辑abc.fis文件。建立偏差e、偏差变化率ec和控制输出量的隶属函数，它们的论域范围取为[-6，6]，隶属函数七个三角形函数，模糊子集分别取名为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB。在Fis Editor界面中，双击abc（mamdani）图标，进入Rule Editor模糊控制规则编辑器中，增加相应的模糊控制规则。得到的如图6和图7所示结果：

（2）在Matlab命令窗口利用evalfis函数计算模糊控制表，其程序如下图8所示，得到的模糊控制表如下图9所示。经整理后得到的Δkp、Δki、Δkd的模糊控制规则表。

（3）在程序中，PLC中的功能块包括：主程序块OB1，实现对整个程序的总体控制；功能块FB实现对采集信号的运算处理，量化误差和误差变化率，实现控制表的查询以及PID参数的在线调整，从而最终完成模糊PID

控制。

（4）将离线得到的的控制量表按照先行后列、先左后右的顺序依次存入PLC的全局数据块中，而且为了简化程序将输入论域元素[-6，6]转换为[0，12]。这样控制量的基址为0，偏移地址由e×13+ec决定。然后将寻址得到的相应控制量依次存入对应的存储区中。再将该存储区中的数据乘上相应的比例因子，即得到实际的的数值，并把其进行修正得到。最后，利用“MOVE”指令将各个数值传递到PID控制器相应的参数位，最终实现模糊PID控制器。

5 结语

本文所设计的参数自整定的模糊 PID（F-PID）控制器，根据风向变化和预制定的模糊规则来调整PID数，由系统计算机发出自动偏航指令，再由传感器和偏航电机使机舱准确对风，与传统PID控制进行比较，可知参数自整定的 F-PID控制器具有良好的实时性和鲁棒性，具有更好的控制效果。

参考文献

[1] 叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京：机械

工业出版社，2002.

[2] 施保华.计算机控制技术[M].武汉：华中科技大学

出版社，2007.

[3] 郭晓峰.Fuzzy-PID控制在风力发电机上转速控制中

的应用[J].长春工业大学学报（自然科学版），

2004，25（2）：51-53.

[4] 李毅，等.风力发电机偏航系统模糊控制的研究[J].

现代机械，2007，（1）：29-30.

[5] 张礼达，等.基于模糊控制的风力发电机组偏航控制

算法研究[J].水利电力科技，2008，34（2）：1-5.