單神經(jīng)元自適應(yīng)pid控制風(fēng)力機(jī)槳距角控制

單神經(jīng)元自適應(yīng)pid控制風(fēng)力機(jī)槳距角控制

變速帶風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)通常分為三個(gè)控制區(qū)域：初始階段（區(qū)域1）、定額風(fēng)速以下階段（區(qū)域2）和定遠(yuǎn)風(fēng)速以上階段（區(qū)域3）。對(duì)于該區(qū)域1的控制要求較少，主要控制集中在區(qū)域2和區(qū)域3上。區(qū)域2的控制目標(biāo)是通過(guò)控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)來(lái)保持電機(jī)以最佳葉尖速度的比，并獲得最大功率。區(qū)域3的控制目標(biāo)是通過(guò)調(diào)整帶的旋轉(zhuǎn)距離來(lái)確定風(fēng)機(jī)的輸出?？茖W(xué)家們對(duì)定額風(fēng)速以上固定風(fēng)機(jī)輸出的控制進(jìn)行了大量的研究。例如，根據(jù)奇怪的干擾理論和系統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的非線性風(fēng)動(dòng)力氣側(cè)角控制器，采用靈范法的極端配置方法，設(shè)計(jì)了魯棒數(shù)r-s-t標(biāo)準(zhǔn)距離器。此外，還在質(zhì)量距離角的控制中使用了最優(yōu)控制方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制等方法，取得了一定的控制效果。在文獻(xiàn)中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了可變變速帶風(fēng)流量控制裝置的槳距角控制器。在風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，多層傳感器和徑向函數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行中被觀察。pid算法用于設(shè)計(jì)定速自動(dòng)失速風(fēng)流量機(jī)的自適應(yīng)模糊控制器。獲得的探測(cè)器處理實(shí)際數(shù)據(jù)，連續(xù)優(yōu)化內(nèi)部參數(shù)，補(bǔ)償系統(tǒng)非線性和控制過(guò)程中的時(shí)間變化特征。PID控制器由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制可靠等特點(diǎn)在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用,但其比例、積分、微分系數(shù)的調(diào)節(jié)是個(gè)難點(diǎn),很難滿足非線性系統(tǒng)的控制需要.單神經(jīng)元控制器具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力,不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,而且能夠適應(yīng)環(huán)境變化,易于實(shí)現(xiàn).因此,將單神經(jīng)元方法和PID控制結(jié)合,利用單神經(jīng)元方法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)節(jié),使構(gòu)成的單神經(jīng)元PID控制器具有兩種控制方法的優(yōu)點(diǎn),可將其運(yùn)用到風(fēng)力機(jī)槳距角的控制中.通過(guò)仿真,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的風(fēng)力機(jī)槳距角單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器對(duì)系統(tǒng)的控制性能.1功率系數(shù)及葉尖速比、槳距角的關(guān)系當(dāng)風(fēng)通過(guò)風(fēng)力機(jī)時(shí)推動(dòng)風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn),將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能.風(fēng)力機(jī)獲得的能量為:P=Tω=12ρv3SCp(1)Ρ=Τω=12ρv3SCp(1)式中:P為風(fēng)力機(jī)輸出的軸功率;T為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩;ω為風(fēng)力機(jī)角速度;ρ為空氣密度;v為來(lái)流風(fēng)速;S為風(fēng)力機(jī)掃掠面積;Cp為能量轉(zhuǎn)換系數(shù)(即功率系數(shù)).從式(1)可以看出,當(dāng)風(fēng)力機(jī)型號(hào)選定后,其獲得的能量由風(fēng)速和能量轉(zhuǎn)換系數(shù)確定.當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速后,如果要保持風(fēng)力機(jī)輸出功率不變,則需要改變系統(tǒng)的功率系數(shù).功率系數(shù)與葉尖速比和槳距角的函數(shù)關(guān)系為:Cp(β,λ)=0.22(116λi?0.4β?5)e?12.5λi1λi=1λ+0.08β?0.035β3+1λ=ωRv???????????(2)Cp(β,λ)=0.22(116λi-0.4β-5)e-12.5λi1λi=1λ+0.08β-0.035β3+1λ=ωRv}(2)式中:β為槳距角;λ為葉尖速比;λi為λ和β的函數(shù);e為常數(shù);R為風(fēng)輪半徑.由式(1)和式(2),并結(jié)合葉尖速比-風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù)-槳距角關(guān)系曲線族圖(圖1),說(shuō)明λ、Cp和β三者間的關(guān)系.當(dāng)風(fēng)力機(jī)功率轉(zhuǎn)換系數(shù)為Cp1時(shí),在圖中有4個(gè)交點(diǎn),分別為A、B、C、D.與槳距角為0°的曲線交于點(diǎn)A和C,點(diǎn)A和C分別對(duì)應(yīng)葉尖速比λ1和λ3,且λ1<λ3;與槳距角為2°的曲線交于點(diǎn)B和D,點(diǎn)B和D分別對(duì)應(yīng)葉尖速比λ2和λ4,且λ2<λ4.可以看出,通過(guò)改變槳距角和葉尖速比的方式可以使風(fēng)力機(jī)功率轉(zhuǎn)換系數(shù)保持在某一恒定值.當(dāng)葉尖速比為λ2時(shí),產(chǎn)生的交點(diǎn)B和E分別對(duì)應(yīng)槳距角0°和2°,對(duì)應(yīng)的功率轉(zhuǎn)換系數(shù)Cp1<Cp2.又可看出,若保持葉尖速比不變,調(diào)節(jié)槳距角大小,可以得到不同的功率系數(shù).在曲線AE段,槳距角大小不變,調(diào)節(jié)葉尖速比值,可以得到不同的功率系數(shù).因此,通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角或葉尖速比可以得到不同的功率系數(shù),從而能夠進(jìn)一步調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)的輸出功率.2槳距轉(zhuǎn)速加速度忽略風(fēng)力機(jī)的剛性系數(shù)、阻尼系數(shù)和齒輪箱的慣性,變速變槳距風(fēng)力機(jī)模型為:ω˙=1J(T?T′e)β˙=1tins(βc?β)}(3)ω˙=1J(Τ-Τ′e)β˙=1tins(βc-β)}(3)式中:ω˙ω˙為角加速度;J為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;T′e為折算到低速軸的轉(zhuǎn)矩;β˙β˙為槳距角實(shí)際值時(shí)的角加速度;tins為變槳機(jī)構(gòu)時(shí)間常數(shù);βc為槳距角命令值;β為槳距角實(shí)際值.由λ=ωRvλ=ωRv得:ω=λvR(4)ω=λvR(4)由式(1)和式(4)得:T=12λρSCpRv2=12ρSCTRv2(5)Τ=12λρSCpRv2=12ρSCΤRv2(5)式中:CT=Cpλ.CΤ=Cpλ.T′e有不同的選擇方式,為了簡(jiǎn)化模型又能夠得到較好的系統(tǒng)特性,T′e由發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩折算得到.建立風(fēng)力機(jī)變槳系統(tǒng)模型后,設(shè)計(jì)槳距角控制器對(duì)風(fēng)力機(jī)輸出功率進(jìn)行控制,考察其控制性能.3單激發(fā)pid自適應(yīng)槳距離控制器的建模3.1風(fēng)力機(jī)槳距角控制當(dāng)風(fēng)速高于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定風(fēng)速后,由于風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)剛度和材料對(duì)載荷的承受極限要求,需要對(duì)風(fēng)力機(jī)輸出功率進(jìn)行控制.通常采用改變風(fēng)力機(jī)槳距角的方式將輸出功率限制在額定值.在控制過(guò)程中,對(duì)風(fēng)力機(jī)實(shí)時(shí)輸出功率進(jìn)行檢測(cè),當(dāng)實(shí)際功率高于額定功率值時(shí),將偏差作為控制輸入,經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié),控制器輸出作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入,變距機(jī)構(gòu)中的伺服電機(jī)根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出將槳距角精確定位,使經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)后的風(fēng)力機(jī)輸出功率等于額定值.槳距角控制框圖見(jiàn)圖2.3.2單神經(jīng)元自適應(yīng)控制法風(fēng)力機(jī)的工況眾多、環(huán)境復(fù)雜、系統(tǒng)的非線性等造成風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)控制的難度.常規(guī)PID控制器參數(shù)不易調(diào)整,缺乏對(duì)風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)特性及風(fēng)況變化的自適應(yīng)能力.為解決這一難題,將單神經(jīng)元自適應(yīng)控制方法應(yīng)用到PID參數(shù)的調(diào)節(jié)中,實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線調(diào)節(jié).單神經(jīng)元數(shù)學(xué)模型見(jiàn)圖3.其中:x1,x2,…,xi為神經(jīng)元輸入;w1,w2,…,wi為神經(jīng)元對(duì)x1,x2,…,xi的權(quán)系數(shù)(即權(quán)重值);u為神經(jīng)元輸出;K為神經(jīng)元比例系數(shù),K>0;i為神經(jīng)元輸入狀態(tài)的維數(shù),當(dāng)i=3時(shí),即為單神經(jīng)元數(shù)學(xué)模型.3.3p較快系統(tǒng)有條件生長(zhǎng)算法單神經(jīng)元自適應(yīng)控制器通過(guò)對(duì)加權(quán)系數(shù)的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、自組織功能,權(quán)系數(shù)的調(diào)整可以選擇相應(yīng)的學(xué)習(xí)規(guī)則實(shí)現(xiàn).變槳系統(tǒng)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4.單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法為:u(k)=u(k?1)+K∑i=13w′i(k)xi(k)w′i(k)=wi(k)/∑i=13|wi(k)|w1(k)=w1(k?1)+ηIe(k)u(k?1)x1(k)w2(k)=w2(k?1)+ηPe(k)u(k?1)x2(k)w3(k)=w3(k?1)+ηDe(k)u(k?1)x3(k)???????????????????????????????(6)u(k)=u(k-1)+Κ∑i=13w′i(k)xi(k)w′i(k)=wi(k)/∑i=13|wi(k)|w1(k)=w1(k-1)+ηΙe(k)u(k-1)x1(k)w2(k)=w2(k-1)+ηΡe(k)u(k-1)x2(k)w3(k)=w3(k-1)+ηDe(k)u(k-1)x3(k)}(6)其中:x1(k)=e(k)x2(k)=e(k)?e(k?1)x3(k)=Δ2e(k)=e(k)?2e(k?1)+e(k?2)?????(7)x1(k)=e(k)x2(k)=e(k)-e(k-1)x3(k)=Δ2e(k)=e(k)-2e(k-1)+e(k-2)}(7)式中:ηI、ηP、ηD分別為積分、比例、微分的學(xué)習(xí)速率;e(k)為偏差;u(k)為控制對(duì)象輸出.對(duì)積分、比例和微分分別采用了不同的學(xué)習(xí)速率ηI、ηP和ηD,以便對(duì)不同的權(quán)系數(shù)分別進(jìn)行調(diào)整.ηP較小時(shí)系統(tǒng)較穩(wěn)定,快速性較好;ηP過(guò)大時(shí),系統(tǒng)的快速性雖然變好,但調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng);ηI取適當(dāng)?shù)闹悼梢允瓜到y(tǒng)獲得較好的快速性.在控制過(guò)程中,單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器通過(guò)學(xué)習(xí)算法不斷在線調(diào)節(jié)加權(quán)系數(shù),使系統(tǒng)能夠適應(yīng)被控對(duì)象的狀態(tài)變化.此處采用有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)算法,考慮到加權(quán)系數(shù)wi(k)與神經(jīng)元的輸入、輸出和偏差有關(guān),其權(quán)值的修正公式為:wi(k+1)=(1?c)wi(k)+ηe(k)u(k)xi(k)(8)wi(k+1)=(1-c)wi(k)+ηe(k)u(k)xi(k)(8)式中:c為常數(shù),0≤c<1.通過(guò)對(duì)偏差信號(hào)的檢測(cè),單神經(jīng)元自適應(yīng)控制器不斷對(duì)實(shí)際控制信息進(jìn)行學(xué)習(xí),使控制器的輸出增大或減小.4風(fēng)機(jī)系統(tǒng)及轉(zhuǎn)速在建立風(fēng)電系統(tǒng)和單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器的基礎(chǔ)上,對(duì)風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)在額定風(fēng)速以上進(jìn)行功率控制.自然環(huán)境狀態(tài)下的風(fēng)速是隨機(jī)變化的,規(guī)律不易掌握,根據(jù)研究的重點(diǎn)是額定風(fēng)速以上的功率控制,且考慮風(fēng)速模型的可用性,采用圖5所示的風(fēng)速圖.風(fēng)機(jī)系統(tǒng)參數(shù)如下:葉片半徑為38.75m;空氣密度1.225kg/m3;風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量6027981kg·m2;切入風(fēng)速4m/s;切出風(fēng)速25m/s;額定風(fēng)速12m/s;傳動(dòng)比83;風(fēng)機(jī)額定功率2MW.系統(tǒng)仿真時(shí)間選擇為60s.在0～60s間,風(fēng)速在5～14m/s變化.風(fēng)速超過(guò)12m/s后,為保持輸出功率恒定,進(jìn)行變槳距控制.采用常規(guī)PID控制器和單神經(jīng)元PID控制器進(jìn)行變槳距控制時(shí),電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速見(jiàn)圖6,風(fēng)電機(jī)組輸出功率見(jiàn)圖7.從圖6可以看出,采用單神經(jīng)元PID控制器時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)更小.從圖7可以看出,采用單神經(jīng)元PID控制器進(jìn)行變槳距控制時(shí),風(fēng)電機(jī)組的輸出功率比采用常規(guī)PID控制器進(jìn)行控制時(shí)的性能更優(yōu).5在線學(xué)習(xí)