模糊控制在風力發電機組控制中的應用設計

劉克 苗斌 李付有

摘 要：本文通過模糊控制的基本概念、基本原理出發，闡述了模糊控制在風力發電機組控制中的應用設計。

關鍵詞：模糊控制；風力發電；控制理論

風能轉換系統具有強非線性，且風電場風能參數不確切可知，具有強烈的隨機性、時變性、不確定性，含有未建模或無法準確建模的動態部分，對這樣的系統實現有效控制是極為困難的。隨著電力電子技術及微型計算機的發展，先進的控制方法在電子技術及微型計算機的發展，先進的控制方法在風能轉換系統控制中的應用研究已幾乎遍及系統的各個領域，本文介紹了模糊控制技術的基本理論及在風能轉換系統中的應用。

無論是經典控制理論還是現代控制理論，他們的共同特點是控制器的設計都必須建立在被控對象的精確模型基礎上，沒有精確的數學模型，控制器的控制效果及精度都將受到很大的制約。但是，在現實生活中，大多數系統都具有非線性、時變性、大延遲等特性，很難建立精確的數學模型。因此，為了滿足現實的需要，人們開始將模糊控制理論應用于控制系統，這就是模糊控制產生的背景。

1 模糊控制的基本概念

在控制過程中，許多情況下由于被控對象（或過程）的復雜性或其機理的不明確性，缺乏必要的檢測手段或測試裝置不能進入被測試區等各種原因，致使無法建立被控對象或過程的精確數學模型。這類過程一般為多變量、非線性、強耦合的系統，各種參數也往往存在時變性，因此用經典控制理論和現代控制理論往往難以解決。而對于這種常規方法難以控制的對象，采用有經驗的操作人員對其進行手動控制卻可以收到較為滿意的控制效果。

人的控制經驗或策略一般是用語言來描述的，這些語言表達的控制規則又帶有相當的模糊性。如在經驗規則中，“較小”、“較大”、“接近”、“偏大”，“偏小”等表示控制動作的詞語都具有一定的模糊性。這些規則的形式正是模糊條件語句的形式，用模糊數學的方法來描述過程變量和控制作用的這些模糊概念及它們之間的關系，又可以根據這種模糊關系及某時刻過程變量的檢測值（需化成模糊量）用模糊邏輯推理的方法得出此時刻的控制量。模糊控制的基本思想就是利用計算機來實現人的榨制經驗。

2 模糊控制的基本原理

模糊控制器是模糊控制系統的核心，模糊控制器通常由輸入輸出量的規范化、輸入量的模糊化、模糊語言控制規則、邏輯推理、輸出量的清晰化幾個環節組成。模糊控制器框圖如1所示。

輸入輸出量的規范化是指將規范化的控制器的輸入、輸出限制在規定的范圍內，以便于控制器的設計和實現。

模糊化運算是將輸入空間的觀測量映射為輸入論域上的模糊集合。模糊化在處理信息方面具有重要的作用。在模糊控制中，觀測到的數據常常是清晰量。由于模糊控制器對數據進行處理是基于模糊集合的方法，因此對輸入數據進行模糊化是必不可少的一步。

語言規則和邏輯推理是模糊控制器的核心環節。規則庫由一系列“IF—THEN”型的模糊條件句構成。條件句的前件為輸入變量，后件為控制變量。對于多輸入多輸出的（MIMO）模糊系統，則有多個輸入和前提條件以及多個結論。根據模糊輸入量和語言控制規則，模糊邏輯推理決定輸出量的一個分布函數。

清晰化運算是將輸出量的分布函數轉化為規范化的輸出量，最后控制器將規范化的輸出量轉換為實際的輸出值（即控制量）去控制系統。

模糊控制算法可概括為下述四個步驟。

（1）根據本次采樣得到的系統輸出值，計算系統所選擇的系統輸入變量。

（2）將輸入變量的精確值變為模糊量。

（3）根據輸入的模糊量及模糊控制規則，按模糊推理合成規則計算控制量。

（4）由上述得到的控制量是模糊量，通過清晰化計算精確的控制量。

3 模糊控制在風力發電機組控制中的應用設計

模糊控制系統是以模糊集合化、模糊語言變量及模糊推理為基礎的一種計算機數學控制系統。從線性控制系統和非線性控制系統的角度分類，模糊控制系統是一種非線性控制系統；從控制器的智能性看，模糊控制屬于智能控制的范疇，而且它已經成為目前實現智能控制的一種重要而有效的形式。因此，當系統數學模型未知或不確定時，特別是對于風力發電機組控制系統——非線性、多變量系統，模糊控制能達到令人滿意的效果。模糊控制系統框圖如2所示。

模糊控制系統一般可分為五個組成部分。

（1）模糊控制器。它是各類模糊控制系統的核心部分。由于被控對象的不同，以及對系統靜態、動態特性的要求和所應用的控制規則各異，可以構成各類型的控制器。在模糊控制理論中，采用基于模糊控制的知識表示和規則推理的語言型“模糊控制器”，這也是模糊控制系統區別與其他控制系統的特點所在。模糊控制器的主要功能有三個：模糊化處理，模糊推理（決策），非模糊化處理（精確化處理）。

（2）輸入輸出接口。模糊控制器通過輸入---輸出接口從被控對象獲得數字信號量，并將模糊控制器決策的輸出數字信號經過數模轉換，轉變為模擬信號，然后送給被控對象。在I/0接口裝置中，除了A/D、D/A轉換外，還包括必要的電平轉換。

（3）執行機構。包括各種交、直流電動機，步進電動機等。

（4）對象。被控對象可以是一種設備或裝置以及他們的群體，也可以是一個生產的、自然的、社會的、生物的或其他各種對象或過程。對于那些難以建立精確數學模型的復雜對象，更適宜采用模糊控制。

（5）檢測裝置。傳感器是較常用的檢測裝置，傳感器是將被控對象或各種過程的被控制量轉化為電信號（模擬或數字）的一類裝置。被控量往往是非電量，如速度、加速度、壓力等。傳感器在模糊控制系統中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影響整個模糊控制系統的精度。因此，在選擇傳感器時，應十分注意選擇精度高且穩定性好的傳感器。

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