本發(fā)明涉及一種考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)不確定的風(fēng)機(jī)變槳距滑模自適應(yīng)控制方法，屬于風(fēng)機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

風(fēng)機(jī)在工作在額定風(fēng)速以上時(shí)，為了減少過(guò)剩功率對(duì)電網(wǎng)的沖擊，避免風(fēng)電系統(tǒng)機(jī)械載荷越限以及考慮到變流器容量的限制，需要通過(guò)變槳距控制來(lái)減少風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率，限制風(fēng)機(jī)捕獲的能量，使其捕獲功率保持在額定值。

從風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式可以看出，風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)和輸入槳距角直接存在高次強(qiáng)耦合的非線性關(guān)系，風(fēng)機(jī)變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以等效為一個(gè)大慣性系統(tǒng)，滯后嚴(yán)重，且風(fēng)機(jī)工作環(huán)境通常比較惡劣，外界干擾嚴(yán)重。因此，風(fēng)機(jī)模型的參數(shù)和變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)均存在不確定性。傳統(tǒng)的pid控制的控制精度嚴(yán)重依賴于對(duì)被控對(duì)象的精確建模，在模型參數(shù)存在不確定和外界干擾嚴(yán)重的情況下，控制精度受到很大影響。為了達(dá)到更好的控制效果，一些智能控制方法被應(yīng)用于變槳距控制中，如模糊控制。模糊控制不要求被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，對(duì)于非線性的時(shí)變，滯后系統(tǒng)具有強(qiáng)魯棒性。然而模糊控制在控制器設(shè)計(jì)時(shí)主要依靠經(jīng)驗(yàn)和試湊，控制規(guī)則設(shè)計(jì)有時(shí)比較困難，且模糊控制器不具有積分環(huán)節(jié)，控制精度不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決具有不確定項(xiàng)的風(fēng)機(jī)變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能得到穩(wěn)定控制的技術(shù)問(wèn)題，提出了一種具有不確定項(xiàng)的風(fēng)機(jī)變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)的滑膜自適應(yīng)控制方法，所采取的技術(shù)方案如下：

一種具有不確定項(xiàng)的風(fēng)機(jī)變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)的滑模自適應(yīng)控制方法，所述方法包括：

步驟1：在永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)中，以風(fēng)機(jī)機(jī)械功率原始模型為基礎(chǔ)，利用風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)模型獲得包含風(fēng)機(jī)模型參數(shù)不確定和變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入不確定風(fēng)機(jī)模型；其中，ρ為空氣密度；r為風(fēng)力機(jī)槳葉半徑；v為風(fēng)速；cp(β,λ)為風(fēng)能利用系數(shù)；β為風(fēng)力機(jī)槳葉的漿距角；λ為葉尖速比。

葉尖速比λ的表達(dá)式為：風(fēng)能利用系數(shù)cp的表達(dá)式為：此式中λi的表達(dá)式為：

步驟2：針對(duì)步驟1獲得的包含風(fēng)機(jī)模型參數(shù)不確定和變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入不確定風(fēng)機(jī)模型，以非奇異終端滑模面模型為基礎(chǔ)，獲得控制器參數(shù)在線調(diào)整的風(fēng)機(jī)滑模自適應(yīng)控制器。

進(jìn)一步地，步驟1所述的包含風(fēng)機(jī)模型參數(shù)不確定和變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入不確定風(fēng)機(jī)模型的獲取步驟為：

第一步：風(fēng)機(jī)機(jī)械功率原始模型獲得風(fēng)機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩模型：

第二步：針對(duì)第一步所述機(jī)械轉(zhuǎn)矩模型的恒功率工作點(diǎn)(ωo，vo，βo)，將所述恒功率工作點(diǎn)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩模型線性化，獲得線性化恒工作點(diǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)矩模型：tω-to＝αδω+ξδv+γδβ；其中，δω＝(ω-ωo)，δv＝(v-vo)，δβ＝(β-βo)，to＝f(ωo，vo，βo)，α，γ，ξ為常數(shù)參數(shù)；

第三步：將第二步所述線性化恒工作點(diǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)矩模型：tω-to＝αδω+ξδv+γδβ代入步驟1中所述風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)模型中，獲得風(fēng)機(jī)在恒功率工作點(diǎn)處的線性模型

第四步：將風(fēng)機(jī)變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)等效為一個(gè)慣性體統(tǒng)，所述慣性系統(tǒng)的模型為：

第五步：利用所述常數(shù)參數(shù)α，ξ，γ獲得帶有常數(shù)參數(shù)估計(jì)值和不確定部分的參數(shù)組合式，所述參數(shù)組合式：其中，為所述常數(shù)參數(shù)的估計(jì)值，δα，δξ，δγ為所述常數(shù)參數(shù)的不確定值；

第六步：將第四步所述慣性系統(tǒng)的模型和第五步所述參數(shù)組合式帶入第三步所述模型中，獲得步驟1所述獲得包含風(fēng)機(jī)模型參數(shù)不確定和變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入不確定風(fēng)機(jī)模型；所述風(fēng)機(jī)模型具體為：其中，表示所述風(fēng)機(jī)模型的常數(shù)參數(shù)不確定部分和執(zhí)行機(jī)構(gòu)不確定部分。

進(jìn)一步地，步驟2所述的自適應(yīng)參數(shù)模型的獲取步驟為：

step1：取風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速誤差和轉(zhuǎn)速誤差的導(dǎo)數(shù)，設(shè)計(jì)非奇異終端滑模面：其中，p＞q＞0，p,q均為奇數(shù)；e＝δω＝ω-ωo為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速的偏差；

step2：所述風(fēng)機(jī)滑模自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)需要模型不確定部分的上界；上界用a表示，即

step3：在風(fēng)機(jī)滑模自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)的過(guò)程中，風(fēng)機(jī)滑模自適應(yīng)控制器參數(shù)代表a的估計(jì)值，其自適應(yīng)律和滑?？刂破髟O(shè)計(jì)如下四個(gè)模型，即自適應(yīng)參數(shù)模型：

βc＝βceq+βcn

可以證明，采取上述的自適應(yīng)律和控制率，即自適應(yīng)參數(shù)模型，滑模面可以在有限時(shí)間內(nèi)收斂到零，收斂到真實(shí)值a。

本發(fā)明有益效果：

本發(fā)明提出了一種具有不確定項(xiàng)的風(fēng)機(jī)變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)的滑模自適應(yīng)控制方法，所產(chǎn)生的有益效果如下：

1.本發(fā)明提出的滑模自適應(yīng)控制方法不需要確定風(fēng)機(jī)控制器常數(shù)參數(shù)的具體值或參數(shù)的界，而是通過(guò)確定滑模自適應(yīng)參數(shù)模型實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)控制器的在線調(diào)制(該風(fēng)機(jī)控制器用于控制風(fēng)機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu))，進(jìn)而提高風(fēng)機(jī)控制器對(duì)風(fēng)機(jī)參數(shù)參數(shù)變化的控制能力，保證和強(qiáng)化了風(fēng)機(jī)控制器的抗干擾能力，本發(fā)明提出的滑模自適應(yīng)控制方法極大程度上提高了風(fēng)機(jī)控制器控制的穩(wěn)定性和風(fēng)機(jī)自身運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.本發(fā)明提出的滑模自適應(yīng)控制方法同時(shí)考慮了風(fēng)機(jī)模型參數(shù)的不確定和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不確定對(duì)風(fēng)機(jī)控制的影響，通過(guò)滑模變槳距控制與自適應(yīng)控制結(jié)合的方式，利用自適應(yīng)參數(shù)模型確定上述各不確定部分的界，用以提高風(fēng)機(jī)控制器控制過(guò)程的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，能夠根據(jù)風(fēng)速的變化，快速準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的槳距角，使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持恒定。

3.本發(fā)明提出的滑模自適應(yīng)控制方法所采用自適應(yīng)的方法，在不需要對(duì)模型方程的參數(shù)進(jìn)行精確辨識(shí)的情況下，能夠有效地限制風(fēng)機(jī)系統(tǒng)輸入的能量，根據(jù)風(fēng)速的變化抑制轉(zhuǎn)速擾動(dòng)，滿足高風(fēng)段內(nèi)的功率控制要求。

4.本發(fā)明提出的滑模自適應(yīng)控制方法所采用非奇異終端滑模面，可以保證系統(tǒng)在有限時(shí)間內(nèi)收斂至平衡點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所述滑模自適應(yīng)控制方法的控制框圖

圖2為在實(shí)際風(fēng)場(chǎng)中采集的隨機(jī)風(fēng)速

圖3為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速

圖4為變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入槳距角

圖5為風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)

圖6為風(fēng)機(jī)葉尖速比

圖7為發(fā)電機(jī)輸出功率

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明不受實(shí)施例的限制。

實(shí)施例1

滑模變結(jié)構(gòu)控制方法具有響應(yīng)快，控制精度高，魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于參數(shù)具有不確定和外部存在干擾的非線性系統(tǒng)控制中，然而，滑模變結(jié)構(gòu)控制方法在到達(dá)滑模面后才具有對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)模型不確定和參數(shù)擾動(dòng)不敏感的特性。在趨近滑模面的過(guò)程中，需要假設(shè)不確定項(xiàng)的界限已知才能保證控制器穩(wěn)定，然而，在實(shí)際系統(tǒng)中，不確定參數(shù)的界是無(wú)法精確獲得的，因而控制過(guò)程中的控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)要取得足夠大來(lái)保證控制器的穩(wěn)定性，這樣導(dǎo)致控制過(guò)程十分保守，且控制器參數(shù)選取過(guò)大會(huì)增加系統(tǒng)的抖振，影響控制性能——穩(wěn)定性。另一方面，滑模變結(jié)構(gòu)控制方法在控制過(guò)程中只考慮了風(fēng)機(jī)模型參數(shù)的不確定，未考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不確定對(duì)風(fēng)機(jī)控制的影響，導(dǎo)致變結(jié)構(gòu)控制方法的精確性較差。因此，本實(shí)施例為解決變結(jié)構(gòu)控制方法穩(wěn)定性較差，精確性較差的問(wèn)題，提出了一種具有不確定項(xiàng)的風(fēng)機(jī)變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)的滑模自適應(yīng)控制方法，所述方法包括：

步驟1：在永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)中，以風(fēng)機(jī)機(jī)械功率原始模型為基礎(chǔ)，利用風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)模型獲得包含風(fēng)機(jī)模型參數(shù)不確定和變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入不確定風(fēng)機(jī)模型；其中，pω為風(fēng)機(jī)捕獲功率，ρ為空氣密度；r為風(fēng)力機(jī)槳葉半徑；v為風(fēng)速；cp(β,λ)為風(fēng)能利用系數(shù)；β為風(fēng)力機(jī)槳葉的漿距角；λ為葉尖速比；j為風(fēng)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，te為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，tω為風(fēng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩。

葉尖速比λ的表達(dá)式為：其中ω表示風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；風(fēng)能利用系數(shù)cp的表達(dá)式為：此式中λi的表達(dá)式為：

步驟2：針對(duì)步驟1獲得的包含風(fēng)機(jī)模型參數(shù)不確定和變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入不確定風(fēng)機(jī)模型，以非奇異終端滑模面模型為基礎(chǔ)，獲得風(fēng)機(jī)滑模自適應(yīng)控制器的自適應(yīng)參數(shù)模型。

進(jìn)一步地，步驟1所述的包含風(fēng)機(jī)模型參數(shù)不確定和變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入不確定風(fēng)機(jī)模型的獲取步驟為：

第一步：風(fēng)機(jī)機(jī)械功率原始模型獲得風(fēng)機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩模型：

第二步：針對(duì)第一步所述機(jī)械轉(zhuǎn)矩模型的恒功率工作點(diǎn)(ωo，vo，βo)，將所述恒功率工作點(diǎn)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩模型線性化，獲得線性化恒工作點(diǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)矩模型：tω-to＝αδω+ξδv+γδβ；其中，δω＝(ω-ωo)，δv＝(v-vo)，δβ＝(β-βo)，to＝f(ωo，vo，βo)，α，γ，ξ為常數(shù)參數(shù)，γ表示變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)系數(shù)；δω表示轉(zhuǎn)速增量，δv表示風(fēng)速增量，δβ表示槳距角增量，to,ωo,vo分別表示恒功率工作點(diǎn)處的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，風(fēng)速，β為風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)槳距角；

第三步：將第二步所述線性化恒工作點(diǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)矩模型：tω-to＝αδω+ξδv+γδβ代入步驟1中所述風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)模型中，獲得模型

第四步：將風(fēng)機(jī)變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)等效為一個(gè)慣性體統(tǒng)，所述慣性系統(tǒng)的模型為：τβ為變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)間常數(shù)，βc為輸入槳距角；

第五步：利用所述常數(shù)參數(shù)α，ξ，γ獲得帶有常數(shù)參數(shù)估計(jì)值和不確定部分的參數(shù)組合式，所述參數(shù)組合式：其中，為所述常數(shù)參數(shù)α，γ，ξ的估計(jì)值，δα，δξ，δγ為滑膜自適應(yīng)控制器常數(shù)參數(shù)α，γ，ξ的不確定值；由于γ為變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)的系數(shù)，γ的不確定也會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入的不確定。

第六步：將第四步所述慣性系統(tǒng)的模型和第五步所述參數(shù)組合式帶入第三步所述模型中，獲得步驟1所述獲得包含風(fēng)機(jī)模型參數(shù)不確定和變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入不確定風(fēng)機(jī)模型；所述風(fēng)機(jī)模型具體為：其中，表示所述風(fēng)機(jī)模型的常數(shù)參數(shù)不確定部分和執(zhí)行機(jī)構(gòu)不確定部分。

進(jìn)一步地，步驟2所述的自適應(yīng)參數(shù)模型的獲取步驟為：

step1：取風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速誤差和誤差的導(dǎo)數(shù)，設(shè)計(jì)非奇異終端滑模面：

風(fēng)機(jī)變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器的控制目標(biāo)是使轉(zhuǎn)速快速地穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速，輸出槳距角信號(hào)β。其中，p,q為滑模面設(shè)計(jì)參數(shù)，p,q均為奇數(shù)且滿足p>q>0；e＝δω＝ω-ωo為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速的偏差；并且風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速的偏差的導(dǎo)數(shù)為

step2：所述風(fēng)機(jī)滑模自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)需要模型不確定部分的上界；上界用a表示，即α設(shè)定為

step3：在控制器設(shè)計(jì)的過(guò)程中，控制器參數(shù)代表a的估計(jì)值，其自適應(yīng)律和滑?？刂破髟O(shè)計(jì)如下，即自適應(yīng)參數(shù)模型?？梢宰C明，采取如下自適應(yīng)參數(shù)模型，滑模面可以在有限時(shí)間內(nèi)收斂到零，收斂到真實(shí)值a

βc＝βceq+βcn

可以證明，采取上述的自適應(yīng)律和控制率，即自適應(yīng)參數(shù)模型，滑模面可以在有限時(shí)間內(nèi)收斂到零，收斂到真實(shí)值a。

其中βceq為等效控制，βcn為切換控制，η和k均為大于零的常數(shù)上述自適應(yīng)參數(shù)模型即為針對(duì)具有不確定項(xiàng)的風(fēng)機(jī)變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)的滑模自適應(yīng)控制器的自適應(yīng)參數(shù)模型，利用上述自適應(yīng)參數(shù)即可得到風(fēng)機(jī)變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)的滑模自適應(yīng)控制器。

控制器穩(wěn)定性證明：

選取李雅普諾夫函數(shù)為：

其中：由于風(fēng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和隨著槳距角的增大單調(diào)減小，可得

對(duì)李雅普諾夫函數(shù)求導(dǎo)得：

李雅普諾夫函數(shù)倒數(shù)恒小于零，從而保證了所設(shè)計(jì)控制器的穩(wěn)定性。變槳距滑模自適應(yīng)控制框圖如圖1所示。

在風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，魯棒自適應(yīng)變槳距控制器使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速ω保持在額定轉(zhuǎn)速ωn附近ω保持在ωn，同時(shí)控制發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩恒定，保證系統(tǒng)的恒功率運(yùn)行。永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)參數(shù)為：ρ＝1.25kg/m³，r＝5m，pen＝36kw，ωn＝20rad/s，j＝10kg·m²，pn＝6，ψf＝0.8wb，rs＝2.875ω，ld＝33mh，lq＝33mh，τβ＝0.2。魯棒自適應(yīng)變槳距控制器的參數(shù)為：ρ為空氣密度，r為風(fēng)機(jī)半徑，pen為發(fā)電機(jī)額定功率，ωn為額定轉(zhuǎn)速，j為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，pn為發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)，ψf為永磁體磁鏈，rs為發(fā)電機(jī)等效電阻，ld為發(fā)電機(jī)d軸電感，lq為發(fā)電機(jī)q軸電感，τβ為變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)間常數(shù)。為風(fēng)機(jī)模型參數(shù)的估計(jì)值。

采用風(fēng)電場(chǎng)中實(shí)際測(cè)量的一組風(fēng)速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2，進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖3—圖7所示。

風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速在額定值以上時(shí)，在風(fēng)速不斷隨機(jī)變化下，從圖3可以看出風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速仍可以維持在額定轉(zhuǎn)速20rad/s附近，通過(guò)數(shù)值分析，可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)的最大值在額定轉(zhuǎn)速的1％以內(nèi)。從圖4—圖6可以看出，槳距角增大時(shí)，葉尖速比和風(fēng)能利用系數(shù)下降，槳距角減小時(shí)，葉尖速比和風(fēng)能利用系數(shù)上升。圖7為風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率，由圖7可以看出，發(fā)電機(jī)的輸出功率能夠穩(wěn)定在36kw附近，風(fēng)電系統(tǒng)能夠工作在恒功率狀態(tài)。

由仿真結(jié)果可以看出，在考慮了風(fēng)機(jī)模型參數(shù)的不確定和輸入的不確定的情況下，所設(shè)計(jì)控制器能夠有效的限制風(fēng)電系統(tǒng)的功率，抑制轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，且在設(shè)計(jì)控制器時(shí)，控制器參數(shù)和輸入的攝動(dòng)采用自適應(yīng)的方法，在線調(diào)整參數(shù)，保證控制器穩(wěn)定，達(dá)到了理想的控制效果。

綜上所述，在不需要對(duì)模型方程的參數(shù)進(jìn)行精確辨識(shí)的情況下，所設(shè)計(jì)的控制器能夠有效地限制系統(tǒng)輸入的能量，根據(jù)風(fēng)速的變化抑制轉(zhuǎn)速擾動(dòng)，滿足高風(fēng)段內(nèi)的功率控制要求。

雖然本發(fā)明已以較佳的實(shí)施例公開如上，但其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技術(shù)的人，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以做各種改動(dòng)和修飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書所界定的為準(zhǔn)。