摘 要:風力發(fā)電系統(tǒng)中采用磁懸浮無刷直流發(fā)電機，具有高轉(zhuǎn)速、無潤滑、無磨損、無機械噪聲、不需密封、高精度和長壽命等優(yōu)點。磁懸浮系統(tǒng)是典型的非線性遲滯系統(tǒng),難以建立精確的數(shù)學模型，應用常規(guī)PID控制難以取得良好的控制效果。為解決這一難題，針對磁懸浮系統(tǒng)設計出了Fuzzy-PID 分級控制器，它結(jié)合了模糊控制超調(diào)小、穩(wěn)定性和魯棒性好以及PID控制快速性、精度高的優(yōu)點；同時是一種無固定閾值無觸點的切換方式，基于模糊規(guī)則的切換保證了兩種控制方式間的平穩(wěn)過渡，因而具有良好的跟蹤設定值能力和較好的抗干擾能力。通過Matlab軟件進行了磁懸浮無刷直流發(fā)電系統(tǒng)仿真,仿真結(jié)果表明, Fuzzy-PID 分級控制增強了系統(tǒng)的抗干擾能力，具有很強的魯棒性。 關(guān)鍵詞: 風力發(fā)電，磁懸浮系統(tǒng)，無刷直流發(fā)電機，模糊PID分級控制 1.引言 近30年來發(fā)展起來的磁懸浮軸承,是利用磁場力將轉(zhuǎn)子懸浮于空間,實現(xiàn)轉(zhuǎn)子和定子之間沒有任何機械接觸的一種新型高性能軸承。磁懸浮軸承具有高速度、無潤滑、無磨損、無機械噪聲、不需密封、高精度和長壽命等優(yōu)點。但由于磁懸浮軸承本身占有一定的軸向空間和體積重量,軸向利用率低限制了其臨界轉(zhuǎn)速和輸出功率,影響到高速電機的輕型化、微型化。此外,磁懸浮軸承使得電機的成本過高,動態(tài)響應也慢,影響了它的廣泛使用。利用磁懸浮軸承和電機結(jié)構(gòu)的相似性,將產(chǎn)生磁懸浮力的磁懸浮軸承繞組置入電機定子,省去專門的磁懸浮軸承（如圖1）,通過對轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組的解耦控制[1],實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮,使電機轉(zhuǎn)子同時具有產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和自懸浮功能,這樣,構(gòu)成了所謂的無軸承電機（Bearingless Motor）。將這一技術(shù)應用到小型風力發(fā)電系統(tǒng)中，這將是風力發(fā)電系統(tǒng)研究的一大突破。與傳統(tǒng)風力發(fā)電系統(tǒng)相比， 磁懸浮無軸承風力發(fā)電系統(tǒng)具有尺寸小、功率密度高,能實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速、無潤滑、無磨損、無機械噪聲、和長壽命等一系列優(yōu)點,具有廣泛的應用前景,已受到越來越高的重視。 磁懸浮系統(tǒng)是典型的非線性系統(tǒng),控制系統(tǒng)只有滿足穩(wěn)定性、快速性、魯棒性和抗干擾性等要求才可以正常工作.但磁懸浮系統(tǒng)的特性參數(shù)隨時間變化而改變,難以建立精確的數(shù)學模型[2],因此傳統(tǒng)的控制雖然能夠完成控制,卻難以達到理想的控制性能.模糊控制是一種語言控制,不依賴于被控對象的數(shù)學模型,能夠直接從操作者的經(jīng)驗規(guī)劃優(yōu)化而得,但控制精確度不高,穩(wěn)態(tài)性能差. 采用模糊控制和PID控制相結(jié)合的分級控制方法，這樣既可以保證PID控制無靜差、靜態(tài)穩(wěn)定性好的特點，又兼有模糊控制自適應能力強、動態(tài)性能好的特點。本文將兩種方法結(jié)合起來, ，設計了這樣一種控制器：在誤差較大時采用模糊控制，使系統(tǒng)以超調(diào)較小的良好動態(tài)特性趨近設定值；在誤差較小，即趨于穩(wěn)定時采用PID控制算法發(fā)揮PID控制精確、靜態(tài)誤差小等優(yōu)點，進一步改善靜態(tài)特性。并設計了一種無觸點的切換方式。仿真和實驗表明,該方法控制效果好,具有較強的魯棒性。 [align=center] 圖1 磁懸浮無刷直流發(fā)電機懸浮力產(chǎn)生原理[/align] 2. 磁懸浮無刷直流發(fā)電機工作原理 無刷直流發(fā)電機（BLDG）由發(fā)電機本體和外圍電路部分組成。發(fā)電機本體為一永磁同步電機。圖2為磁懸浮無軸承的正弦波無刷直流發(fā)電機磁懸浮力產(chǎn)生原理圖。定子中除繞有轉(zhuǎn)矩繞組Na和Nb外,還繞有懸浮力繞組NA和NB。這里,為了分析方便,將電機的三相轉(zhuǎn)矩繞組、三相懸浮力繞組分別等效成了兩相繞組。假設轉(zhuǎn)子在中心位置,無偏心,電機空載。4極均勻磁通 由永磁體產(chǎn)生，由于電機空載，轉(zhuǎn)矩繞組Na和Nb中的電流i4≈0,從而可忽略該電流產(chǎn)生的磁場。當NA繞組中通以正向電流而NB繞組不通電流時,則產(chǎn)生一個a方向的2極磁場5A,其磁力線如圖所示。2極和4極磁場合成結(jié)果將使圖中2處氣隙磁通密度增加,磁場間隙力增大,而1處氣隙磁通密度減小,磁場間隙減小。最終導致轉(zhuǎn)子受到a負方向的合力F用以克服此方向的負載。如Na通以反向電流,則轉(zhuǎn)子受到a正方向的磁懸浮力。同理,NB繞組通電則可以產(chǎn)生B軸方向上的磁懸浮力。通過調(diào)節(jié)NA和NB中的電流便可產(chǎn)生任意方向的磁懸浮力,用以克服任意方向的負載,保證轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮。 3．磁懸浮BLDG的Fuzzy-PID分級控制算法 控制系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)是磁懸浮無刷直流發(fā)電機的難點和關(guān)鍵點,控制系統(tǒng)由轉(zhuǎn)矩控制和懸浮位移控制兩部分組成。PID控制器的設計,高精度的傳感檢測裝置,實時有效的控制算法等是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。由于系統(tǒng)是高階的,難以運用傳統(tǒng)的工程設計方法來設計PID調(diào)節(jié)器, 本文采用Fuzzy—PID分級控制的方法，常規(guī)Fuzzy—PID控制的切換是根據(jù)事先給定的偏差范圍進行自動切換，切換點的選擇成為影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵[3]。過早地切換體現(xiàn)不出模糊控制的優(yōu)點而使超調(diào)量增大，而當切換過遲時，若PD型模糊控制器存在較大的靜差，則可能進入不了PID控制器而成為單一模糊控制的形式。因此憑經(jīng)驗選擇切換點不易取得較好的控制效果[4]。另外，當兩種控制器切換時，很難保證其輸出量相等而使控制量連續(xù)、不發(fā)生躍變，因而在切換過程中不可避免地存在擾動，使超調(diào)增大，調(diào)節(jié)時間增長。針對這些缺陷，下面設計一種基于模糊規(guī)則切換的Fuzzy—PID分級控制器（FSFC，F(xiàn)uzzy Switched Fuzzy—PID Controller）。如圖2所示。 常規(guī)Fuzzy—PID分級控制器的缺陷主要是由其按誤差大小的固定閾值進行切換造成的[5]，為解決這一問題，可設計一種無觸點的切換方式?；谀：?guī)則進行切換的Fuzzy—PID控制器由如下的規(guī)則進行切換： If e is Z[sub]e[/sub] and ec is Z[sub]ec[/sub], then U is U[sub]p[/sub] else U is U[sub]f[/sub] 其中U[sub]p [/sub]和U[sub]f[/sub]分別為PID控制器和FLC的輸出，z[sub]e[/sub] 和z[sub]ec[/sub]分別是模糊切換規(guī)則的隸屬度函數(shù)，如圖3所示。a、b分別為誤差和誤差變化率的輸入范圍，通過改變a、b的值可以獲得不同強度的控制分量。當輸入誤差為ei，輸入誤差的變化率為eci 時，它們所對應的隸屬度分別為u[sub]e[/sub] 和u[sub]ec[/sub]在這里“and”運算可以取乘積或取小，以取小為例，可得PID控制器與FLC的輸出強度系數(shù)分別為： 圖3 FSFC模糊切換規(guī)則的隸屬度函數(shù) 4．磁懸浮BLDG的Fuzzy—PID分級控制器的設計 4.1控制器具體參數(shù)設計 4.2模糊控制規(guī)則的建立 因為三角形隸屬度函數(shù)的分辨率較高，所以本文中E，Ec，U的模糊子集均采用三角形隸屬度函數(shù)。其函數(shù)曲線如圖3所示（由于E, Ec，U的函數(shù)曲線相同，故只在同一副曲線圖中標出）。 [align=center] E、Ec、U 圖3 E、Ec、U的模糊子集隸屬度函數(shù)曲線[/align] 本文根據(jù)模型設置負大NB、負中NM、負小NS、零ZE、正小PS、正中PM、正大PB七級。據(jù)此而建立控制規(guī)則表如下。 [align=center]表1 模糊控制規(guī)則表 [/align] 根據(jù)上述推理規(guī)則，采用最大隸屬度法解模糊就完成了模糊推理的全過程。 5．仿真與實驗 針對上述的磁懸浮系統(tǒng)，利用MATLAB的FUZZY工具箱及SIMULINK仿真環(huán)境對系統(tǒng)進行仿真。仿真結(jié)構(gòu)圖如圖4。 [align=center] 圖4磁懸浮BLDG的Fuzzy—PID分級控制仿真結(jié)構(gòu)圖[/align] 系統(tǒng)的階躍響應仿真結(jié)果如圖5所示，與傳統(tǒng)的PID控制相比，系統(tǒng)的超調(diào)明顯降低，振蕩明顯減少，且具有微小的靜差，保證了較好的穩(wěn)態(tài)精度。 [align=center] 圖5 仿真結(jié)果比較[/align] 6. 結(jié) 論 將磁懸浮無刷直流發(fā)電機應用到小型風力發(fā)電系統(tǒng)中，這是風力發(fā)電系統(tǒng)研究的一大突破。對于其系統(tǒng)控制過程中難以建立準確的數(shù)學模型的特點，如果僅用PID控制很難保證其控制效果，而模糊控制的最大特點就是對被控對象不要求精確建模，因此將兩者結(jié)合起來進行分級控制可以相互補充，發(fā)揮各自的優(yōu)勢。仿真結(jié)果表明這種分級控制方式作用于磁懸浮風力發(fā)電系統(tǒng)時，系統(tǒng)的超調(diào)、振蕩明顯減少，同時具有較好的穩(wěn)態(tài)精度，獲得了比較好的控制效果。 參考文獻 [1] 盧健康,范慧赟,方曉廳,高 揚. 磁懸浮無軸承電機的解耦控制[J].微電機,2006,39（6）:15-18 LUJiankang,FANHuiyun,FANGXiaoting,GAOYang. the Decoupling of Magnetic Suspension Bearingless Motor[J].Micromotors, 2006,39（6）:15-18 [2] 周 媛,賀益康,年 珩. 永磁型無軸承電機的完整系統(tǒng)建模[J].中國電機工程學報,2006,26（4）:134-139 ZHOUYuan, HE Yi-kang, NIAN Heng. 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Electric Power Systems Research .2007,1689–1698 [align=center]The Research on Fuzzy-PID Controller-FSFC for wind driven- maglev BLDC generator YANG Guo-liang LI Hui-guang （College of Electrical Engineering , Yanshan University , Qinhuangdao 066004 , China ）[/align] Abstract: Maglev brushless DC generator （BLDG） is adopted in the wind power generation systems（WPGS）, which has the advantages of high-speed, no-lubricating, no-wearing, no-mechanical noise, no-sealed, high-degree of accuracy and long life. It is difficult to apply general PID control to the maglev system with the nonlinear and hysteresis characteristics and is difficulty in establishing extract model. In order to solve the problem, this paper designed the Fuzzy Switched Fuzzy—PID Controller （FSFC） for maglev systems．The FSFC combines the excellences of Fuzzy Control and PID Control such as tiny overshoot，good stability，speediness and high precision．The switching based on the fuzzy makes the transition calm and stable．So it has the strong ability of tracking the provision value and anti-jamming. The simulation on the Maglev BLDG system in Matlab/ simulink, The result shows that FSFC which has a perfect control effect in the stiffness and the ability of resisting disturbance is of very strong robustness. Key words: wind power generation; maglev; BLDG; FSFC 作者簡介： 楊國良 （1973-），男，吉林省公主嶺人，博士研究生，主要研究方向為現(xiàn)代控制理論在電力電子技術(shù)及分布式發(fā)電上的應用。 李惠光（1947-），男，齊齊哈爾市人，教授，博士生導師，主要研究方向為采樣理論、機器人視覺、分布式發(fā)電及可再生能源等。